[发明专利]基于测量非金属晶体矿物电荷分布的环境温度变化测定装置和测定方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种温度测定装置和测定方法，具体涉及一种用于估测样品受热历史和温度变化情况的基于测量非金属晶体矿物电荷分布的环境温度变化测定装置和测定方法。

背景技术：

已有的温度测量装置，比如热温度计、热电偶等等，记录的是某种热敏材料任何一段连续时间的温度变化情况，不具有可以相对永久记忆温度变化历史的功能。

从固体物理中引用的能级概念，是指固体中微观结构上的电子能级，这些电子能级决定了该固体的电学特性。其中价带是指在绝对零度下能被电子占满的最高能带，而导带是指在绝对零度下没有电子占有的最低能带。导带中的带电电荷可以自由运动，导带与价带中的能级差称为禁带。理想的绝缘体或者半导体禁带中不存在能态，但是，自然界中存在的绝缘体或者半导体固体中，由于缺陷和杂质成分的存在，其禁带内存在可以充填电荷的电子陷阱以及空穴陷阱。通常情况下，导带与价带之间的陷阱中充填电荷表征的电子-空穴状态，紧密关联于该固体所暴露的环境温度，并且特定陷阱中捕获的电荷随环境温度变化而逃逸的规律，服从阿伦尼斯（Arrhenius）方程。

而以石英、长石、方解石等为代表的非金属晶体矿物就属于上述存在缺陷和杂质成份的绝缘体或半导体。这些矿物具有一个共性，即晶体内由于缺陷和杂质的存在，导致环境辐射效应引发的晶体内电子-空穴对分布状态受控于环境温度的变化，其晶体内电子-空穴分布状态可以很好地记忆经历的温度暴露历史，特别是最高温度暴露历史，直到随后的、可能出现的更高温度或者更长温度暴露时间将该电子-空穴态破坏为止。

按照绝缘物体的能带理论，电离辐射和非金属绝缘体的相互作用将导致一定的电荷分布状态（包括电子-空穴对），热激活作用导致绝缘体内的电子-空穴对复合发光，即热释光，其原理如图1所示，多年来热释光方法应用于考古和地质测年的实际中。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能以非现场方式测量样品受热历史和温度变化历史情况的基于测量非金属晶体矿物电荷分布的环境温度变化测定装置和测定方法。

本发明的基于测量非金属晶体矿物电荷分布的环境温度变化测定装置，其特征在于，包括样品腔、热激活单元、光电转换探测单元和分析单元；

所述的样品腔用于装载样品；所述的热激活单元用于通过加热热激活样品腔中的样品使其释放热释光；所述的光电转换探测单元用于将样品释放的热释光光信号转换成电信号；所述的分析单元用于读取光电转换探测单元的电信号，分析样品的热释光发光特征，再与经X射线、紫外光或者同位素放射源辐照的、已知受热历史的同种样品的热释光发光特征进行对比，从而估计样品的受热温度变化历史。

优选，所述的基于测量非金属晶体矿物电荷分布的环境温度变化测定装置，包括样品腔，在样品腔中设有样品托架，在样品托架上设有样品槽，样品槽的上方的样品腔上壁上设有镀铑椭球反射面，在镀铑椭球反射面里面设有聚光透镜，聚光透镜的上方设有照明单元，在其上设有光纤，光纤的另外一端连有光电转换探测单元，在样品槽的周侧设有加热单元，用以加热样品槽中的样品，光电转换探测单元再与计算机控制分析处理单元相连，计算机控制分析处理单元还与加热单元相连，计算机控制分析处理单元包括控制单元和分析单元，控制单元用以控制加热单元，例如加热的快慢和最终的温度等。

所述的加热单元是通过传导加热装置或者激光辐射加热装置实现对样品的加热热激活，通过热激活导致非金属晶体矿物内的电子-空穴对复合发光，即热释光。所述的加热单元优选为传导加热单元，设于样品槽的下方，以便在样品腔中装有样品时，加热样品，使其释放热释光。

进一步优选，在所述的样品托架上还设有辐照槽，辐照槽上方的样品腔上壁上设有辐照单元，所述的计算机控制分析处理单元还与辐照单元相连，以控制辐照单元。

所述的光电转化探测单元优选为光电倍增管、电荷耦合装置（CCD）或增强型电荷耦合装置（ICCD）。

所述的分析单元主要是读取光电转化探测单元的电信号，分析样品的热释光发光特征，包括但不限于发光峰值、发光光谱、剂量响应灵敏度、激发光响应、热淬灭等等的数量特征，再与经X射线、紫外光或者同位素放射源辐照的、已知受热历史的同种样品的热释光发光特征进行对比，从而估计样品的受热历史、温度变化历史和经历的最高温度等参数。

本发明的基于测量非金属晶体矿物电荷分布的环境温度变化测定方法，其特征在于，包括以下步骤：