浅谈释光技术现代的应用及原理

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摘要： 近年科学技术飞速发展，人们对释光技术、方法和应用进行了大量的研究和探索工作，并取得了一系列重要进展和成果。文章通过研究和分析释光技术的原理，举例说明国内外释光技术在一些领域的应用。

Abstract： In recent years， with the rapid development of science and technology， many researches and explorations have been done on the method and application of luminescence technology and a series of important improvement and achievements have been gained. Through studying and analyzing the principle of luminescence technology， examples are given to explain its application in some fields at home and abroad.

关键词： 释光技术；热释光；光释光

Key words： luminescence technology；thermo-luminescence；optically stimulated luminescence

中图分类号：TL816+.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）29-0323-02

1 释光方法及其原理

自然环境中存在天然放射性元素，所以处于自然环境中的晶体（缺陷晶体）一般都接受天然辐射作用而存在释光现象。释光是一种特指的发光现象，是绝缘体或半导体积存的核辐射能量的一次性光释放。这种由晶体中发出的光就叫释光。晶体接受高能辐射之后，产生电子激子激发态。在一些材料中，这种激发态被缺陷俘获或禁锢（trapped or arrested）在晶格中而未得到释放，但这些能级并不稳定。如果是热激发，就叫热释光；如果是光激发，就叫光释光。

2 释光技术在一些领域的应用

释光方法原多用于剂量学研究领域，后被用于考古研究。主要应用领域有：环境监测方面，主要应用于对核电站、大型辐照装置、城市放射性废物库、天然环境放射水平等的常规环境监测；个人剂量、辐射治疗方面，应使用能量鉴别式个人剂量计测定个人剂量当量；年代测定和地质学方面，主要集中在陶器、地质断层、熔岩、沉积物（黄土）、陨石等方面的年代测定。

2.1 累计剂量监测技术

2.1.1 热释光探测器又称作热释光剂量计（TLD），自上世纪60年代初以来得到较为迅速的发展。它具有很多优点，如灵敏度高、量程宽、测量对象广泛，可测X、β、γ和中子等射线。特别是在剂量测量领域中占有日益重要的地位。此外，在核医学、放射生物、地质研究中也是一种有效的工作。在辐射环境监测中累积和连续测量可提供完整的辐射剂量数据资料，有利于评价辐射环境质量和相关人群所受核设施排出物造成的外照射剂量，以CaSO4和LiF为材料的热释光剂量计，常用于环境累积剂量测量。

使用热释光剂量计测定从选片到测量整个过程较为繁琐，需要同时佩戴多个剂量计，由于光致光剂量计优异的性能及简单的测量方法，部分科研机构、个人剂量检测单位相继配备了监测仪器，并开展测量工作。光释光测定仪器精密昂贵，目前存在一些局限性，国家还未出台相应的技术规范，各单位的测量方法及质量保证措施也不尽相同。

2.1.2 光致光辐射剂量计把具有光致光特性的物质作成片、条等形状，通过退火可以反复使用的剂量计。光释光现象又称为光致荧光。无机化合物受到γ辐射线与β辐射线照射后，用紫外线光激发所得的各种光谱的相关描述最早出现在1912年。之后有专家学者对红外光激发所得的各种发射光谱进行了深入研究。苏联于1955年举办的一次和平利用原子能会议上，苏联科学家Antonov Romanovskii首次提出用对远红外光敏感的SrS：Eu，Sm作为电离辐射剂量计的建议。为了区别这种剂量计与辐射光致荧光剂量计的不同，Schulman将其定义为光释光（光致荧光）（Optically Stimulated Luminescence，OSL）剂量计。受到测量灵敏度、测量方法等因素的影响和制约，以及热释光（TLD）剂量计的快速发展，光释光在辐射剂量测量方面的研究一直到了80年代中期才有了突破性进展。目前，用于个人剂量监测的商用剂量计已经投入使用。

与辐射光致荧光相比，光释光的不同点主要表现在：一发光机制不同。光释光的发光机制：在空穴结合的过程中，通过荧光辐射受激电子释放电子能量；辐射光致荧光的发光机制：在返回基态过程中，通过荧光辐射发光中心的电子受激到激发态而释放电子能量。通常情况下，光释光会被激发辐射清除发光中心，而辐射光致荧光不会被激发辐射所破坏发光中心（或者只有少许的破坏）。辐射光致荧光剂量计在辐射效应永久性的作用下，通常可以无限次的重复测量，甚至在剂量累积期间进行中期测量；二波长不同。在波长方面激发光和辐射光存在很大的差异，同辐射光相比，光释光激发光的波长要长，而辐射光致荧光激发光的波长要短。

2.2 累计剂量监测技术仪器及设备 监测仪器：在探测原理方面，物质内的晶格缺陷会捕获受到辐照后光致光读数仪的剂量元件所产生的电子空穴，受到外界激发后这些被捕获的离子会发射出光。在强度方面，发射光的强度与所受辐照的强度和激发的强度成正比。通过对激发光的强度进行控制，探测发射光的强度，对受照剂量进行计算。

退火装置：为去除光致光辐射物质的激发状态而进行光处理或热处理，采用高亮度蓝色发光二极管阵列作为激发光源，通过长时间的激发，使得剂量元件内的离子对全部被激发。

2.3 考古研究 在陶瓷中含有大量的石英、长石和方解石等矿物晶体，这些晶体长期受到α、β和γ等核辐射的作用，积累了相当的能量。如果加热陶瓷，将会观察到热释光现象，热释光的强度与其接受的核辐照的多少成正比。由于陶瓷所受的核辐射是来自于自然环境和陶瓷本身所含的微少的铀、钍和钾40等放射性杂质。在放射性剂量方面相对恒定，所以热释光的强度与受辐时间成正比。在烧制陶瓷的过程中，受高温的影响，原始的热释光能量会全部释放掉，就好比将TL时钟重新拨至零点。此后陶瓷重新积累TL信号，所以最后所测量得到的TL信号，与陶瓷的烧制年代成正比，这就是热释光断代的基本原理。

中国是陶瓷器的故乡，有大量文物。目前文物赝品很多，文物市场上90%的瓷器是假的，热释光数据已成为陶瓷断代的重要指标。由于存在天然辐射现象，辐射在物体中产生累积效应，晶体受照射时，产生缺陷，电子能级状态发生变化，辐射能量在晶体中沉积下来。热释光信号在陶瓷烧制时已被清零，根据热释光的强度可以计算出物体所受的总的辐射剂量，在测量出物体每年所受的放射性剂量，即可计算出年龄。

释光方法的基本点是利用矿物晶体对放射性辐射的响应，对样品长期埋藏点的周边环境的核辐射场效应进行研究，测定年代只是应用领域中的一个部分。

光释光测年技术是1985年由Huntley教授等提出的，国外研究以及应用都比较广泛。主要应用在晚更新世以来风成黄土、沙丘的形成演化以及相关的气候-环境演变时间序列、古水文演化、活动构造和古地震、海啸等方面。特别是2000年Murray和Wintle在总结和归纳前人研究的基础上通过大量试验提出了石英颗粒“单测片再生剂量技术”以来，光释光测年方法在上述应用方面都取得了一系列突出的新成果。

参考文献：

[1]王维达.河姆渡和甑皮岩陶片的热释光年代[J].考古学集刊，1984，4：321-327.

[2]卢演俦.沉积物的光释光（OSL）测年简介[J].地质地球化学，1990（01）.

[3]彭菲，刘德成，王春雪.光释光技术的新应用[J].人类学学报，2008（04）.