การกำหนดอายุด้วยวิธี TL และ OSL ทั้งสองวิธีเป็นการหาอายุของตะกอนดินที่ถูกกระตุ้นด้วยแหล่งกำเนิดพลังงานที่แตกต่างกัน โดย วิธี Optically Stimulated LuminescenceDating (OSL) เป็นการหาอายุของตะกอนดินที่เป็นชนิดตะกอนพัดพาที่ได้รับพลังงานมาจากแสงแดด และวิธี Thermoluminescence Dating (TL) เป็นการหาอายุของวัตถุโบราณที่ทำจากดินซึ่งได้รับพลังงานจากการให้ความร้อน เช่น เครื่องปั้นดินเผา อิฐ เป็นต้น หลักการของการหาอายุด้วยวิธีนี้ เกิดจากการที่ผลึกแร่หลักในดินธรรมชาติเช่น แร่ควอตซ์ แร่เฟลด์สปาร์ ในธรรมชาติผลึกแร่จะประกอบไปด้วยโครงข่ายผลึก (Lattice) ของประจุลบและประจุบวกที่ยึดเหนี่ยวอยู่ด้วยกันอย่างสมบูรณ์ แต่ผลึกแร่ในธรรมชาตินั้นมักจะเกิดความบกพร่อง (Defected mineral) ขึ้นได้จากหลายกรณีเช่น การเกิดการแทนที่ด้วยประจุของธาตุมลทิน การเย็นตัวอย่างรวดเร็วของขั้นตอนการหลอมเหลว เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเหล่านี้มีผลทำให้ลักษณะของโครงข่ายผลึกของแร่มีความผิดปกติไปจากเดิม จึงทำให้มีตำแหน่งของประจุลบบางตำแหน่งไม่พบประจุลบวางอยู่ ซึ่งทำให้ตำแหน่งนั้นมีพฤติกรรมกลายเป็นหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน (Electron Trap) และเมื่ออิเล็กตรอนตัวอื่นๆ ที่กระจายอยู่บริเวณรอบข้าง ถูกกระตุ้นหรือได้รับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม เช่น การได้รับพลังงานจากรังสีแอลฟา รังสีเบต้า รังสีแกมมาที่แผ่มาจากธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ ได้แก่ อนุกรมของยูเรเนียม อนุกรมของทอเรียม ธาตุโปแตสเซียม ธาตุรูบิเดียม หรือแม้กระทั่ง รังสีคอสมิคเอง ก็สามารถไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนเข้าไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน ซึ่งระดับของชั้นหลุมกักอิเล็กตรอนนี้จะอยู่ระหว่าง ชั้น Valence band ที่อยู่ในสภาวะพื้น (Ground state) และชั้น Conduction band ที่อยู่ในสภาวะพื้น (Ground state) และ Conduction ที่อยู่ในสถาวะกระตุ้น (Ground state)
จากหลักการนี้จึงนำมาประยุกต์ใช้ในด้านการหาอายุ โดยการให้พลังงานกระตุ้นแก่อิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นของหลุมกักอิเล็กตรอน ซึ่งการให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนนั้นมี 2 รูปแบบ คือการกระตุ้นด้วยความร้อน เรียกว่า วิธีเปล่งแสงความร้อน Thermoluminescence (TL)) คิดค้นครั้งแรกโดย Aitken (1985) และการกระตุ้นด้วยแสง เรียกว่า วิธีเปล่งแสงจากการกระตุ้นด้วยแสง Optically Stimulated Luminescence (OSL) คิดค้นครั้งแรกโดย Huntley et al. (1985) จากการการกระตุ้นด้วยพลังงานดังกล่าวทำให้อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ในสภาวะกระตุ้นและหลุดออกจากหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนไปอยู่ในระดับชั้นพลังงานอื่นที่สูงกว่า ทั้งนี้ อิเล็กตรอนที่หลุดออกดังกล่าวจึงต้องคายพลังงานออกมาเพื่อจะกลับไปอยู่ในสภาวะเสถียร (Ground State) และเกิดปรากฏการเปล่งแสง (Luminesces) ขึ้น เครื่อง TL/OSL Reader จะทำการอ่านค่า Dose จะเรียกค่าที่ได้แบบนี้ว่า Equivalence dose (ED)
ดังนั้น หากเราสามารถวัดปริมาณอิเล็กตรอนที่ฝังตัวอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอนได้ และสามารถประเมินอัตราการแผ่ได้รับรังสีจากสิ่งแวดล้อมต่อปีซึ่งเป็นตัวกระตุ้นให้อิเล็กตรอนเข้าไปเติมเต็มในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน หรือเรียกว่า Annual dose (AD) โดย AD สามารถหาได้จากปริมาณของธาตุกัมมันตรังสีของสิ่งแวดล้อมรอบข้าง เช่น การวัดปริมาณรังสีในสิ่งแวดล้อมโดยตรง การเก็บตัวอย่างเพื่อหาปริมาณกัมมันตรังสีจากวิธี Gamma spectrometer, Neutron Activation Analysis (NAA), ICPMS รวมถึงค่าของรังสีคอสมิก เราก็สามารถกำหนดอายุของวัสดุนั้นได้ จากสมการความสัมพันธ์ของการกำหนดอายุด้วยวิธีกระตุ้นด้วยแสง
โดยอายุที่ได้จะเป็นอายุของตะกอนดินนับตั้งแต่การสะสมตัวของตะกอนครั้งสุดท้ายจนถึงปัจจุบันดังรูปที่ 1A และอายุของวัตถุโบราณนับตั้งแต่วันที่ผ่านการให้ความร้อนจากการเผาไฟที่อุณหภูมิมากกว่า 300 องศาเซลเซียลขึ้นไป ดังรูปที่ 1B
การเก็บตัวอย่างสำหรับการกำหนดอายุด้วยวิธี TL/OSL
วิธีการเก็บตัวอย่างสำหรับการกำหนดอายุชั้นตะกอนดิน ด้วยวิธี OSL
1. ขุดดินเป็นแนวตัดขวางให้ได้ระดับความลึกที่ต้องการเก็บ
2. ใช้กระบอกเก็บดินเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 นิ้ว ยาวประมาณ 1 ฟุต โดยการตอกกระบอกเก็บดินในแนวขนาดกับพื้นโลกให้ได้ปริมาณดินมากที่สุด ดังรูปที่ 2
3. เมื่อนำกระบอกเก็บตัวอย่างออกมาแล้วให้ปิดหัวและท้ายของกระบอกด้วยเทปป้องกันความชื้นและแสงไม่ให้โดนตัวอย่าง ดังรูปที่ 3A
4. เก็บดินบริเวณรอบๆกระบอกในรัศมี 15 เซนติเมตรใส่ในถุงซิบเพื่อป้องกันความชื้น แต่สามารถโดนแสงได้ ดังรูปที่ 3B 5. เขียนชื่อตัวอย่าง และวันเวลาที่เก็บรวมถึงความลึก โดยวัดจากผิวดินถึงตำแหน่งที่เก็บตัวอย่าง และพิกัด ละติจูด ลองติจูด
วิธีการเก็บตัวอย่างสำหรับการกำหนดอายุอิฐหรือเครื่องปั้นดินเผา ด้วยวิธี TL
- เก็บต้วอย่างอิฐหรือตัวย่างที่เป็นเครื่องปั้นดินเผาโดยเก็บใส่ในภาชนะหรือถุงดำเพื่อไม่ให้โดนแสง
- เก็บดินบริเวณรอบๆกระบอกในรัศมี 15 เซนติเมตรใส่ในถุงซิบเพื่อป้องกันความชื้น แต่สามารถโดนแสงได้ ในกรณีที่ตัวอย่างอยู่เหนือพื้นดินเกิน 30 เซนติเมตร ไม่จำเป็นต้องเก็บดินบริเวณรอบๆ มา
- เขียนชื่อตัวอย่าง และวันเวลาที่ตำแหร่งที่เก็บรวมถึงความลึก โดยวัดจากผิวดินถึงตำแหน่งที่เก็บตัวอย่าง และพิกัด ละติจูด ลองติจูด
เฉลิมพงษ์ โพธิ์ลี้ : นักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์
ฝ่ายเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม
ศูนย์วิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)