Metoda termoluminescencyjna
1. Historia metody TL
Metoda termoluminescencyjna( TL ) jest to metoda określania wieku, używana w archeologii do datowania przede wszystkim ceramiki oraz w geologii do datowania osadów czwartorzędowych. Wprowadzono ją w latach '50 XX wieku, bardziej precyzyjne metody pojawiły się w latach '70.
Polega ona na podgrzaniu badanego materiału, np. ceramiki do ok. 500 °C i zmierzenia termoluminescencji, czyli ilości światła wypromieniowanego z badanego materiału. Metoda ta jest metodą jednorazową i zarazem destrukcyjną.
Zjawisko termoluminescencji zostało po raz pierwszy opisane przez Sir Roberta Boyle'a w XVII wieku, który w brytyjskich królewskich zeszytach naukowych opisał świecenie diamentu podgrzewanego w ręce (w łóżku pod kołdrą)
W 1904 roku nasza noblistka Maria Skłodowska-Curie w swojej rozprawie doktorskiej napisała, że naturalny fluorek wapnia (CaF2) świeci przy podgrzewaniu i natężenie światła jest tym większe im dłużej leżało obok źródła radowego. Czyli po raz pierwszy powiązano emisję termoluminescencji z promieniowaniem jonizującym.
W latach 50. amerykanie zastosowali po raz pierwszy materiały termoluminescencyjne do pomiaru dawek wokół miejsc, w których przeprowadzano testowe wybuchy jądrowe.
W 1953 r. Daniels, Boyd i Saunders zaproponowali zastosowanie zjawiska termoluminescencji do wyznaczania wieku w geologii i archeologii [4]. Pierwsze datowania starożytnej ceramiki metoda TL przeprowadzono na Uniwersytetach Berneńskim i Kalifornijskim (1960). W latach 1960–70 powstały laboratoria datowania TL m.in. w Oxfordzie, Kioto, Kijowie i Risø, w których opracowano praktyczne techniki datowania TL. Zasięg czasowy datowania znacznie przekracza 100 tys. lat, sięgając w sprzyjających warunkach, określonych głównie przez rodzaj minerału i moc naturalnego promieniowania, ok. 500 tys. lat. W Polsce początek datowania TL wyznacza publikacja M. Jasińskiej i T. Niewiadomskiego pt. „TL of biological materials” [5] poświęcona skamielinom kostnym. Rutynowe datowania luminescencyjne są wykonywane w Polsce od ok. 20 lat. Obecnie datowania czwartorzędowych osadów geologicznych metoda TL wykonuje sie w laboratoriach uczelni w Gdańsku, Lublinie i Toruniu. Na Politechnice Śląskiej w Gliwicach wykonuje sie najbardziej wszechstronne datowania dla celów archeologicznych i geologicznych, metodami radiowęgla oraz luminescencyjnymi – TL i OSL (optycznie stymulowanej luminescencji). Od 1982 roku do chwili obecnej w Gliwicach przeprowadzono ok. 650 datowań metodą luminescencyjna (wg A. Bluszcza z Politechniki Śląskiej).
2. Zasada (chemiczna, fizyczna, biologiczna)
Wyznaczanie wieku metodą TL możliwe jest dzięki obecności w badanym materiale ziaren mineralnych m.in. kwarcu, skaleni czy też kalcytu oraz śladowych ilości atomów pierwiastków promieniotwórczych. Ziarenka takie mają zdolność magazynowania częstości energii promieniowania emitowanego przez pierwiastki promieniotwórcze. Z dużą dokładnością możemy przyjąć, iż intensywność tego naturalnego promieniowania jest stała w czasie i energia pochłonięta w ziarnach wzrasta w stałym tempie, o jednakowe ilości każdego roku:
energia pochłonięta przez ziarna=wiek materiału w latach*energia pochłaniana w roku,
Przekształcając ten wzór otrzymujemy:
wiek=energia pochłonięta przez ziarnaenergia pochłonięta w ciągu roku
Całkowitą energię pochłoniętą przez ziarna nazywamy dawka pochłoniętą, zaś energie pochłonieta w ciągu roku- dawka roczną, dlatego:
wiek=dawka pochłoniętadawka roczna
Od momentu powstania struktury krystalicznej i uformowania się takiego ziarna, dawka pochłonięta ulega działaniu promieniowania jądrowego, w rezultacie w strukturze kryształu zachodzą powolne procesy fizyczne, prowadzące do kumulowania się części energii tego promieniowania. W metodzie TL dawkę wyznacza się poprzez pomiar natężenia światła emitowanego przez ziarna kryształu podczas ich podgrzewania ze stałą szybkością od temperatury pokojowej do ok. 400-500ºC.
Naukowcy borykają się z jednym podstawowym problemem, ziarna bowiem, w swojej długiej historii geologicznej mogły kilkakrotnie uzyskać i utracić maksymalną dawkę pochłonięta promieniowania. Kasowanie takiego sygnału termoluminescencyjnego może nastąpić w skutek dwóch czynników:
a) Wystawienia materiały na działanie promieni słonecznych (tzw. wybielanie optyczne)
b) Podgrzania do odpowiednio wysokiej temperatury
Ocenia się, że podgrzanie próbki do temperatury powyżej 500 ºC całkowicie kasuje świecenie termoluminescencyjne związane z poprzednim okresem historii ziaren.
3. Procedura metody, analizy
Metoda ta oparta jest na utrwalaniu się w minerałach skutków oddziaływania promieniowania; bazuje na zjawisku wybicia elektronów z ich zwykłego położenia, a następnie ich więźnięcia w miejscach uszkodzeń struktury krystalicznej minerału, czyli w tzw. stanach pułapkowych; podczas stopniowego ogrzewania badanego materiału uwięzione elektrony są uwalniane z pułapek, czemu towarzyszy emisja światła (światło jarzenia – termoluminescencja), której intensywność zależy od ilości zaabsorbowanego promieniowania; metodą termoluminescencyjną datuje się minerały (m.in. kwarc, kalcyt), szkliwo, a w archeologii ceramikę, określając ostatni czas oddziaływania wysokiej temperatury (300°C), to znaczy czas jej wypalenia. Przed podjęciem decyzji o wykorzystaniu metody termoluminescencyjnej musi być przeprowadzona dokładna analiza przydatności chronologicznej potencjalnych wyników.
4. Cel metody, wartość poznawcza
Metoda TL pozwala na datowanie fragmentów ceramiki z dokładnością od 10% do 15% mierzonego wieku. Jest to bardzo mało dlatego wprowadzona została idea datowania kontekstu, która polega na badaniu kilkunastu skorup pochodzących z tej samej warstwy kulturowej lub skorup reprezentujących jeden typ ceramiki, pochodzących z różnych naczyń. W takim przypadku dokładność datowania wzrasta do około 5%. Metodę TL warto stosować do rozróżnienia dwóch próbek. Przed przystąpieniem do metody warto zastanowić się czy przy tak małej dokładności metody rozstrzygniemy konkretny problem chronologiczny. Metoda TL może być stosowana również do określenia autentyczności niektórych obiektów muzealnych.
5. Ograniczenia metody TL
Metoda termoluminescencyjna jest kosztowną oraz technicznie złożoną metodą. Cykl badań trwa od trzech do czterech miesięcy lecz badania nie zawsze przynoszą oczekiwane efekty. Przy zwiększeniu liczby fragmentów oraz równoczesnym zwiększeniu nakładu pracy i kosztów można spodziewać się poprawy dokładności badań.
6. Pobieranie próbek
Do datowania metodą TL najlepsze są większe i grubsze fragmenty ceramiki (min 5-6 mm w poprzek powinny mierzyć ponad 25mm) Do badania przekazuje się od pięciu do piętnastu skorup. Do datowania nie można użyć fragmentów naczyń znajdujących się na powierzchni. Próbki powinny być pobierane z głębokości ponad 50cm. Powinny zalegać tam co najmniej ponad połowę całego czasu. Ceramika zwykle słabiej pochłania promieniowanie niż np.: ziarna, które znajdują się w osadzie. Są to dodatkowe utrudnienia, trzeba w takich przypadkach stosować specyficzne techniki do oznaczania wieku np.: odtworzenie dawki pochłoniętej. Pobieranie próbek osadów różni się od pobierania próbek ceramiki. Przed pobieraniem trzeba skontaktować się z pracownią TL, która będzie wykonywała datowanie. Podczas pobierania takiej próbki powinien być obecny pracownik laboratorium. Próbka osadu powinna ważyć około pół kilo, jeżeli jest problem z pobraniem próbek osadu wtedy na miejscu dokonuje się pomiaru dawki promieniowania gamma przy pomocy przenośnego terenowego urządzenia pomiarowego. Próbki należy pobierać z osadu, wytworzonego w warunkach ekspozycji na światło słoneczne, ze środka warstwy o miąższości 60cm.Należy unikać wystawiania próbek na działanie światła słonecznego oraz sztucznego. Próbki na leż przechowywać w odpowiedniej wilgotności w odpowiednim opakowaniu światłoszczelnym i wodoszczelnym. Do próbki należy dołączyć wypełniony arkusz informacyjny. Taki arkusz powinien zawierać szkic sytuacyjny miejsca poboru, który musi uwzględniać warstwy i wszelkie niejednorodności a także miejsca pobrania próbek.
7. Metoda TL w Polsce
Pionierem badań nad termoluminescencją w Polsce był doc. dr hab. Tadeusz Niewiadomski z IFJ PAN. W 1965 roku zastosował opracowane przez siebie materiały termoluminescencyjne w rutynowych pomiarach dawek w IFJ PAN. Od tego czasu zastosowanie zjawiska termoluminescencji stało się powszechne w dozymetrii indywidualnej i środowiskowej promieniowania jonizującego, badaniu rozkładu dawek w radioterapii, w archeologii, dozymetrii retrospektywnej i innych.
Muszaki