天然矿物的脉冲光激发和时间分辨光致发光研究——综述

《Radiation Measurements》：Pulsed and time-resolved optically stimulated luminescence of natural minerals – A review

时间分辨发光技术通过脉冲刺激分离矿物发光信号，揭示石英和长石不同发光机制与动力学特征，为年代测定提供新方法。

　　
该综述系统梳理了时间分辨发光测量技术在石英和长石矿物研究中的应用进展。文章首先阐述了时间分辨发光测量的核心原理：通过脉冲式光刺激实现激发态载体的精准分离与观测，进而解析矿物中不同发光中心的动态过程。这种技术突破传统连续波刺激的局限，能够有效区分多阶段发光过程，其检测灵敏度可达10?12 J/cm2·s，显著提升复杂地质样本的定年精度。

在仪器配置方面，研究对比了多通道扫描仪（MCS）和时间相关单光子计数（TCSPC）两种主流技术体系。前者通过高速光电倍增管阵列实现多通道同步采集，后者采用单光子探测器配合时间甄别系统。实验参数设置需根据矿物特性进行优化：石英样品推荐采用脉宽50-200μs的脉冲序列，而长石矿物则需调整至100-500μs范围以获得最佳信噪比。

针对石英矿物的核心发现包括：其发光体系主要由SiO?晶体中的电子-空穴复合过程主导，通过时间分辨观测可清晰分离出三个关键发光阶段：快速热释光（0.1-1μs）、中速磷光（1-10μs）和慢速长余辉（>10μs）。特别是发现部分长石矿物中存在0.5-2ms的中间态发光过程，这颠覆了传统认为石英发光仅由单阶段电子跃迁解释的认知。

在长石矿物研究方面，作者揭示了其复杂的发光动力学特征。实验表明钠长石和钾长石存在显著不同的陷阱能级分布，钠长石（NaAlSi?O?）的发光中心主要位于E'和F'晶格缺陷，而钾长石（KAlSi?O?）则存在额外的F''缺陷态。时间分辨测量发现长石矿物存在多阶段复合过程，其发光衰减曲线呈现非指数特征，需引入两态或三态动力学模型进行解析。

技术优势方面，脉冲激励系统通过精确控制刺激脉冲的"on-off"时序，成功解决了传统连续波刺激中存在的背景干扰问题。实验数据表明，在含5%长石杂质的石英样本中，采用脉冲激励技术可将定年误差从传统方法的12%降低至3.8%。同时，动态范围可达10?量级，满足从亚微米级矿物到宏观地质体的测量需求。

应用场景拓展部分，重点论述了该技术在新旧石器时代陶器定年中的突破性应用。通过建立矿物发光衰减与温度退火曲线的数学模型，研究团队成功将陶器烧制年代测定精度提升至±5年。在古土壤研究方面，时间分辨技术有效识别出与地质事件相关的特征发光峰，例如发现全新世气候波动导致的赤铁矿含量周期性变化（周期2.5万年）。

未来发展方向部分提出三项关键技术突破：开发便携式时间分辨激发源（目标体积<1dm3，功率<5W）；研制多通道同步采集系统（通道数>256，分辨率<1ns）；建立矿物发光数据库（涵盖100+矿物类型，2000+实验参数）。这些进展将推动该技术从实验室走向野外常规检测，预计测量成本可降低80%。

实验误差控制方面，研究团队通过引入温度补偿模块（±0.1℃精度）和背景光实时监测系统，将实验重复性误差控制在2%以内。特别针对大气干扰问题，开发了基于气溶胶光学直径谱的校正算法，在户外采样中仍能保持98%的定年精度。

该综述首次系统整合了石英和长石的时间分辨发光特征数据库，包含超过500组实验参数对比分析。通过建立矿物发光动力学与晶体结构的关联模型，为不同地质环境下的定年选择提供了理论依据。研究证实，当矿物中石英含量>90%时，传统定年方法误差率较高，建议采用脉冲时间分辨技术进行交叉验证。

在仪器发展趋势方面，光子计数型探测器正逐步取代传统光电倍增管，其量子效率可达25%-30%，暗计数率降至1×10?? photons/cm2·s。数据处理算法方面，深度学习模型（如卷积神经网络）在发光信号解析中的应用使特征识别准确率提升至92%。这些技术进步共同推动了时间分辨发光测量从科研实验室向工业检测平台的转化进程。