JP5930460B2 - K-Ar dating apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は、岩石中に存在するK及びArを検出することにより、岩石が固化したときの年代を測定するK-Ar年代測定装置及び方法に関し、より詳しくは、主に固体地球科学分野の研究(例えば火山噴火年代の特定など)のみならず、宇宙惑星科学分野において月や惑星の形成史の解明に有用となるように可搬型装置の提供を可能とした、K−Ar年代測定装置及び方法に関する。   The present invention relates to a K-Ar dating apparatus and method for measuring the age when rocks are solidified by detecting K and Ar present in rocks, and more particularly, mainly in the field of solid earth science. K-Ar dating device and method capable of providing a portable device so as to be useful for elucidating the formation history of the moon and planets in the field of space and planetary science as well as (e.g. identifying the volcanic eruption age) About.

従来、岩石中に含まれる放射性元素の壊変を利用して岩石の固化年代を計測するための年代測定法が知られており、当該測定法は、主に固体地球科学分野の研究(例えば火山噴火年代の特定など)に用いられていた。   Conventionally, there is known a dating method for measuring the solidification age of rocks using the decay of radioactive elements contained in rocks, and this measurement method is mainly used for research in the field of solid earth science (for example, volcanic eruptions). Used to identify the age).

近年では、宇宙惑星科学分野において月や惑星の形成史の解明を目標として、年代測定法を実施する装置の更なる小型化が希求されるように至った。例えば、月面の形成年代はアポロ計画で持ち帰られた岩石試料の年代測定結果を基に推定されているが、近年になって月面の非一様性が明らかになってきており、アポロ計画によって岩石試料が採取された非常に限られた地域だけでなく、より多くの地点で年代測定を実施することの重要性が高まってきている。また、他の惑星では岩石試料の採取は行なわれておらず、年代に関する情報はほとんど得られていない。一方で、月や惑星から岩石試料を持ち帰る事はアポロ計画から40年が経過した現在でも技術的に非常に困難であるだけでなく、大型の年代測定装置を現地に送り込む事も難しいため、小型で軽量な年代測定装置が必要である。   In recent years, with the goal of elucidating the formation history of the moon and planets in the space and planetary science field, further miniaturization of devices for carrying out dating methods has been demanded. For example, the formation date of the lunar surface has been estimated based on the dating results of rock samples brought back by the Apollo project, but in recent years, the non-uniformity of the lunar surface has become clear. The importance of performing dating not only in very limited areas where rock samples were collected but also at more points has increased. Other planets do not collect rock samples, and little information about the age is available. On the other hand, bringing back rock samples from the moon and planets is not only very technically difficult even now, 40 years after the Apollo project, but it is also difficult to send a large dating device to the field. And a lightweight dating device is needed.

岩石の年代測定法の一つに、K-Ar年代測定法がある。K-Ar年代測定法は、岩石中に含まれる40Kが電子捕獲により40Arへと壊変することを利用している。岩石が固化する前であれば40Arは脱ガスし内部には残らないが、固化後であれば内部に蓄積される。この壊変の半減期は12.5億年ということが分かっているので、岩石中に存在する40Kと40Arの比が分かれば、岩石の固化年代を特定する事ができる。 One of the rock dating methods is the K-Ar dating method. The K-Ar dating method makes use of the fact that 40 K contained in rocks decays to 40 Ar by electron capture. Before the rock solidifies, 40 Ar is degassed and does not remain inside, but after solidification, it accumulates inside. Since the half-life of this decay is known to be 1.25 billion years, if the ratio of 40 K and 40 Ar present in the rock is known, the solidification age of the rock can be specified.

従来のK-Ar年代測定法においては、湿式分析によってKを定量し、脱ガスの質量分析によってArを定量している。また、Kをレーザ誘起絶縁破壊分光法(Laser Induced BreaKdown Spectroscopy, 以降「LIBS法」という)で計測し、Arを脱ガス分析により計測する手法も考案されている。   In the conventional K-Ar dating method, K is quantified by wet analysis, and Ar is quantified by degassing mass spectrometry. Further, a method has been devised in which K is measured by laser induced breakdown spectroscopy (Laser Induced Brea Kdown Spectroscopy, hereinafter referred to as “LIBS method”) and Ar is measured by degassing analysis.

しかし、上記いずれの方法も、KとArとを異なる方法で測定しているため、それぞれの測定用ごとに試料を用意する必要があり、試料中のK及びArの量の不均一性が測定誤差の要因となっていた。また、Ar脱ガス分析のための超高真空の測定装置及びKの湿式分析装置が必要となり、装置全体が大型化する、という問題を有している。この装置全体の大型化は、K-Ar年代測定方法を上記のような宇宙惑星科学分野に応用することを、きわめて困難なものとしている。   However, in any of the above methods, since K and Ar are measured by different methods, it is necessary to prepare a sample for each measurement, and the nonuniformity of the amount of K and Ar in the sample is measured. It was a source of error. Further, an ultra-high vacuum measuring device for Ar degassing analysis and a K wet analyzing device are required, and there is a problem that the entire device becomes large. This increase in the size of the entire apparatus makes it very difficult to apply the K-Ar dating method to the space and planetary science fields as described above.

一方、LIBS法を用いて対象物質に含まれる複数の成分(元素)の各々の含有量を測定する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。しかし、このような周知の技術文献には、KとArとをどのように同時に測定するかに関して、開示も示唆もされておらず、宇宙惑星科学分野への応用を容易にするため可搬型の年代測定装置を如何に実現するかについて全く考察がなされていない。   On the other hand, a technique for measuring the content of each of a plurality of components (elements) contained in a target substance using the LIBS method is known (for example, see Patent Document 1). However, such well-known technical literature does not disclose or suggest how to measure K and Ar at the same time, and is portable so as to facilitate application to the space planetary science field. No consideration has been given to how to implement a dating device.

特開2007−3510JP2007-3510

本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、LIBS法を用いて同一岩石試料に含まれるKとArとを測定可能にするによって、試料が異なることに起因する測定誤差を減少させると共に、様々な岩石採取地点において岩石の年代測定を可能にする可搬型の年代測定装置を提供することをその目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned facts, and by making it possible to measure K and Ar contained in the same rock sample using the LIBS method, the measurement error due to the difference in the samples is reduced, and various It is an object of the present invention to provide a portable dating device that enables the dating of rocks at various rock collecting points.

上記課題を解決するため、本発明は、岩石試料に含まれるK及びArを検出することにより該岩石試料が固化したときの年代を測定するためのK−Ar年代測定装置において、前記岩石試料の表面にパルスレーザ光を集光させるパルスレーザ装置と、前記パルスレーザ光により前記岩石試料から蒸発し励起した物質から発光された光を分光するように配置されたトロイダル型凹面回折格子と、前記トロイダル型凹面回折格子の1次光に含まれるAr輝線を検出するように配置されたAr検出器と、前記トロイダル型凹面回折格子の0次光に含まれるK輝線を検出するため配置されたK検出器と、を備えて構成したものである。
好ましくは、前記Ar検出器は、波長107nmのAr輝線を真空紫外領域で検出する。このAr輝線を検出するため、例えば、空間分解可能なマイクロチャンネルプレート(MCP)とマルチアノードとを備えているのが好ましい。これによって、岩石中の存在度が高い元素の輝線のうち最も近い波長104nmのO輝線からAr輝線を明瞭に分離して、検出効率を大幅に向上させることができる。また好ましくは、前記K検出器は、波長767nmのK輝線を検出するためのバンドパスフィルタとフォトダイオードとを備えているのがよい。また好ましくは、前記トロイダル型凹面回折格子の溝本数を少なくとも1200gr/mmとするのがよい。K−Ar年代測定装置をより小型化するためにはトロイダル型凹面回折格子の溝本数を更に多くするのがよく、現時点で作成可能な最多の溝本数である4800gr/mmとするのがより好ましい。勿論、本発明は、溝本数の上限をこの値に限定するものではない。
In order to solve the above problems, the present invention provides a K-Ar dating apparatus for measuring the age when a rock sample is solidified by detecting K and Ar contained in the rock sample. A pulse laser device for condensing a pulse laser beam on a surface; a toroidal concave diffraction grating arranged to disperse light emitted from a substance evaporated and excited from the rock sample by the pulse laser beam; and the toroidal Ar detector arranged to detect the Ar emission line contained in the first order light of the concave concave diffraction grating, and K detection arranged to detect the K emission line contained in the 0th order light of the toroidal concave diffraction grating And a container.
Preferably, the Ar detector detects an Ar emission line having a wavelength of 107 nm in a vacuum ultraviolet region. In order to detect this Ar emission line, for example, it is preferable to include a microchannel plate (MCP) capable of spatial decomposition and a multi-anode. As a result, the Ar emission line can be clearly separated from the O emission line having the wavelength of 104 nm, which is the closest to the emission line of the element having a high abundance in the rock, and the detection efficiency can be greatly improved. Preferably, the K detector includes a band pass filter and a photodiode for detecting a K emission line having a wavelength of 767 nm. Preferably, the number of grooves of the toroidal concave diffraction grating is at least 1200 gr / mm. In order to further reduce the size of the K-Ar dating device, it is preferable to increase the number of grooves of the toroidal concave diffraction grating, more preferably 4800 gr / mm, which is the maximum number of grooves that can be created at the present time. . Of course, the present invention does not limit the upper limit of the number of grooves to this value.

本発明の別の態様は、岩石試料に含まれるK及びArを検出することにより、該岩石試料が固化したときの年代を測定するための方法であって、パルスレーザ光を岩石試料の表面に集光させることによって該岩石試料の表面物質を蒸発・励起させ、前記表面物質の発光をトロイダル型凹面回折格子で分光し、前記トロイダル型凹面回折格子の回折光の1次光に含まれるAr輝線を検出し、前記トロイダル型凹面回折格子の回折光の0次光に含まれるK輝線を検出し、検出されたK輝線及びAr輝線の光量に基づいて前記岩石試料に含まれるKとArの量を同定する、各工程を備えて構成したものである。   Another aspect of the present invention is a method for measuring the age when a rock sample is solidified by detecting K and Ar contained in the rock sample, wherein a pulse laser beam is applied to the surface of the rock sample. By condensing, the surface material of the rock sample is evaporated and excited, and the emission of the surface material is dispersed with a toroidal concave diffraction grating, and the Ar emission line included in the primary light of the diffracted light of the toroidal concave diffraction grating And detecting the K emission line included in the 0th order light of the diffracted light of the toroidal concave diffraction grating, and the amounts of K and Ar contained in the rock sample based on the detected K emission line and the light quantity of the Ar emission line Is configured to include each process.

好ましくは、前記Ar輝線の検出工程では、マイクロチャンネルプレート(MCP)とマルチアノードとを用いて、波長107nmのAr輝線を真空紫外領域で検出するのがよい。また好ましくは、前記K輝線の検出工程では、バンドパスフィルタとフォトダイオードとを用いて、波長767nmのK輝線を検出するのがよい。   Preferably, in the Ar emission line detection step, an Ar emission line having a wavelength of 107 nm is detected in a vacuum ultraviolet region using a microchannel plate (MCP) and a multi-anode. Preferably, in the K emission line detecting step, a K emission line having a wavelength of 767 nm is detected using a bandpass filter and a photodiode.

岩石の年代を測定するため、Kの総量に対する40Kの初期存在量の比率と、同定された前記岩石試料に含まれるKの量とから、前記岩石試料に含まれる40Kの量を推定する工程を更に備えていてもよい。また、同定された前記岩石試料に含まれるArの量を前記岩石試料に含まれる40Arの量と推定する工程を更に備えていてもよい。40Arの量を推定する工程では、岩石中の40Kの壊変起源の40Ar量を同定するため、同一試料内では大気から混入したAr量が同程度であると仮定し、K存在量が異なる試料中の複数点において計測を行ないアイソクロン(等時線)を引く事で大気から混入した40Ar量を計測値から除去するための補正が可能である。 To measure the age of rocks, and the ratio of the 40 K initial abundance of the total amount of K, from the amount of K contained in the rock samples identified, to estimate the amount of 40 K contained in the rock sample You may further provide the process. Moreover, you may further provide the process of estimating the quantity of Ar contained in the identified rock sample as the quantity of 40 Ar contained in the rock sample. In the process of estimating the amount of 40 Ar, in order to identify the amount of 40 Ar in the rock that originates from the decay of 40 K, it is assumed that the amount of Ar mixed in from the atmosphere is the same in the same sample, and the amount of K present is Correction is made to remove the 40 Ar amount mixed from the atmosphere from the measured value by measuring at a plurality of points in different samples and drawing an isochron (isochron).

本発明のK−Ar年代測定装置及び方法によれば、試料の同一箇所に含まれるKの量とArの量とをLIBS法で同時に測定可能にするため、トロイダル型凹面回折格子を用いて、その回折光のうち1次光からAr輝線を検出し、0次光からK輝線を検出するようにしたので、測定精度を大幅に向上させることができると共に装置を大幅に小型化して可搬型の装置を実現することができる。   According to the K-Ar dating apparatus and method of the present invention, in order to enable simultaneous measurement of the amount of K and the amount of Ar contained in the same part of the sample by the LIBS method, a toroidal concave diffraction grating is used. Of the diffracted light, the Ar emission line is detected from the primary light and the K emission line is detected from the 0th order light, so that the measurement accuracy can be greatly improved and the apparatus can be greatly reduced in size to be portable. An apparatus can be realized.

即ち、従来のK-Ar年代測定では、湿式分析でK量を測定し、脱ガス分析によりAr量を測定するために、試料を分ける必要があり、試料内の不均一性が大きな誤差要因となっていた。本発明の年代測定装置及び方法では同一の試料中のK量とAr量を測定するため、この誤差要因を取り除く事ができ、測定精度が飛躍的に向上する。   That is, in the conventional K-Ar dating, in order to measure the amount of K by wet analysis and to measure the amount of Ar by degassing analysis, it is necessary to divide the sample. It was. Since the dating apparatus and method of the present invention measure the amount of K and the amount of Ar in the same sample, this error factor can be removed, and the measurement accuracy is greatly improved.

また、Ar−Ar年代測定法や、KをLIBS法で計測し、Arを脱ガス分析により計測する手法においても、脱ガス分析のために真空度の高い大型の測定器が必要となる。従来のK-Ar年代測定には大型の装置が必要であり、岩石試料を採取した地点付近で測定を行なう事は困難であった。本発明では、脱ガス分析を用いず、K及びArを共にLIBS法を用いて検出するようにしたため、真空度への要求は高くなく、装置の大幅な小型化が実現できる。更に、分光にトロイダル型凹面回折格子を用いることで部品点数を減らすことができ、この点からも装置の小型化を達成することができる。   In addition, the Ar-Ar dating method and the method of measuring K by the LIBS method and measuring Ar by degassing analysis also require a large measuring device with a high degree of vacuum for degassing analysis. Conventional K-Ar dating requires a large device, and it has been difficult to measure near the point where a rock sample is collected. In the present invention, since degassing analysis is not used and both K and Ar are detected using the LIBS method, the demand for the degree of vacuum is not high, and the apparatus can be significantly downsized. Furthermore, by using a toroidal concave diffraction grating for spectroscopy, the number of parts can be reduced, and also from this point, the size of the apparatus can be reduced.

かくして、本発明により、年代測定装置を乗用車や月惑星着陸機(及びそれに搭載される月惑星探査車)で運搬することが可能となった。これによって、試料採取から測定までの時間が短縮されるだけでなく、実験室に持ち帰り精密測定を行なうべき試料を選択する事が可能となる。また、月表面においてはアポロ計画で持ち帰られた試料で年代測定が行なわれているが、その後に月面の非一様性が明らかになってきており、さらに多くの地点での年代計測が要求されている。しかし、アポロ計画後は月面から試料を持ち帰る計画がなく、現状ではさらなる試料の持ち帰りは非常に困難である。また、惑星表面からは一度も試料が持ち帰られた事がないという状況である。本発明の装置は、宇宙で使用された実績のある部品で構成され、小型軽量であるため、惑星着陸機に搭載できる可能性があり、試料を持ち帰ることなく現場で年代測定を行なうことが可能となるため、月惑星科学に対する大きな貢献が期待される。   Thus, according to the present invention, the dating device can be transported by a passenger car or a lunar planetary lander (and a lunar planetary exploration vehicle mounted thereon). This not only shortens the time from sample collection to measurement, but also makes it possible to select a sample to be taken back to the laboratory for precise measurement. On the lunar surface, dating is performed on samples brought back by the Apollo project, but the non-uniformity of the lunar surface has been revealed since then, and dating at more points is required. Has been. However, after the Apollo project, there is no plan to take samples from the moon surface, and it is very difficult to take further samples at present. In addition, the sample has never been brought back from the planet surface. The device of the present invention is composed of parts that have been used in space and is small and lightweight, so it can be mounted on a planetary lander, and it is possible to perform dating on-site without taking back the sample. Therefore, a great contribution to lunar and planetary science is expected.

図1は、本発明の一実施形態に係るK−Ar年代測定装置の構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a K-Ar dating apparatus according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明のK−Ar年代測定装置に備えられるトロイダル回折格子によるAr輝線及びO輝線の検出面での集光分布を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a light collection distribution on the detection surface of Ar emission lines and O emission lines by a toroidal diffraction grating provided in the K-Ar dating apparatus of the present invention. 図3は、本発明の一実施例に係るK−Ar年代測定装置の寸法を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing dimensions of a K-Ar dating apparatus according to an embodiment of the present invention.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
図1には、本発明の一実施形態に係るK−Ar年代測定装置1が示されている。K−Ar年代測定装置1は、岩石中に存在するKとArとをLIBS法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)を用いて検出し、これら元素の比を測定することにより、岩石が固化したときの年代を測定するものである。なお、LIBS法とは、パルスレーザの照射により測定試料の一部が蒸発しイオン化することで発生した高エネルギーの電子が、制動放射及び陽イオンとの再結合を経て励起状態へとエネルギーが落ち、当該励起状態の原子が、脱励起する際に放射する原子固有のスペクトル光の強度及び波長を測定することにより測定試料に含まれる元素の種類及び量を分析する元素分析法である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a K-Ar dating apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The K-Ar dating device 1 detects the K and Ar present in the rock using the LIBS method (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) and measures the ratio of these elements to determine the age when the rock solidifies. Is to measure. The LIBS method is a method in which high energy electrons generated by evaporation and ionization of a part of a measurement sample by pulse laser irradiation drop into an excited state through recombination with bremsstrahlung and cations. This is an elemental analysis method for analyzing the type and amount of elements contained in a measurement sample by measuring the intensity and wavelength of the spectral light unique to the atoms emitted when the excited atoms are deexcited.

図1に示すように、K−Ar年代測定装置1は、測定試料(岩石試料)2の表面にパルスレーザ光を集光させるパルスレーザ装置3と、試料2の表面から蒸発し励起した物質から発光された光4を分光するように配置されたトロイダル型凹面回折格子5と、トロイダル型凹面回折格子5の1次光6に含まれる波長107nmのAr輝線を真空紫外領域で検出するように配置された検出器8(マイクロチャンネルプレート(MCP)及びマルチアノードの組み合わせ)と、トロイダル型凹面回折格子5の0次光7に含まれる波長767nmのK輝線を検出するため配置されたバンドパスフィルタ9及びフォトダイオード10と、を備えている。パルスレーザ装置3は、図示しない集光光学系を備えている。また、少なくともトロイダル型凹面回折格子5、検出器8、バンドパスフィルタ9及びフォトダイオード10は分光部11を構成する。分光部11及び岩石試料2の設置場所は、図示しない真空槽内に配置されている。パルスレーザ装置3は、大気中での使用が可能なため真空槽内に配置されていなくともよい。   As shown in FIG. 1, the K-Ar dating device 1 includes a pulse laser device 3 that focuses pulse laser light on the surface of a measurement sample (rock sample) 2, and a substance that is evaporated and excited from the surface of the sample 2. The toroidal concave diffraction grating 5 arranged to split the emitted light 4 and the Ar emission line having a wavelength of 107 nm contained in the primary light 6 of the toroidal concave diffraction grating 5 are arranged to be detected in the vacuum ultraviolet region. Detector 8 (a combination of a microchannel plate (MCP) and a multi-anode) and a bandpass filter 9 arranged to detect a K emission line having a wavelength of 767 nm contained in the 0th-order light 7 of the toroidal concave diffraction grating 5 And a photodiode 10. The pulse laser device 3 includes a condensing optical system (not shown). At least the toroidal concave diffraction grating 5, the detector 8, the bandpass filter 9 and the photodiode 10 constitute a spectroscopic unit 11. The installation location of the spectroscopic unit 11 and the rock sample 2 is arranged in a vacuum chamber (not shown). Since the pulse laser device 3 can be used in the atmosphere, the pulse laser device 3 may not be disposed in the vacuum chamber.

以下にK−Ar年代測定装置1による測定方法を説明する
(1)パルスレーザ光を岩石試料2の表面に集光させ、表面物質を蒸発・励起させる。
(2)表面物質の発光4をトロイダル型凹面回折格子5で分光し、回折光の1次光6を空間分解可能なマイクロチャンネルプレート(MCP)とマルチアノードとを組み合わせた検出器8により検出する。ここで、回折格子5の溝本数を4800gr/mmとし、Ar光とその他の元素輝線(酸素など)を分離する。図2には、検出器8の検出面における各輝線の集光分布が示されている(図中、右下のスケール棒の長さが0.340mmに相当)。図2に示されるように、真空紫外領域のAr輝線は、波長107nmの輝線と波長105nmの輝線とを有し、波長104nmのO輝線が波長105nmのAr輝線に隣接して存在している。図2から明らかに、2つのAr輝線のうち波長107nmの輝線は波長104nmのO輝線から十分に分離しているので、Arの量を同定するため波長107nmのAr輝線のみを分離して検出することが可能となる。
(3)トロイダル型凹面回折格子5の回折光のうち0次光7に含まれるK輝線(767nm)をバンドパスフィルタ9で透過させ検出器(フォトダイオード)10に導く。K輝線波長付近には他の主要元素の輝線の強度が非常に弱いため、回折格子の0次光を767nm付近のみを透過するバンドパスフィルタ9とフォトダイオード10の組み合わせで検出する事ができる。
(4)K輝線とAr輝線の光量からKとArの量を同定する。
The measurement method using the K-Ar dating device 1 will be described below.
(1) The pulsed laser beam is focused on the surface of the rock sample 2 to evaporate and excite the surface material.
(2) The luminescence 4 of the surface material is dispersed by the toroidal concave diffraction grating 5 and the primary light 6 of the diffracted light is detected by a detector 8 that combines a spatially resolvable microchannel plate (MCP) and a multi-anode. . Here, the number of grooves of the diffraction grating 5 is set to 4800 gr / mm, and Ar light and other element emission lines (oxygen or the like) are separated. FIG. 2 shows a light collection distribution of each bright line on the detection surface of the detector 8 (the length of the scale bar on the lower right corresponds to 0.340 mm in the figure). As shown in FIG. 2, the Ar emission line in the vacuum ultraviolet region has an emission line with a wavelength of 107 nm and an emission line with a wavelength of 105 nm, and an O emission line with a wavelength of 104 nm exists adjacent to the Ar emission line with a wavelength of 105 nm. As apparent from FIG. 2, since the bright line having the wavelength of 107 nm is sufficiently separated from the O bright line having the wavelength of 104 nm, the Ar bright line having the wavelength of 107 nm is separated and detected in order to identify the amount of Ar. It becomes possible.
(3) The K emission line (767 nm) included in the 0th order light 7 out of the diffracted light of the toroidal concave diffraction grating 5 is transmitted through the band pass filter 9 and guided to the detector (photodiode) 10. Since the intensity of the emission lines of other main elements is very weak near the K emission line wavelength, the zero-order light of the diffraction grating can be detected by a combination of the bandpass filter 9 and the photodiode 10 that transmits only the vicinity of 767 nm.
(4) The amount of K and Ar is identified from the light quantity of the K emission line and the Ar emission line.

上記のように本発明では近赤外領域のK輝線と真空紫外領域のAr輝線を試料の同一の箇所から同時に計測し、試料中に含まれるKの量とArの量を定量することができる。
(5)同定されたKの量とArの量とから、岩石に含まれる40Kの量及び40Arの量を推定し、40Kの量/40Arの比率から岩石が固化した年代を測定する。
As described above, in the present invention, the K emission line in the near infrared region and the Ar emission line in the vacuum ultraviolet region can be simultaneously measured from the same location of the sample, and the amount of K and the amount of Ar contained in the sample can be quantified. .
(5) Estimate the amount of 40 K and 40 Ar contained in the rock from the amount of K and the amount of Ar identified, and measure the age at which the rock solidified from the ratio of 40 K / 40 Ar To do.

40Kの初期存在量はKの総量の0.0117%であることから、上記ステップ(4)で同定されたKの量に0.0117%を乗じることによって岩石試料中に含まれる40Kの量を推定することができる。また、検出されたArは地球上の試料であればほとんどが40Arであると推定される。このようにKとArの量を計測する事で40Kと40Arを見積もる事が可能である。一方、大気に曝された状態で岩石が固化した際には大気中に含まれる40Arが岩石中に混入するため、岩石中の40Kの壊変起源の40Ar量を同定するには、大気から混入した40Ar量を見積もる必要がある。同一試料内では大気から混入したAr量が同程度であると考えられるため、K−Ar年代測定装置1を用い、K存在量が異なる複数点において計測を行なうことにより大気から混入した40Ar量を計測値から除去するための補正が可能となる。すなわち、形成年代が同じであるがKの量が各計測点で異なる試料では、40Kの量に対する40Arの量を計測点ごとにプロットすると直線上に並び(この直線をアイソクロン(等時線)という)、この等時線の傾きが岩石の形成年代を反映している。大気から40Arの混入が無ければ、40Kの量に対する40Arの量は、切片0の比例関係となるため、最低1点計測すれば、等時線の傾きを求めることができ、この傾きに基づいて岩石の形成年代を求めることができる。しかし、大気からの40Arの混入量が無視できない場合、40Kの量に対する40Arの量は、直線上に並ぶものの、このときの等時線は、大気からの40Arの混入量に依存するオフセット切片を有することになる。従って、この場合には、複数の計測点から等時線の傾きを求めることによって、大気から混入した40Ar量を除去した40K壊変起源の真の40Ar量に基づく正確な年代測定が可能となる。 Since the initial abundance of 40 K is 0.0117% of the total amount of K, the amount of 40 K contained in the rock sample is estimated by multiplying the amount of K identified in step (4) above by 0.0117%. be able to. In addition, the detected Ar is estimated to be 40 Ar for most samples on the earth. Thus, 40 K and 40 Ar can be estimated by measuring the amounts of K and Ar. On the other hand, when the rock solidifies when exposed to the atmosphere, 40 Ar contained in the atmosphere is mixed in the rock. Therefore, to identify the amount of 40 Ar from the 40 K decay in the rock, It is necessary to estimate the amount of 40 Ar mixed in. Since it is considered that the amount of Ar mixed from the atmosphere is the same in the same sample, the amount of 40 Ar mixed from the air is measured by using the K-Ar dating device 1 and measuring at a plurality of points having different K abundances. Can be corrected to remove from the measured value. That is, in the different samples but formation age is the same amount each measurement point K, 40 when the amount of 40 Ar relative to the amount of K is plotted for each measurement point arranged in a straight line (the straight line isochron (isochrones )), The slope of this isochron reflects the age of rock formation. If there is no contamination of 40 Ar from the atmosphere, the amount of 40 Ar relative to the amount of 40 K is proportional to the intercept 0. Therefore, if at least one point is measured, the slope of the isochron can be obtained. The rock formation age can be determined based on the above. However, if the amount of 40 Ar from the atmosphere cannot be ignored, the amount of 40 Ar relative to the amount of 40 K is aligned on a straight line, but the isochron at this time depends on the amount of 40 Ar from the atmosphere. Will have an offset intercept. Therefore, in this case, accurate dating based on the true 40 Ar amount originating from 40 K decay is possible by removing the 40 Ar amount mixed from the atmosphere by calculating the slope of the isochron from multiple measurement points. It becomes.

Kを湿式分析、Arを脱ガス分析で行なう従来の方法では、試料をそれぞれの測定用に用意する必要があり、試料中のK量、Ar量の不均一性が誤差要因となっていた。また、Ar脱ガス測定を行なうためには超高真空の測定装置が必要であり、Kの湿式分析装置も必要であるため、装置が大型で高額になっていた。本発明では、試料の同一部分のKとArの量を測定する事ができるため、試料内の不均一性による誤差は生じない上、K/Ar比を求める事が目的であるため絶対量を求める必要がなく、検出精度が大幅に向上する。Ar輝線(107nm)は空気の透過率が非常に低いために真空装置が必要ではあるが、真空度に対する要求が脱ガス分析で使用される真空装置と比べて低いため、装置のコスト及びサイズは比較的小さく抑えられる。また近年になって比較的安価で小型なパルスレーザが市販されており、装置の小型化も見込まれる。   In the conventional method in which K is performed by wet analysis and Ar is degassed, it is necessary to prepare a sample for each measurement, and the nonuniformity of the K amount and Ar amount in the sample is an error factor. Further, in order to perform Ar degassing measurement, an ultra-high vacuum measuring device is required, and a K wet analysis device is also required, so the device is large and expensive. In the present invention, since the amount of K and Ar in the same part of the sample can be measured, an error due to non-uniformity in the sample does not occur and the purpose is to obtain the K / Ar ratio. There is no need to obtain it, and the detection accuracy is greatly improved. The Ar emission line (107 nm) requires a vacuum device because the air permeability is very low, but the cost and size of the device are low because the demand for vacuum is lower than the vacuum device used in degassing analysis. Relatively small. In recent years, relatively inexpensive and small pulse lasers are commercially available, and the size of the apparatus is also expected to be reduced.

既に、試料中のK-Ar量の不均一性による誤差を避けるため、Ar-Ar年代測定法が考案されているが、これには原子炉を用いた試料への中性子放射が必要であり、装置にかかるコストは非常に高い。また、LIBS法でKを定量し、Arをガス質量分析で定量するという手法も考案されているが、ガス質量分析のために装置が大型になってしまう。これらの手法に比べ本発明の年代測定装置は小型で安価であるという点で優位である。   Al-Ar dating methods have already been devised to avoid errors due to non-uniformity in the amount of K-Ar in the sample, but this requires neutron emission to the sample using a nuclear reactor, The cost of the device is very high. Moreover, although the method of quantifying K by the LIBS method and quantifying Ar by gas mass spectrometry has been devised, the apparatus becomes large for gas mass spectrometry. Compared to these methods, the dating device of the present invention is advantageous in that it is small and inexpensive.

以上が、本発明の実施形態であるが、本発明は上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内において任意好適に変更可能である。例えば上記例では、Arを空間分解可能なマイクロチャンネルプレート(MCP)とマルチアノードとを組み合わせた検出器8で検出したが、Ar輝線を他の輝線から分離して検出可能であれば、他の検出手段を用いることもできる。また、Kをバンドパスフィルタ9とフォトダイオード10との組み合わせで検出したが、これもK輝線を他の輝線から分離して検出可能であれば、この例に限定されるものではない。   The above is the embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described example, and can be arbitrarily modified within the scope of the present invention. For example, in the above example, Ar is detected by a detector 8 that combines a spatially resolvable microchannel plate (MCP) and a multi-anode. However, if Ar emission lines can be detected separately from other emission lines, other elements can be detected. Detection means can also be used. Further, K is detected by a combination of the bandpass filter 9 and the photodiode 10, but this is not limited to this example as long as the K bright line can be detected separately from other bright lines.

本発明によるK−Ar年代測定装置の小型化によって、K−Ar年代測定装置1を乗用車(普通車)、月惑星着陸機、及び、月惑星の表面を走行可能な月惑星探査車で運搬することが可能となる。図3に参照されるように、分光器部11は25mm x 25 mm x 65 mmの大きさに収まり、岩石試料の設置場所も含めて内径150mm程度の真空槽があればよい。レーザと集光光学系は大気中で使用可能であり、50mm x 50 mm x 150 mmの大きさに収まる程度である。この装置により、岩石試料の採取とほぼ同時に年代測定を行なう事ができる。一般的には測定装置が設置される実験室と岩石の採取場所との距離が遠いため、時間短縮による測定効率の向上が図れる。また、本発明による装置により岩石採取地点で簡易的な測定を行なうことで試料を厳選し、重要な試料を遠方の実験室に持ち帰って精密な測定を行なえば測定効率の向上が見込まれる。   Due to the miniaturization of the K-Ar dating device according to the present invention, the K-Ar dating device 1 is carried by a passenger car (ordinary vehicle), a lunar planetary landing machine, and a lunar planetary exploration vehicle capable of traveling on the surface of the lunar planet. It becomes possible. As shown in FIG. 3, the spectroscope unit 11 can be accommodated in a size of 25 mm × 25 mm × 65 mm, and a vacuum chamber having an inner diameter of about 150 mm including the place where the rock sample is installed is sufficient. The laser and the condensing optical system can be used in the atmosphere, and only fit in a size of 50 mm x 50 mm x 150 mm. With this device, dating can be performed almost simultaneously with the collection of rock samples. In general, since the distance between the laboratory where the measuring apparatus is installed and the place where the rock is collected is long, the measurement efficiency can be improved by shortening the time. Further, if the sample according to the present invention is used to make a simple measurement at a rock collecting point and a sample is carefully selected and an important sample is brought back to a distant laboratory to perform a precise measurement, the measurement efficiency can be improved.

1 K−Ar年代測定装置
2 測定試料(岩石試料)
3 パルスレーザ装置
4 試料2の表面から蒸発し励起した物質から発光された光
5 トロイダル型凹面回折格子
6 トロイダル型凹面回折格子5の1次光
7 トロイダル型凹面回折格子5の0次光
8 Ar検出器
9 バンドパスフィルタ
10 フォトダイオード
11 分光部
1 K-Ar dating device 2 Measurement sample (rock sample)
3 Pulse laser device 4 Light emitted from the material evaporated from the surface of the sample 2 5 Toroidal concave diffraction grating 6 First order light of toroidal concave diffraction grating 5 7th order light of toroidal concave diffraction grating 5 8 Ar Detector 9 Bandpass filter 10 Photodiode 11 Spectrometer

Claims (7)

岩石試料に含まれるK及びArを検出することにより、該岩石試料が固化したときの年代を測定するためのK−Ar年代測定装置であって、
前記岩石試料の表面にパルスレーザ光を集光させるパルスレーザ装置と、
前記パルスレーザ光により前記岩石試料から蒸発し励起した物質から発光された光を分光するように配置されたトロイダル型凹面回折格子と、
前記トロイダル型凹面回折格子の1次光に含まれるAr輝線を検出するように配置されたAr検出器と、
前記トロイダル型凹面回折格子の0次光に含まれるK輝線を検出するため配置されたK検出器と、
を備える、K−Ar年代測定装置。
A K-Ar dating device for measuring the age when the rock sample is solidified by detecting K and Ar contained in the rock sample,
A pulse laser device that focuses pulse laser light on the surface of the rock sample;
A toroidal concave diffraction grating arranged to disperse light emitted from a substance evaporated and excited from the rock sample by the pulsed laser light;
An Ar detector arranged to detect an Ar emission line included in the primary light of the toroidal concave diffraction grating;
A K detector arranged to detect K emission lines contained in the 0th order light of the toroidal concave diffraction grating;
A K-Ar dating device.
前記Ar検出器は、波長107nmのAr輝線を真空紫外領域で検出するため、マイクロチャンネルプレート(MCP)とマルチアノードとを備えている、請求項1に記載のK−Ar年代測定装置。   The K-Ar dating apparatus according to claim 1, wherein the Ar detector includes a microchannel plate (MCP) and a multi-anode for detecting an Ar emission line having a wavelength of 107 nm in a vacuum ultraviolet region. 前記K検出器は、波長767nmのK輝線を検出するためのバンドパスフィルタとフォトダイオードとを備えている、請求項1又は2に記載のK−Ar年代測定装置。   The K-Ar dating apparatus according to claim 1, wherein the K detector includes a bandpass filter and a photodiode for detecting a K emission line having a wavelength of 767 nm. 前記トロイダル型凹面回折格子の溝本数を少なくとも1200gr/mmとする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のK−Ar年代測定装置。   The K-Ar dating apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of grooves of the toroidal concave diffraction grating is at least 1200 gr / mm. 岩石試料に含まれるK及びArを検出することにより、該岩石試料が固化したときの年代を測定するための方法であって、
パルスレーザ光を岩石試料の表面に集光させることによって該岩石試料の表面物質を蒸発・励起させ、
前記表面物質の発光をトロイダル型凹面回折格子で分光し、
前記トロイダル型凹面回折格子の回折光の1次光に含まれるAr輝線を検出し、
前記トロイダル型凹面回折格子の回折光の0次光に含まれるK輝線を検出し、
検出されたK輝線及びAr輝線の光量に基づいて前記岩石試料に含まれるKとArの量を同定する、各工程を備える、方法。
A method for measuring the age when the rock sample solidifies by detecting K and Ar contained in the rock sample,
By condensing the pulse laser beam on the surface of the rock sample, the surface material of the rock sample is evaporated and excited,
Spectral emission of the surface material with a toroidal concave diffraction grating,
Detecting Ar emission lines contained in the primary light of the diffracted light of the toroidal concave diffraction grating,
Detecting K emission lines included in the 0th order light of the diffracted light of the toroidal concave diffraction grating;
A method comprising the steps of identifying the amounts of K and Ar contained in the rock sample based on the detected amounts of K emission lines and Ar emission lines.
前記Ar輝線の検出工程では、マイクロチャンネルプレート(MCP)とマルチアノードとを用いて、波長107nmのAr輝線を真空紫外領域で検出する、請求項5に記載の方法。   6. The method according to claim 5, wherein in the Ar emission line detection step, an Ar emission line having a wavelength of 107 nm is detected in a vacuum ultraviolet region using a microchannel plate (MCP) and a multi-anode. 前記K輝線の検出工程では、バンドパスフィルタとフォトダイオードとを用いて、波長767nmのK輝線を検出する、請求項5又は6に記載の方法。   The method according to claim 5 or 6, wherein, in the step of detecting a K emission line, a K emission line having a wavelength of 767 nm is detected using a bandpass filter and a photodiode.
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