释光测年分析中年剂量测量方法

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年剂量测量方法 年剂量测量方法很多，但是归纳起来有三种，元素含量分析、厚源αa米粒子计数法和热释光剂量测定法. 这里主要介绍前两种方法： 1元素含量分析：元素含量分析.通过各种分析手段，获得器物和其埋藏地周围土壤中232Th，238U(包括235U)， 40K 和87Rb 的含量.如中子活化分析、裂变径迹分析以及各种仪器分析.仪器分析中常用的有Y能谱分析、原子吸收光谱、X 荧光分析仪、火焰光度计等.然后把含量换算成年剂量.这类方法用得很普遍，许多物理和化学实验室都有这些仪器.现代分析仪器的精确度和准确度已经达到非常高的水平，所以采用含量分析，可以得到准确的结果.缺点是这些方法都假定放射系处于长期平衡状态.事实上不少陶瓷原料中有年轻的沉积物，其平衡状态并未建立，有些原来已经平衡的样品后来遭到破坏，都会给年剂量测定带来一定的误差.另外，有些含量分析设备昂贵，还有一些分析如中子活化必须送到有反应堆或者中子源的部门进行，这些都会给年代测定工作带来困难.因为成分分析在物理和化学实室中已经普遍使用，不属于热释光测定年代中特有方法，所以不再赘述。 2厚源α粒子计数法：厚源a粒子子数法是测量年剂量最常用的方法，其优点是样品用量少(1g左右)，仪器简单，成本低，使用方便，测量速度快，普通陶瓷类样品连续测量24小时即可.还有一个优点是可以从测量得到的a计数率直接得到年剂量.当一个a粒子从样品发射到 ZnS 闪烁屏时， ZnS 产生一个闪烁，由光电倍增管光阴极接收放大后，在阳极输出-个脉冲.因为脉冲数与α粒子数成正比，所以用率表记录得到的脉冲数也是α粒子数.从a粒子计数率(包括“总a计数率”和“快对”或者“慢对”计数率)可以计算出这个样品的a，B和y剂量率。 图9Aitken描述的厚源α粒子计数的理想模型1151 图9是 Aitken 提出的ZnS 屏上厚样品a计数的理想模型[15].样品和ZnS 的厚度都比样品发射的α粒子的射程R大，假定瞬时发射的a粒子都具有相同的初始能量，而且许多路线都是斜的.从图9可以看到，在靠近ZnS 屏的发射核，大约有一半的a粒子产生闪烁(如图9中的A点).离开ZnS 的核，产生的闪烁少得多(如图9中的B点).超过射程的核，没有一个a粒米子能够达到 ZnS 屏(如图9中的C点).由此可见，在厚度为R的样品层内发射的a粒子，平均有1/4 达到 ZnS 屏.Aitken 从理论上推导了这个结果[15].如果在厚样品中取一个小体积元d4xdh(见图10)，那么从这个体积元发射的a粒子是一个圆锥形立体角.圆锥体的母线R 与重心线h的夹角为0，则从这个体积元发射的a粒子的立体角为2本(1-cos0).实际上R和h是α粒子的射程， h 也是体积元到闪烁屏的样品厚度.那么来自体积元的α粒子在4m立体角内达到屏的几率就为： 图10Aitken 描述的在闪烁屏上一个厚样品的α计数1151 如果用 Cα表示单位时间和单位质量样品发射的α粒子数目，即放射性比度(Bq/kg)，用p表示样品密度，则自面积为dA 的圆柱体样品发射的α粒子达到屏的计数率率&dA可以用下列积分计算. 因为屏的直径远大于α粒子的射程，故边界效应可以忽略.这样面积为A的整个样品达到屏的总o粒子计数率α& 应为： 事实上，在每个平衡的放射系中，都含有n个α粒子发射体.用C表示单位质量母核放射性比度，R表示各放射系成员发射的α粒子的平均射程，((12)式可以写成： 根据U系和Th系的a粒子数目以及它们的平均射程和陶瓷器样品的密度，钍系α粒子计数率a&Th 和铀系α粒子计数率α&U 以及它们之和的总α粒子计数率a&为： 式中， CTh 和 CU 分别为钍系和铀系的放射性比度(Bq/kg)，0.85和0.82分别为α粒子计数仪对钍系和铀系的电子甄别阈因子. cpks 为每千秒计数.当样品和闪烁屏的直径为42mm 时，从(14)式可以得到Th 系和U系的α计数率a&Th和a&U，即： a &Th= 0.123CTh (cpks)，.(a &u=0.132Cu(cpks). (15) 根据样品母核放射性比度和a粒子数目以及所带的能量总和，得到Th 系和U系的a，β，y年剂量与母核放射性比度 CTh 和CU 的关系.将(15)式分别代入它们的关系式，则三个年剂量Da，DB和Dy分别为： D=1.562d(mGy/a)， (16) D=0.072d(mGy/a)， (17) D，=0.085d(mGy/a)， (18) 上述公式推导见 Aitken 的 Thermoluminescence Dating[15]或者文献[64]. 从(16)~(18)式可以看到，只要测得一个样品的总ai计数率a&，就可以得到样品的a，β和y年剂量，这是非常方便的。 但这是在样品中Th 系和U系的放射性相同的条件下得到的结果，如果 Th/U 比不同，就会产生比较大的误差.在极端情况下，即一个陶瓷样品中只有 Th或者只有U， 那么(16)式得到的α年剂量Da的误差只有5%，换算成有效a年剂量时，误差上限在1%~2%，影响不大，这是因为只有钍的样品的a效率与只有铀的样品的α效率相比，仅高约8%.但是β和γ的情况不同.在β剂量中，单位放射性比度的铀链剂量比钍链高，如果样品实际上没有铀，那么根据(17)式得到的β年剂量将比真实β年剂量高20%；反之，如果样品中没有钍，得到的β年剂量比真值低20%。Y年剂量对钍/铀比的依赖性与β相同，即在两种极端情况中，从(18)式得到的结果都与真实剂量率相差20%，但是高低正好相反.在丫辐射中，没有钍高20%，没有铀低20%.因为β剂量是陶瓷器内部放射性物质提供的，而丫剂量是器物的环境提供的，器物内部和外部不大可能有相同的钍铀比，所以这一高一低不 能相互抵偿。 3.一些复杂的因素和存在的问题 古陶瓷热释光测定年代研究从20世纪60年代开始，经过近50年的发展， 已经在年代测定和真伪鉴别上取得了很大的成功，成为古陶瓷科学鉴定一个重要的手段，但是年代测定的精确度和准确度尚不理想，这是因为古剂量和年剂量测量中存在着许多复杂因素和尚未 解决的问题，主要有自然热释光的热稳定性、热释光的异常衰退、等效剂量的超线性修正、光衰退和光激发热释光、非辐射激发热释光、含水率对剂量率的衰减作用、放射系中的氡逃逸、Th/U比的变化和地下水的化学作用，还有α热释光相对效率等。