选频光释光_特征波长光释光测定年龄的技术

1、第21卷第3期核电子学与探测技术V ol.21N o .32001年5月N uclear E lectronics &D etecti on T echnol ogyM ay 2001选频光释光特征波长光释光测定年龄的技术李虎侯(国土资源部国家光释光实验室,河北石家庄050061摘要:光释光是结晶固体的特征发光性质,不同固体在不同波长的激发光源作用下,释放出来的光子的波长也是不同的。介绍了一种利用矿物的特征光释光测定年龄的方法。首先是采用BG 1999光释光谱仪选定激发光源,确定释放光子的频率,再用矿物的特征光释光谱作年龄测定。利用这一技术获得的年龄数据不仅准确度高,而且可信度大。关键

2、词:光释光;年龄测定;选频光释光;特征频率中图分类号:O 482.31文献标识码:A 文章编号:025820934(20010320176204收稿日期:2000212213作者简介:李虎侯(19362,男,湖南衡山人,国土资源部光释光实验室教授,从事核化学专业方面的研究。光释光断代(D ating w ith Op ticalL um inescence ,DOL 发展了15年1,积累了不少有用的资料,加深了我们对光释光过程的认识。光释光过程并非单一,发射光子能量与储能电子在晶体中所在的能态、激发光源的波长都有密切的关系。这就进一步促使我们把注意力集中到矿物的发光特征研究上。近年来,我们发展

3、了一种特征波长的光释光测定年龄技术2。它的理论依据是:晶体接受辐射后,作为辐射损伤的后果之一是在晶体中产生了大量的储能电子,这些储能电子一经某一特定波长的光激发后,便会发射出具有特征波长的光子。这些具有发射特征波长光子的储能电子在晶体中存在的寿命则是属于晶体固有的特性,那么,这些储能电子在晶格中存在的年龄N 就是N =O c O a式中:O c 为晶体中积累的光释光量;O a 为环境辐射每年为晶体中提供的光释光量。当然,被我们选择作为时计用的储能电子在晶体中存在的寿命一定要比期望测量对象长才有意义。特征波长光释光是矿物在单一波长光源的激发下产生出特征峰,更换激发光源的波长,就会有不同的特征波长

4、出现。一个有多种矿物的混合物组成的样品(细粒可以有几个特征波长。因此,对于那些含有多种矿物的混合物标本来说,在单一光源激发时,已经会出现几个特征峰,而在不同波长的激发光源的作用下,特征波长的光释光峰就更会增多,一个样品就可以获得几个不同波长的年龄数据。此时,我们要求的O c 就变成了(O c x x =1,2,3,n年龄值也就出现了(N x x =1,2,3,n于是,结果互比可以在同一样品中进行,这既是一种自我鉴定,也同时保证了年龄数据的可靠。1选频光释光选频光释光的产生是依靠一套设备两种手段。一套设备就是我们的BG 1999光释光仪,两种手段就是变频激发和分频接收。在这套仪器上我们采用的是更

5、换激发光源以达到变频的目的,选择一定频率的光子进行接收。我们所获得的光释光谱图见图1和2。 图1不同频道的选频光释光发射光子图 图2选频光释光谱图图1是选频光释光的光子发射图,纵坐标是光子计数,横坐标是激发时间。每一条光子发射曲线是代表一种能量的发射光子数随激发时间的变化,它就是选频光释光曲线。图2是一种能量的激发光源所激发出的不同能量的发射光子计数,也就是一张发射光子的光谱图,我们称它为分频光释光谱图。在分频光释光图谱上,清晰地显示出了样品的特征光释光频率。2激发光源频率的选定矿物的光释光是经一定波长的光激发后立即发射出另一种波长的光来。以前,曾经采用的激发光源有绿光3、红光和红外光4,它的

6、发射波长在蓝、紫到紫外区。简单一点说,光释光是用长波长的光去激发矿物发射出来的短波长的光。换句话说是具有光释光特性的矿物在接受了长波长的光后发射出短波长的光来。2.1单频光源和折射倍频利用不同频率的单一发射频率的光源作为激发光源时,随着频率的变化,可以供你选用的激发光源的频率也就是可变的。如氩离子激光器发出的514nm ;氦2氖激光器发出的633nm ;各种半导体激光器发出的可见光波段等。另外,我们把YA G 2N d 玻璃激光器发生的1064nm波长的激光通过折射倍频,分别产生532和266nm 两个波段激光的措施。这样一来,等于我们可以在一台激光器上,获得三种不同波长的激光。2.2干涉选频

7、这是我们采用的不同金属化合物选择厚度镀层制备出来的各种波长的干涉滤光片,从一个日光光源中选取单一波长作为激发光源,选定的波长的误差只有±2nm 。2.3单色器和纤维导光单色器选频,当然是选出单一波长的激发光源,而且波长可调。可是激发光的强度则与原始的光源有关。光纤技术发展到今天,已经相当成熟,它的最大好处是可以把光任意弯曲,这样,光的传导就变得非常方便。它既可运用于光源激发系统,又可以用于光子接收系统。3选频光子接收系统矿物光释光释放出来的光子的波长从紫区到红区都有,针对这一特征设计了一个分频光子计数器,其频率可调。不同频率上所获得的光子计数分为若干个通道分别加以记录,同时进入计算机

8、统一进行数据处理,并在显示器上作出能谱图来。4光释光测定年龄光释光是结晶固体中的储存能量的电子被光激发后,立即会以发射出光子的形式释放其所储藏的能量,故每当矿物暴露在阳光下,它所储藏的能量也就立即从晶体中消失。因此,以后晶体中再有储能电子出现,一定是在没有阳光的情况下,晶体接受了来自环境中的辐射所产生的。这样,我们就掌握了计算年龄的起点,再利用储能电子的数目是正比于环境所提供的辐射剂量这个基本原理,原则上,我们就可以求得一个年龄数据。那么,为什么又要用特征波长的光释光测定年龄?这是有关正本清源的问题,先说什么是特征波长的光释光?光释光是单矿物的光学特征,不同的矿物有不同的特征波长,如图3是石英

9、的光释光谱图,图4是长石的光释光谱图。单一的纯矿物在选定的激发波长作用下,会发出不同波长的光子。它直接反映了矿物晶格中储能电子所在的能级状态,是矿物晶格中储能电子的能量本征值。 图3不同频道的石英的光释光谱图在选定波长的激发光源作用下,用测定出来的矿物晶格中特征波长的光子数目,应该是正比于矿物晶格中储能电子的数目。用这种方法计算出来的年龄就是特征波长的光释光年龄。所谓特征波长又是指一种矿物发射光子的波长,它具有个性,是其他矿物不具备的特征。当然,这个特征又与所用的激发光的波长有关,有时它的可变范围宽,有时窄,都因矿物的晶体结构、杂质含量等因素的不同而变。5特征波长光释光测定年龄优缺点1选择性好

10、。激发光源选择和发射波长选择同时进行,大量排除了各种干扰(矿物的、杂质的、非光释光的干扰。2样品处理简单。沉积物中是一种混合矿物,而我们所要研究的对象是单晶体矿物。大家知道,矿物的分离是一件不太容易实现的事,尤其,我们必须是在黑暗的条件下进行矿物的分离。我们曾经采用过的方法有重液分离法和化学分离法,而现在用的是光分离技术,分辨率达到2nm 。3精确度高。在排除了各种干扰之后,所能入选的波长的光子数目有限。4对同一块标本可以进行不同矿物的结果比较,不同激发波长的结果比较,不同发射波长的结果比较。这就等于是几种不同方法的互比。5对设备的要求高。6对技术要求高。每测一个样品的年龄,就是一项研究计划,

11、它要包括样品的选择,光源的选择,矿物光谱的选择。7花费的时间长、代价高。8储存能量的电子的数目大(1016 m g ,且储存的时间长(寿命在1010a 左右。因而可适用的年龄范围宽,特别有利于沉积地层形成年龄的研究。图4不同频道的长石的光释光谱图参考文献:1H untley DJ,et al.Op tical dating of sedi m entsJ.N ature,1985,313:105.2李虎侯.热释光断代M.香港:Scientist P ressInternati onal,Inc.,1999,2002380.3Godfrey2S m ith,et al.Op tical dati

12、ng studies ofquartz and felds par sedi m ent extractsJ.Q uaternary Science R evie w s,1988,7:373.4H utt G,et al.Op tical dating:K2felds pars op ticalres ponse sti m ulati on s pectraJ.Q uaternary Science R evie w s,1988,7:381.Selected frequancy opti ca l lu m i n escenceCharacter isti c wavelength o

13、pti ca l lu m i n escence da ti n gL I H u2hou(Op tical L um inescence L aboratory in the M inistry of N ati onalL andSource,Sh ijiazhuang of H ebei P rov.050061,Ch inaAbstract:A ne w technique of op tical lum inescence(OLdating using the characteristic w avelength of a crystal is introduced.T he sp

14、ectra of op tical lum inescence of crystal are its lum inescence character.T he selected frequency op tical lum inescence dating(SFOLDm eans that the characteristic frequency of the crystal is used to dating.Equi pm ent BG1999is created for op tical lum inescence.T his equi pm ent w ill be p rovided as a different frequency sti m ulating op tical source.Spectra of lum inescence of the crystal w ill be disp layed in the screen.T herefore,you can deter m ine w hich w avelength is a characteristic w avelength of the crystal chosen.T hen,this characteristic w avelength of crystal h