Ứng dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong tính tuổi khảo cổ

stralia, Trung Quốc, Nhật Bản phương pháp này rất được chú trọng. Các nhà khảo cổ học rất quan tâm ứng dụng và hoàn thiện phương pháp này và coi đây là một trong những phương pháp mới có khả năng xác định niên đại cổ vật hữu hiệu với độ tin cậy cao. Cũng như ở nhiều nước trên thế giới, ở Việt Nam, việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp mới – đặc biệt là phương pháp xác định niên đại mẫu gốm bằng kĩ thuật nhiệt huỳnh quang là một trong những vấn đề đang được chú ý ứng dụng. 1. Phương pháp tính tuổi nhiệt huỳnh quang 1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tính tuổi Chúng ta biết rằng tất cả mọi vật trên trái đất đều bị chiếu xạ bởi các tia ion hóa phát ra từ các nguyên tố phóng xạ và các tia vũ trụ. Các khoáng vật tự nhiên như thạch anh, felfspar, đất sétlà những thành phần cấu tạo phổ biến trong các mẫu khảo cổ, cũng liên tục bị chiếu xạ bởi các hạt nhân phóng xạ, chủ yếu thuộc dãy uranium, thorium và đồng vị K-40. Cùng với thời gian, các tia alpha, beta và gamma luôn chiếu vào các khoáng vật và ion hóa các nguyên tử [1],[3]. Các điện tử được giải phóng khỏi các nguyên tử rồi sau đó bị bắt bởi các khuyết tật của tinh thể, nằm lại ở các bẫy đó chừng nào chưa nhận một nguồn năng lượng bổ sung để giải phóng chúng. Các bẫy điện tử này ngày càng được lấp đầy bởi các điện tử đã được giải phóng liên tục bởi các nguồn phóng xạ tự nhiên. Đồng thời với quá trình đó là sự hình thành các lỗ trống điện tử. Chúng được định xứ ở những tạp điện âm trong tinh thể. Các lỗ trống này ra đời và hoạt động theo một cơ chế động học hoàn toàn đối xứng với các điện tử nói trên. Khi được cung cấp một nguồn năng lượng bổ sung nào đó (ở đây là nhiệt năng), các điện tử được giải phóng khỏi bẫy và một phần của chúng sẽ tái hợp với các lỗ trống. Một phần trong số các tâm tái hợp đó chính là các tâm huỳnh quang sẽ được sử dụng trong bài toán tính tuổi. Như vậy, tín hiệu NHQ tự nhiên (TLN) là kết quả của một quá trình mẫu bị chiếu xạ tự nhiên bởi các tạp chất phóng xạ trong bản thân mẫu và môi trường, (là kết quả của quá trình hấp thụ năng lượng từ các bức xạ tự nhiên). NHQ tích luỹ từ trước thời điểm «xoá về không» đã bị xoá sạch do nhiệt độ cao (Hình 1). Hình 1: Nguyên lý tính tuổi phát quang (TL-OSL)[6] Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 60 Phương trình tuổi NHQ cơ bản: Tuổi NHQ (T) = TLN/ Liều chiếu năm (D) x độ nhạy NHQ ()  = độ nhạy huỳnh quang của mẫu=huỳnh quang của mẫu trên liều đơn vị chiếu xạ. Phương trình tính tuổi NHQ thường biểu diễn như sau: TLNT D  (1.1) Thực tế phương trình tuổi NHQ được xây dựng như sau0: a. Trường hợp đơn giản (giả định chỉ có một dạng bức xạ I =  hoặc  hoặc ): Xuất phát từ cách xác định tuổi bằng phương pháp liều chiếu bổ sung kết hợp với hiệu chỉnh trên tuyến tính, ta có phương trình tính tuổi của mẫu (tính bằng đơn vị năm): i i i PT D  với Pi = Qi + + Ii (1.2) trong đó: - Pi = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho hiệu ứng huỳnh quang trong mẫu sau Ti năm (còn gọi là liều khảo cổ). - Di = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho hiệu ứng huỳnh quang trong một năm. - Qi = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho hiệu ứng huỳnh quang quan sát được (còn gọi là liều tương đương). - Ii = liều bức xạ tích lũy hiệu dụng cho phần “tiền huỳnh quang” liên quan đến các tâm không đóng góp cho huỳnh quang và gây ra đặc tính trên phi tuyến tính của nhiều mẫu khảo cổ ở vùng liều chiếu xạ thấp. Hiệu ứng phi tuyến này xảy ra cho bức xạ  và , còn đối với bức xạ  nó bằng không (do mật độ ion hóa của  rất cao) (tất cả các bẫy có sẵn- cả bẫy liên quan lẫn bẫy không liên quan đến huỳnh quang đều được điền đầy). Hiệu ứng trên phi tuyến xảy ra ở liều chiếu xạ thấp cỡ 1Gy. Khi liều đủ cao (20 – 40 Gy đối với gốm) thì xảy ra hiện tượng dưới phi tuyến do bão hòa. Ta có thể viết lại (1.2) như sau: , ,i TL i nonTL iT T T  (1.3) với: , ,; i i TL i nonTL i i i Q IT T D D   b.Trường hợp thực tế có cả 3 nguồn bức xạ , ,  (gộp cả tia vũ trụ). Dùng bức xạ i phòng thí nghiệm để xác định Qi và Ii.. Tổng quát, ta có cho phần TTL,i : TLi(0) = D0TTL, + D0TTL, + D0TTL,  iQi  iDi TTL,i (1.4) Với: TL, TL, TL, 0 0 0 TL, D T D T D T ' Ti i D                (1.5) Như vậy: , i TL i i QT D  (1.6) Hay: , , ,, 0 0 0,1 ,1 ,1 i TL i TL TLTL i TL i TL i TL QT T TT D D D T T T                                  0 0 0 i i i i Q k D k D k D         (1.7) với: , ,, , , ,; ; TL TLTL i i ii TL i i TL i i TL i T TTk k k T T T                Từ đó ta có: , i i TL i i Q QT D D D D       (1.8) Với: Di = D+ D+D ; D = ki.D0 ; D= ki.D0 ; +D = ki.D0 (trong đó gộp cả Dc của tia vũ trụ). Trong thực tế, ta có: k= k = k = k =1 và k = k  k< 1 Điều này có thể giải thích như sau: các hạt  có năng lượng lớn từ 4 đến 9 MeV. Ngoài ra, do kích thước và khối lượng lớn nên năng lượng tiêu tán trên một đơn vị độ dài quỹ đạo cực kỳ lớn, dễ dẫn tới hiệu ứng bão hòa của cường độ nhiệt huỳnh Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 61 quang, tức là độ nhạy nhiệt huỳnh quang của hạt  sẽ thấp hơn nhiều so với hạt  và . Các hạt  và  đâm xuyên sâu hơn nhiều, hơn nữa năng lượng của chúng lại nhỏ nên không xuất hiện trường bão hòa và độ nhạy nhiệt huỳnh quang của chúng bằng nhau và lớn hơn hạt . Tương tự ta thu được: , i nonTL i i IT D  (1.9) Như vậy ta có: , , i i TL i nonTL i i PT T T D    (1.10) với: i i iP Q I  và i i i iD D D D     trong đó:  0 0. ; 1 ;i ii iD k D D D D k          0 ( 1) i iD D D k      Nghĩa là trong thực tế (bỏ chỉ số i và 0): P Q IT D D    (1.11) và: D = kD+ D+D (1.12) Ta thu được: . Q IT K D D D        (1.13) 1.2 Phương pháp kiểm tra plateau Ngoài fading do nhiệt như đã nói, còn có thể xuất hiện sự “thất thoát điện tử trong bẫy” không do nhiệt độ, (một cách giải thích là thất thoát xảy ra ngay ở nhiệt độ thấp do hiệu ứng đường hầm), gọi chung là các fading dị thường. Vấn đề đặt ra là làm cách nào để xác định vùng bền NHQ trong dải đo. Một phương pháp thực hiện được điều này gọi là kiểm tra plateau (hình 2) [5]. Thực chất của phương pháp này là so sánh dạng của các đường NHQ tự nhiên với đường NHQ chiếu liều cộng thêm nhằm tìm ra các đỉnh có độ ổn định cao để ứng dụng trong tính tuổi khảo cổ. 2. Kỹ thuật thực nghiệm tính tuổi nhiệt huỳnh quang Trong thực tế, có hai kỹ thuật thực nghiệm trong tính tuổi bằng phương pháp NHQ [3][5][7]:  Kỹ thuật bao thể thạch anh  Kỹ thuật hạt mịn 2.1 Kỹ thuật tính tuổi với bao thể thạch anh Các bao thể thạch anh (có hoạt độ phóng xạ rất bé) có đường kính lớn hơn 100m được tách từ mẫu đã nghiền mịn. Sau đó các bao thể được xử lý bóc bỏ lớp ngoài. Nhiệt huỳnh quang chỉ đo trên phần lõi còn lại: Như vậy phần đóng góp vào nhiệt huỳnh quang chỉ tính cho bức xạ  và . Vai trò của bức xạ  được loại bỏ. Việc bóc bỏ lớp ngoài cùng cũng làm mất đi một phần (khoảng 10%) liều đóng góp của bức xạ . Phương trình tính tuổi cho kỹ thuật này là: 0,9 C PT D D D     (1.14) Sau khi chuẩn bị mẫu xong, người ta chia các hạt thạch anh thành các phần giống nhau, mỗi phần cỡ 5mg và tiến hành các bước xác định các đại lượng hoàn toàn tương tự như kỹ thuật hạt mịn. Thực tế quy trình xác định tuổi ở trên chung cho cả hai kỹ thuật. Chỉ khác một ít về công thức và khâu chuẩn bị mẫu. Trong phương pháp này, ta không cần nguồn  và không cần đo liều D. 2.2 Kỹ thuật hạt mịn Cách chuẩn bị mẫu cho phương pháp này như sau: Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 62 Kích thước hạt mịn dùng đo NHQ được chọn lọc trên cơ sở thời gian lắng của chúng trong aceton. Bột mịn (khoảng 200mg) lấy từ mẫu bằng cách khoan với tốc độ chậm (200-300 rpm), loại bỏ phần bột ở lớp ngoài khoảng 2cm, cho vào cốc thuỷ tinh đựng aceton (6cm) lắc đều và để lắng trong 2 phút. Những hạt có đường kính nhỏ hơn 10m vẫn còn lơ lửng trong dung môi. Phần này sẽ được rót sang một cốc khác và tiếp tục cho lắng. Sau 20 phút những hạt nhỏ hơn 1m chưa lắng sẽ được đổ đi. Aceton được thêm vào cốc khoảng 40 ml, sau đó được chiết sang các ống nghiệm nhỏ (2ml mỗi ống) dưới đáy có một đĩa nhôm (đường kính 10mm, dày ½ mm). Các hạt có kích thước mong muốn (1-10 m) sẽ lắng dần trên các đĩa nhôm, aceton bay hơi để lại khoảng 1-2 mg mẫu trên mỗi đĩa. Cho các ống nghiệm vào tủ sấy ở nhiệt độ 50oC để làm bay hơi aceton. Hình 3 là sơ đồ dùng kỹ thuật hạt mịn tính TLN của mẫu. Hình 3: Sơ đồ dùng kỹ thuật hạt mịn tính TLN của mẫu Công thức tính tuổi bằng phương pháp hạt mịn theo (1.13) là: . Q IT K D D D        Như vậy, so với phương pháp bao thể thạch anh, phương pháp này cần phải có nguồn  để tính K, D. Thường cần chuẩn bị khoảng 16 đến 20 đĩa sao cho thật đồng đều, độ phân tán từng đĩa không được quá 5%. Mẫu bám khá chắc trên mặt đĩa, thuận tiện thao tác đo NHQ cho mẫu ngay trên đĩa. Quá trình chuẩn bị mẫu thường dùng bể siêu âm hỗ trợ, tránh sự dính các hạt nhỏ vào hạt lớn và quá trình chiết mẫu vào các ống nghiệm được đồng đều. Tất cả thao tác chuẩn bị mẫu phải làm trong điều kiện chiếu sáng yếu (ánh sáng đèn đỏ) tránh hiện tượng fading do chiếu sáng. Ưu điểm: - Chuẩn bị mẫu đơn giản - Lượng mẫu ít - Giảm tỉ lệ sai số đóng góp do các yếu tố bức xạ môi trường (gamma) do đã tính cả đóng góp của bức xạ alpha. - Dễ tạo lớp mỏng phù hợp khi chiếu xạ bằng nguồn alpha Nhược điểm: - Việc loại bỏ các bao thể lớn vốn là thành phần nhạy NHQ làm giảm đáng kể tín hiệu NHQ - Tỉ số diện tích bề mặt/ thể tích lớn làm tăng tín hiệu NHQ giả do hiện tượng bề mặt. - Các thành phần khoáng vật không xác định, trong đó có thể có cả các thành phần không thuận lợi trên góc độ NHQ (như fading dị thường). 2.3 Đánh giá liều tương đương P Liều tương đương P, về nguyên tắc có thể tính trực tiếp một cách đơn giản bằng cách đo NHQ tự nhiên của mẫu (TLN), so sánh với NHQ cũng của mẫu đó sau khi chiếu xạ nhân tạo (bêta, gamma với liều biết trước). Tuy nhiên kết quả tính kiểu này không có độ tin cậy cao do có thể xảy sự thay đổi độ nhạy sau lần đo đầu tiên (hiện tượng pre-dose effect). Thực tế liều khảo cổ Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 63 P thường được tính bằng phương pháp chiếu liều cộng thêm [1]: Hình 4: Minh họa phương pháp chiếu bồi Mẫu được chia thành nhiều phần nhỏ (cỡ 5mg). Một số phần để đo TLN, một số phần được chiếu liều cộng thêm và đo NHQ (bao gồm TLN và chiếu xạ nhân tạo). Các thông số trên hình 4: - N là tín hiệu NHQ tự nhiên đo được của mẫu. - N+, N +2 là tín hiệu NHQ đo được khi mẫu được chiếu liều cộng thêm 1 (ví dụ 5Gy), 2 (10Gy).bằng bức xạ bêta (hay gamma). - Đồ thị được thiết lập bằng phương pháp hồi quy tuyến tính. - Liều tương đương Q được tính bằng ngoại suy đến điểm cắt trục hoành của đồ thị. Ví dụ (hình 4)[1] Từ phương trình hồi quy: y = ax+b = 0,73x +4,16, cho y = 0 ta tính được: x = -b/a = -5,7. Do đó Q = 5,7Gy. Nếu tính đến hiện tượng phi tuyến trong đáp ứng liều ở vùng liều thấp, người ta phải cộng thêm một lượng hiệu chỉnh dưới tuyến tính I, nghĩa là P=Q+I. Kết luận: - Phương pháp đo tuổi nhiệt huỳnh quang là một trong những phương pháp mới có khả năng xác định niên đại cổ vật hữu hiệu với độ tin cậy cao. - Để tính được tuổi cổ vật, ta phải trải qua nhiều bước như tính liều chiếu năm D; tính độ nhạy nhiệt huỳnh quang  và liều khảo cổ P. Tính liều khảo cổ P là khâu then chốt trong tính tuổi NHQ do đó phải trải qua những bước nghiêm ngặt về mặt kỹ thuật. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp mới – đặc biệt là phương pháp xác định niên đại mẫu gốm bằng kĩ thuật nhiệt huỳnh quang là một trong những vấn đề đang được chú ý ứng dụng và bước đầu đã đạt được những kết quả quan trọng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Trọng Thành - Vũ Xuân Quang- Phan Tiến Dũng, Ứng dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang trong tính tuổi khảo cổ khu đền tháp Mỹ Sơn, Việt Nam – The fourth International Workshop on Geo-and Material-Science on Mineral Resources of Vietnam 2008 [2]. Trần Ngọc, Luận án Tiến sĩ Quang học- Hà Nội (2005). [3]. Trương Quang Nghĩa, Nhiệt phát quang và ứng dụng- Nhà XB ĐHQG- TP Hồ Chí Minh (2008). [4]. Vũ Xuân Quang, Bài giảng Nhiệt phát quang - Nha Trang 2008. [5]. Aitken, M.J, Thermoluminescence Dating Academic Press, (1985). [6]. Aitken, M.J, Archaeological dating using physical phenomena (Rep.Pro.Phys.62 (1999). [7]. Zimmerman, D.W. Thermoluminescence dating using fine grains from potteries. Achaeeometry, Vol13,I 29_52), (1971).