Báo cáo nghiên cứu khoa học " PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC QUANG CỦA THẠCH ANH TỰ NHIÊN " pptx

61


PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC QUANG CỦA THẠCH ANH TỰ NHIÊN
Trần Ngọc, Sở Giáo dục & Đào tạo Quảng Bình
Vũ Xuân Quang, Viện Khoa học Vật Liệu, TT KHTN&CNQG
Nguyễn Mạnh Sơn, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế

I. Mở đầu:
Năm 1985, lần đầu tiên Huntley, Gdfrey-Smith và Thewalt đã công bố
phương pháp đo liều tích luỹ mới, đó là phương pháp phát quang cưỡng bức
quang (Optical stimulated luminescence - OSL). Về bản chất, quá trình OSL khá
giống quá trình phát quang cưỡng bức nhiệt (TSL), ở đây sự cưỡng bức quang sử
dụng năng lượng của các photon quang học với các kỹ thuật khác nhau như: bức
xạ cưỡng bức có cường độ không đổi (continuous wave, CW); bức xạ cưỡng bức
có cường độ được điều biến tăng tuyến tính từ không đến giá trị cực đại (linear
modulation OSL, LM-OSL), hoặc cưỡng bức bằng các xung ánh sáng có độ rộng
xung khác nhau (Pulse OSL, POSL). Như vậy, phương pháp OSL khá đa dạng,

62
đây là phương pháp hỗ trợ tốt và trong một số trường hợp là duy nhất trong việc
đo liều tích luỹ, đặc biệt cho các vật liệu được lưu giữ hoặc tồn tại trong điều
kiện nghèo ánh sáng. Ngoài ra, OSL còn được dùng như một công cụ để nghiên
cứu bản chất, cấu trúc các tâm, bẫy và các quá trình chuyển động của các điện tử
trong vật liệu TSL [13].
Phương pháp OSL dùng ánh sáng cưỡng bức liên tục có cường độ không
đổi (continuous wave-CW) được lấy từ một nguồn đèn hồ quang công suất cao
(thông qua hệ kính lọc hoặc máy đơn sắc) hoặc một laser liên tục có bước sóng
trong vùng thích hợp, thông thường, tín hiệu OSL được đo tại một vị trí bước
sóng quanh cực đại có trong phổ OSL và được ghi cho đến khi sự phát quang kết

thúc (các bẫy kích hoạt quang đều trống), vì vậy dạng đường cong tín hiệu là
đường cong suy giảm phát quang [3,4,6,13].
Trong LM-OSL, cường độ ánh sáng cưỡng bức được điều biến tăng từ
không đến giá trị lớn nhất. Có nhiều cách điều biến cường độ ánh sáng, điều biến
cường độ dòng nuôi nguồn kích (laser hoặc đèn - điều biến điện), tạo ra sự thay
đổi tuyến tính công suất phát sáng của nguồn, hoặc có thể điều biến bằng cách
dùng một kính lọc trung tính được điều khiển bằng môtơ có các tốc độ quét khác
nhau trên đường đi của chùm tia phát ra từ nguồn sáng có cường độ không đổi
(điều biến quang) [4,6,7,11].
Thạch anh là một khoáng vật được dùng nhiều trong tính tuổi bằng
phương pháp phát quang cưỡng bức, các nghiên cứu về OSL của thạch anh dùng
các kỹ thuật CW-OSL và LM-OSL cho thấy đường cong suy giảm OSL của
thạch anh khá phức tạp. Kết quả phân tích của nhóm tác giả Bailey (1998) cho
thấy đường cong là tổ hợp của ba thành phần suy giảm theo động học bậc một.

63
Thành phần “nhanh”, “trung bình” và “chậm” tùy thuộc vào tốc độ tái bắt tương
ứng, các thành phần đó thể hiện một cách rõ nét khi dùng kỹ thuật LM-OSL
[4,12].
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu về OSL của
thạch anh tự nhiên Việt Nam dùng các các kỹ thuật CW-OSL và LM-OSL, các
kỹ thuật đo và kết quả thực nghiệm được trình bày và thảo luận.
II. Các kỹ thuật thực nghiệm:
Các tinh thể thạch anh từ mỏ Lục Yên, Tỉnh Yên Bái được sử dụng trong
các nghiên cứu này là các đơn tinh thể có kích thước khá lớn. Đầu tiên chúng
được xử lí nhiều lần trong axit HCl và HF để làm sạch các loại khoáng khác, sau
đó được cắt mài thành tấm có kích thước 5x5x3 mm
3
và được xử lý nhiệt trong

Cặp nhiệt







PMT


PC

Nguồn kích
(Laser hoặc đèn dãi rộng)

Giao
tiếp
K
í
nh l
ọ
c


Mẫu
Khu
ế
ch
đại

Kính lọc


G


Hình 1: Sơ đồ cấu tạo hệ đo LM-OSL với nguồn sáng kích thích bằng laser
hoặc đèn dãi rộng sử dụng kính lọc điều biến cường độ dùng kính trung tính.
Môtơ
K
í
nh trung
t
í
nh



64
không khí ở 500
o
C trong 3 giờ. Tất cả các mẫu được chiếu xạ bằng tia X ở chế
độ 30 KV-20 mA-20 phút (liều tương đương tại bề mặt mẫu 1 phút chiếu là 50
Gy). Phổ OSL được thực hiện bằng việc kích thích ánh sáng có bước sóng 514,5
nm từ laser Argon (có công suất thiết kế 2.5 W và làm việc ở chế độ công suất tia
ra 100 mW), bức xạ OSL thu nhận thông qua một hệ quang học có đơn sắc
SPM2 dùng cách tử và nhân quang điện R928, tất cả các công đoạn đo đạc và xử
lý mẫu đều được thực hiện dưới ánh sáng đèn đỏ. OSL dùng các kỹ thuật kích
thích liên tục (CW) và điều biến cường độ (LM) được thực hiện trên hệ đo chi
tiết được chỉ ra ở hình 1. Trường hợp kích thích bằng ánh sáng dải rộng có bước

sóng nằm trong khoảng từ 420 nm đến 560 nm dùng một đèn halogen 150 W
ghép với kính lọc GG420. Mẫu được đặt trên thanh giá bằng nichrome trong một
cryostat có thể điều khiển nhiệt độ của mẫu (trong dải nhiệt từ 77
o
K đến 750
o
K), có cửa sổ truyền qua bằng thạch anh. Cường độ ánh sáng cưỡng bức được
điều biến bằng cách dùng một kính lọc trung tính chiều dài 160 mm (cường độ
ánh sáng thay đổi tuyến tính trên suốt chiều dài của kính) gắn với một môtơ quay
đều, tốc độ có thể thay đổi tạo nên sự thay đổi cường độ ánh sáng kích thích với
các tốc độ khác nhau trên bề mặt mẫu. Tín hiệu OSL được tách khỏi ánh sáng
kích thích thông qua hệ kính lọc U340 (có vùng truyền qua từ 300 nm đến 400
nm).
3. Kết quả và thảo luận
3.1 Phổ bức xạ OSL
Dùng ánh sáng có bước sóng
514,5 nm của laser Argon kích thích
vào mẫu thạch anh đã được chiếu xạ
Thanh đốt


Cêng ®é OSL (®vt®)
H
ì
nh 2
: Ph
ổ
b
ứ
c x

ạ
OSL c
ủ
a th
ạ
ch anh, k
í
ch th
í
ch
bằng bức xạ 514.5 nm của laser Argon
ở chế độ 100 mW.

65
bằng bức xạ tia X trước đó (30 KV-20 mA-20 phút), bức xạ phát quang OSL ghi
nhận được trên hình 2. Phổ bức xạ là một dải rộng từ 330 nm đến 500 nm có các
cực đại ở khoảng 370 nm và 465 nm, sự suy giảm nhanh của dải bức xạ này thể
hiện ở các lần ghi nhận sau đó. Cường độ của dải bức xạ phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như: cường độ và bước sóng của ánh sáng kích thích, liều mà mẫu hấp thụ
được trước đó và lịch sử xử lý độ nhạy của mẫu trước khi chiếu xạ. Sự xuất hiện
của dải bức xạ OSL được giải thích là sự tái hợp của các điện tử được giải phóng
từ những bẫy nhạy quang trong quá trình kích thích với các lỗ trống tại các tâm
tái hợp phát quang. So sánh với dải bức xạ trong quá trình cưỡng bức nhiệt của
bẫy 110
o
C thấy có sự phù hợp về dạng và vị trí đỉnh. Theo các nghiên cứu của
McKeever và các cộng sự (1999) thì dải bức xạ này liên quan đến bẫy điện tử
110
o
C trong quá trình TL và cũng theo các nghiên cứu của nhóm tác giả này thì

dải bức xạ có cực đại ở 370 nm được quy cho là sự tái hợp bức xạ của các điện tử
và lổ trống tại tâm lổ trống [H
3
0
4
]
0
ở vị trí vacancy Si, còn dải bức xạ có cực đại
ở khoảng 465 nm liên quan đến tâm lổ trống [Al0
4
]
0
ở vị trí của Si
[1,4,7,8,12,13].


3.2. OSL dùng kỹ thuật CW:
Khi ánh sáng kích thích được giữ cường độ không đổi, bức xạ OSL của
thạch anh được ghi nhận nhờ vào các thiết bị được mô tả chi tiết ở hình 1, kết quả
được chỉ ra trên hình 3, đường cong suy giảm không tuân theo hàm mũ đơn mà là
tổ hợp của nhiều hàm mũ, ta có thể phân tích bằng cách làm khít theo hàm suy
giảm đơn, ta được 3 thành phần “nhanh”, “trung bình” và “chậm” như hình 3.
Thành phần “nhanh “ liên quan đến bẫy 325
0
C trên đường cong TSL, điều đó
được thể hiện trên hình 4. Các đường cong TSL đo trước và sau khi đo OSL cho
thấy đỉnh 325
0
C hầu như bị khử rất nhanh trong quá trình đo OSL.

66
100 200 300
0.19
0.20
0.21
0.22
3
2
1


Cêng ®é OSL (®vt®)
Thêi gian (gi©y)

0 10 0 200 300 400 500
0
2
4
6
110
240
375
325
T rí c khi ® o O S L
Sa u kh i ®o O SL


Cêng ®é TL
NhiÖt ®é (
0

C )

Hình 3: Đường cong suy giảm OSL củ
a
thạch anh và các thành phần- (1):
nhanh,
(2): trung bình và (3): chậm.
Hình 4: Đường cong nhiệt phát
quang tích phân của thạch anh
trước
và sau khi đo OSL.
Bằng một loạt các phép đo trên các mẫu có các chế độ khác nhau và phân
tích chi tiết các đường cong ta thấy rằng dạng của đường cong suy giảm phụ
thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: lịch sử xử lý độ nhạy của mẫu, liều mẫu đã hấp thụ,
cường độ ánh sáng kích thích và nhiệt độ của mẫu trong lúc đo.
3.3 OSL dùng kỹ thuật LM:
Đặc trưng đường cong LM-OSL đo tại nhiệt độ phòng được chỉ ra trên
hình 5, mẫu được chiếu xạ tia X (1000 Gy) và đo OSL bằng cưỡng bức ánh sáng
có công suất thay đổi từ không đến cực đại (khoảng 15mW/cm
2
tại bề mặt mẫu)
trong thời gian 700 giây.

67
Ta thấy rằng đường cong LM-OSL không xuất phát từ không tại t = 0,
điều này được giải thích bằng sự tồn tại thành phần lân quang do các bẫy nông bị
cưỡng bức nhiệt tại nhiệt độ phòng, thành phần này có thể bị khử bỏ bằng cách
xử lý nhiệt cho mẫu trước khi đo OSL (cỡ 100
0
C) trong một vài phút. Phân tích

đường cong LM-OSL bằng phương pháp làm khít tối ưu thành 3 thành phần: 1,
2, 3. Dải (1) có cực đại khá rõ nét sau hơn 100 giây kích thích, cực đại này liên
quan với thành phần khử nhanh trong đường cong CW-OSL, một dải rộng (2) có
cực đại ở 350 giây liên quan đến thành phần “trung bình” và một dải rộng (3) liên
quan đến thành phần suy giảm “chậm” của CW-OSL [4].








200 400 600 800 1000
1
2
3
100
o
C
70
o
C
50
o
C
25
o
C

Cêng ®é OSL(®vt®)
Thêi gian (gi©y)
H
ì
nh 5:

Đư
ờ
ng cong LM
-
OSL c
ủ
a th
ạ
ch anh
đo tại nhiệt độ phòng, tốc độ kích thích
chậm và phân tích 3 thành phần bằng cách
làm khớp tối ưu.
H
ì
nh 6
:
Đư
ờ
ng cong LM
-
OSL
đ
o t

ạ
i c
á
c
nhiệt độ khác nhau (tốc độ kích thích
không thay đổi).
200 400 600
6.4
6.5
6.6
tæng
3
2
1


Cêng ®é LM-OSL (®vt®)
Thêi gian (gi©y)

68


Các kết quả đo LM-OSL tại các nhiệt độ khác nhau trên hình 6. Trong
khoảng nhiệt độ từ 25
0
C đến 100
0
C, cường độ OSL tăng theo nhiệt độ đo, hay
nói cách khác, ở đây có sự hổ trợ của nhiệt độ. Tuy nhiên khi đo ở nhiệt độ
140

0
C trở lên không thu được tín hiệu OSL nữa. Một điều đáng lưu ý là đồng
thời với sự tăng tín hiệu khi nhiệt độ tăng thì kèm theo sự suy giảm nhanh phần
đuôi của đường cong khi thời gian kích thích dài.
Việc kiểm tra thành phần suy
giảm chậm có thể thực hiện bằng
cách đo nhiều lần trên cùng một mẫu
đã chiếu xạ. Các kết quả thực nghiệm
cho thấy, chỉ có lần đo đầu tiên có
khả năng cho đầy đủ phần tăng ban
đầu, còn những lần đo sau chỉ thu
được dải rộng suy giảm chậm trong
thời gian dài trên đường cong LM-
OSL (hình 7). Điều đó được giải thích
do quá trình kích thích quang đã làm
trống các bẫy một cách cục bộ chứ
không làm trống hoàn toàn cùng một
lúc. Phân tích một cách kỹ lưỡng dải
rộng ta thấy rằng chúng có nhiều cực
đại chen lấn nhau, điều đó thể hiện sự
6.4
6.6
§o lÇn 1
§o lÇn 2
§o lÇn 3


Cêng ®é OSL (®vt®)

Hình 7: LM-OSL với các lần đo khác nhau

trên cùng một mẫu chiếu xạ tia X (30
KV-20 mA- 20 ph).

69
cấu thành nên thành phần này không
phải là một bẫy đơn mà là tổ hợp của
nhiều bẫy cùng đóng góp, việc phân
tích bằng cách làm khít đường cong
được thể hiện ở hình 5 là một bằng
chứng cụ thể.
4. Kết luận:
Những đặc trưng của OSL trong thạch anh Lục Yên đã được nghiên cứu.
Phổ OSL của thạch anh chiếu xạ kích thích bằng bức xạ có bước sóng 514,5 nm
của laser Argon cho một dải rộng từ 330 nm đến 500 nm có các cực đại chính ở
370 nm và 465 nm, các dải bức xạ này là do sự tái hợp của các điện tử được giải
phóng trong quá trình cưỡng bức quang với các lỗ trống tại các tâm bức xạ phát
quang [H
3
0
4
]
0
và [Al0
4
]
0
. Tín hiệu CW- OSL giảm một cách đơn điệu, đường
cong suy giảm CW-OSL là tổ hợp 3 thành phần suy giảm, trong đó thành phần
suy giảm nhanh có liên quan đến bẫy điện tử ở 325
0

C trên đường cong TSL.
Đường cong LM-OSL gồm các đỉnh đặc trưng, điều đó cho thấy tín hiệu OSL
được hình thành bởi nhiều thành phần, bằng cách cưỡng bức và đo trong một thời
gian ngắn, cho phép tách đường cong LM-OSL thành các thành phần có nguồn
gốc từ các bẫy khác nhau. Đường cong LM-OSL của thạch anh có một đỉnh rõ
nét xuất hiện ở đoạn đầu (sau 100 giây kích thích) và một dải rộng có một số cực
đại. Bằng cách làm khít đường cong cho thấy sự hợp thành đường cong OSL là
một tổ hợp của nhiều thành phần suy giảm trong đó có ba thành phần chính
“nhanh”, “trung bình” và “chậm”. Các kết quả thực nghiệm này đã chứng tỏ được
khả năng đo đạc và triển vọng ứng dụng OSL của thạch anh trong việc xác định
liều tương đương cho việc định tuổi trong địa chất và khảo cổ.

70
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. A.G.Wintle and A.S.Murray. The relationship between quartz
thermoluminescence, photo-transferred thermoluminescence, and
optically stimulated luminescence; Radiation Measurements. Vol 27
(1997) 611- 624.
2. A.Shmilevich, R.Chen. Studies of excitation, optical bleaching and
thermal annealing of OSL in natural quartz. J.Phys.D: Appl. Phys.29,
(1996) 1047 – 1050.
3. D.Banerjee. Supralinearity and sensitivity changes in optically stimulated
luminescence of annealed quartz; Radiation Measurements. Vol 33
(2001) 47-57
4. E.Bulur, L.Butter - jensen and A.S.Murray. Optically stimulated
luminescence from quartz measured using the linear modulation
technique. Radiation Measurements. Vol 32, (2000) 407 - 411.
5. E.J.Rhodes. Observations of thermal transfer OSL signal in glacigenic
quartz. Radiation Measurements. Vol 32 (2000) 595 - 602.
6. I.K.Bailiff and V.B.mikhailik. Spatially - resolved measurement of

optically stimulated luminescence and time-resolved luminescence.
Radiation Measurements 2 (2002) 487 - 493.

71
7. J.S.Singarayer, R.M.Bailey and E.J.Rhodes. Potential of the slow
component of quartz OSL for age determination of sedimentary samples.
Radiation Measurements. Vol 32, (2000) 873 - 880
8. J.F.de Lima, M.S. Navarro and M.E.G.Valerio. Effects of thermal
treatment on the TL emission of natural quartz. Radiation Measurements.
Vol 35 (2002) 155 - 159.
9. L.Botter-Jensen, N. Agersnap Larsen, V. Mejdahl, N.R.J. Poolton; M.F.
Morris and S.W.S. McKeever. Luminescence sensitivity changes in
quartz as a result of annealing. Radiation measurements. Vol 24, No.4
(1995) 535 - 541.
10. N. Agersnap larsen, E. Bulur, L.Butter-Jensen and S.W.S McKeever.
Use of the LM-OSL technique for the detection of partial bleaching in
quartz. Radiation Measurements. Vol 32 (2000) 419 - 425.
11. R.M. Kaylor, J. Feathers, W.F. Hornyak, A.D. Franklin. Optical
stimulated luminescence in Kalahari quartz: Bleaching of the 325
o
C
peak as the source of the luminescence. J. of Luminescence 65 (1995) 1 –
6.
12. R.M. Bailey. The slow component of quartz optically stimulated
luminescence. Radiation Measurements. Vol 32 (2000) 233 - 246.
13. S.W.S. McKeever and R. Chen. Luminescence models. Radiation
measurements. Vol 27, No5 - 6 (1997) 625 - 661.

72
TÓM TẮT

Thạch anh là một vật liệu được dùng nhiều nhất trong tính tuổi và đo liều
tích lũy bằng phát quang. Các nghiên cứu về phát quang cưỡng bức quang (OSL)
trong thạch anh dùng các kỹ thuật kích thích bức xạ liên tục (CW-OSL) và kích
thích cường độ tăng tuyến tính (LM-OSL) cho thấy đường cong suy giảm OSL
của thạch anh khá phức tạp. Đường cong suy giảm là tổ hợp của ba thành phần
suy giảm theo động học bậc một. Thành phần “nhanh”, “trung bình“ và “chậm”
tuỳ thuộc vào tốc độ tái bắt, tương ứng. Các nghiên cứu cho thấy, tín hiệu LM-
OSL của thạch anh có đỉnh rất rõ nét xuất hiện ngay đoạn bắt đầu của đường
cong và nó được xem là thành phần bị khử “nhanh” trong đường cong OSL khi
dùng kỹ thuật CW-OSL và một dải rộng có các đỉnh chồng chập là thành phần
suy giảm trung bình và chậm ở đoạn cuối của đường cong LM-OSL.

OPTICALLY STIMULATED LUMINESCENCE OF NATURAL QUARTZ
.

Trần Ngọc,

Education and Trainning Department of
Quang Binh

Vũ Xuân Quang, Institute of Materials Science, NCST
Nguyễn Mạnh Sơn, University of Sciences, Hue University


73
SUMMARY
Quartz is one of the most useful materials for luminescent dating and
accumulative dosimetry. The investigations for the optically stimulated
luminescence from natural quartz using the continuous wave (CW-OSL) and the
linear modulation (LM-OSL) techniques shown that the OSL decay curve of the

quartz are complicated. The decay curve has three signal components with first
order kinetics. These components were referred to as the “fast”, “medium” and
“slow” components according to their respective detrapping rates. The LM-OSL
curve from quartz shows a first obvious peak and a last broad band. The peak in
the initial stages is relative to the fast decaying component of the CW-OSL curve
and the slowly decaying component is a tail in the LM-OSL curve.