Thermoluminescence dating (TL) is the determination, by means of measuring the accumulated radiation dose, of the time elapsed since material containing crystalline minerals was either heated (lava, ceramics) or exposed to sunlight (sediments). As a crystalline material is heated during measurements, the process of  thermoluminescence starts. Thermoluminescence emits a weak light signal that is proportional to the radiation dose absorbed by the material. It is a type of luminescence dating.

The technique has wide application, and is relatively cheap at some US$300–700 per object; ideally a number of samples are tested.  Sediments are more expensive to date. The destruction of a relatively significant amount of sample material is necessary, which can be a limitation in the case of artworks. The heating must have taken the object above 500 °C, which covers most ceramics, although very high-fired porcelain creates other difficulties.  It will often work well with stones that have been heated by fire. The clay core of bronze sculptures made by lost wax casting is also able to be tested.

Different materials vary considerably in their suitability for the technique, depending on several factors.  Subsequent irradiation, for example if an x-ray is taken, can affect accuracy, as will the "annual dose" of radiation a buried object has received from the surrounding soil. Ideally this is assessed by measurements made at the precise findspot over a long period. For artworks, it may be sufficient to confirm whether a piece is broadly ancient or modern (that is, authentic or a fake), and this may be possible even if a precise date cannot be estimated.

Functionality 
Natural crystalline materials contain imperfections: impurity ions, stress dislocations, and other phenomena that disturb the regularity of the electric field that holds the atoms in the crystalline lattice together.  These imperfections lead to local humps and dips in the crystalline material's electric potential. Where there is a dip (a so-called "electron trap"), a free electron may be attracted and trapped.

The flux of ionizing radiation—both from cosmic radiation and from natural radioactivity—excites electrons from atoms in the crystal lattice into the conduction band where they can move freely.  Most excited electrons will soon recombine with lattice ions, but some will be trapped, storing part of the energy of the radiation in the form of trapped electric charge (Figure 1).

Depending on the depth of the traps (the energy required to free an electron from them) the storage time of trapped electrons will vary as some traps are sufficiently deep to store charge for hundreds of thousands of years.

In practical use 
Another important technique in testing samples from a historic or archaeological site is a process known as thermoluminescence testing, which involves the principle that all
objects absorb radiation from the environment. This process frees electrons within elements or minerals that remain caught within the item. Thermoluminescence testing involves
heating a sample until it releases a type of light, which is then measured to determine the last time the item was heated.

In thermoluminescence dating, these long-term traps are used to determine the age of materials: When irradiated crystalline material is again heated or exposed to strong light, the trapped electrons are given sufficient energy to escape. In the process of recombining with a lattice ion, they lose energy and emit photons (light quanta), detectable in the laboratory.

The amount of light produced is proportional to the number of trapped electrons that have been freed which is in turn proportional to the radiation dose accumulated. In order to relate the signal (the thermoluminescence—light produced when the material is heated) to the radiation dose that caused it, it is necessary to calibrate the material with known doses of radiation since the density of traps is highly variable.

Thermoluminescence dating presupposes a "zeroing" event in the history of the material, either heating (in the case of pottery or lava) or exposure to sunlight (in the case of sediments), that removes the pre-existing trapped electrons. Therefore, at that point the thermoluminescence signal is zero.

As time goes on, the ionizing radiation field around the material causes the trapped electrons to accumulate (Figure 2). In the laboratory, the accumulated radiation dose can be measured, but this by itself is insufficient to determine the time since the zeroing event.

The Radiation Dose Rate - the dose accumulated per year-must be determined first. This is commonly done by measurement of the alpha radioactivity (the uranium and thorium content) and the potassium content (K-40 is a beta and gamma emitter) of the sample material.

Often the gamma radiation field at the position of the sample material is measured, or it may be calculated from the alpha radioactivity and potassium content of the sample environment, and the cosmic ray dose is added in.  Once all components of the radiation field are determined, the accumulated dose from the thermoluminescence measurements is divided by the dose accumulating each year, to obtain the years since the zeroing event.

Relation to radiocarbon dating 
Thermoluminescence dating is used for material where radiocarbon dating is not available, like sediments. Its use is now common in the authentication of old ceramic wares, for which it gives the approximate date of the last firing. An example of this can be seen in Rink and Bartoll, 2005.

Thermoluminescence dating was modified for use as a passive sand migration analysis tool by Keizars, et al., 2008 (Figure 3), demonstrating the direct consequences resulting from the improper replenishment of starving beaches using fine sands, as well as providing a passive method of policing sand replenishment and observing riverine or other sand inputs along shorelines (Figure 4).

Relation to other luminescence dating methods
Optically stimulated luminescence dating is a related measurement method which replaces heating with exposure to intense light.  The sample material is illuminated with a very bright source of green or blue light (for quartz) or infrared light (for potassium feldspar).  Ultraviolet light emitted by the sample is detected for measurement.

See also
Geochronology
Luminescence dating
Rehydroxylation dating
Thermoluminescent dosimeter

Notes
Oxford Authentication: Home - TL Testing Authentication 'Oxford Authentication® Ltd authenticates ceramic antiquities using the scientific technique of thermoluminescence (TL). TL testing is a dating method for archaeological items which can distinguish between genuine and fake antiquities.' See some of their case studies here: https://www.oxfordauthentication.com/case-studies/

References and bibliography 

GlobalNet.co.uk, Quaternary TL Surveys - Guide to thermoluminescence date measurement
Aitken, M.J., Thermoluminescence Dating, Academic Press, London (1985) – Standard text for introduction to the field. Quite complete and rather technical, but well written and well organized. There is a second edition.
Aitken, M.J., Introduction to Optical Dating, Oxford University Press (1998) – Good introduction to the field.
Keizars, K.Z. 2003. NRTL as a method of analysis of sand transport along the coast of the St. Joseph Peninsula, Florida. GAC/MAC 2003. Presentation: Brock University, St. Catharines, Ontario, Canada.
 JCRonline.org, Ķeizars, Z., Forrest, B., Rink, W.J. 2008. Natural Residual Thermoluminescence as a Method of Analysis of Sand Transport along the Coast of the St. Joseph Peninsula, Florida. Journal of Coastal Research, 24: 500–507.
Keizars, Z. 2008b. NRTL trends observed in the sands of St. Joseph Peninsula, Florida. Queen's University. Presentation: Queen's University, Kingston, Ontario, Canada.
Liritzis, I., 2011. Surface Dating by Luminescence: An Overview. Geochronometria, 38(3): 292–302.
Mortlock, AJ; Price, D and Gardiner, G. The Discovery and Preliminary Thermoluminescence Dating of Two Aboriginal Cave Shelters in the Selwyn Ranges, Queensland [online]. Australian Archaeology, No. 9, Nov 1979: 82–86. Availability: <> . [cited 04 Feb 15].
 Antiquity.ac.uk, Rink, W. J., Bartoll, J. 2005. Dating the geometric Nasca lines in the Peruvian desert. Antiquity, 79: 390–401.
Sullasi, H. S., Andrade, M. B., Ayta, W. E. F., Frade, M., Sastry, M. D., & Watanabe, S. (2004). Irradiation for dating Brazilian fish fossil by thermoluminescence and EPR technique. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 213, 756–760.doi:10.1016/S0168-583X(03)01698-7

External links
 Brief introduction on TL technique - Link no longer valid (Oct 2022)

Dating methods
Exploration geophysics
Luminescence
Conservation and restoration of cultural heritage
열발광 연대측정(Thermoluminescence dating, TL 연대측정)은 누적 방사선량을 측정하여 결정질 광물을 포함하는 물질이 가열되거나 (용암, 도자기) 햇빛에 노출된 이후 경과된 시간(침전물)을 측정하는 것이다. 측정 중에 결정질 물질이 가열되면 열발광 과정이 시작된다. 열발광은 물질이 흡수한 방사선량에 비례하는 약한 빛 신호를 방출한다. 일종의 발광 연대측정법이다.

이 기술은 광범위하게 적용되며, 개체당 US$300–700로 비교적 저렴하다. 이상적으로는 많은 샘플이 테스트 된다. 침전물은 현재까지 더 비싸다. 상대적으로 상당한 양의 샘플 재료의 파괴가 필요하며, 이는 미술품의 경우 한계가 될 수 있다. 가열은 대부분의 도자기를 덮는 500°C 이상의 물체를 가져갔음에 틀림없지만, 매우 높은 불에 구운 도자기는 다른 어려움을 낳는다. 그것은 종종 불로 가열된 돌과 잘 작동한다. 실랍법으로 만든 청동 조각의 점토 코어도 테스트할 수 있다.

다양한 재료는 여러 요인에 따라 기술에 대한 적합성이 상당히 다르다. 예를 들어 엑스레이를 찍은 경우 후속 조사는 정확도에 영향을 미칠 수 있으며, 묻힌 물체가 주변 토양에서 받는 “연간 선량”도 마찬가지이다. 이상적으로 이것은 장기간에 걸쳐 정확한 발견 지점에서 이루어진 측정에 의해 평가된다. 미술품의 경우 작품이 대체로 고대인지 현대인지(즉, 진품인지 모조품인지) 확인하는 것으로 충분할 수 있으며, 정확한 날짜를 추정할 수 없는 경우에도 가능하다.

기능 
천연 결정질 재료는 불순물 이온, 응력 전위 및 결정격자의 원자를 함께 유지하는 전기장의 규칙성을 방해하는 기타 현상과 같은 결함을 포함한다. 이러한 불완전성은 결정질 물질의 전위에서 국부적인 혹과 강하를 초래한다. 딥(소위 “전자트랩”)이 있는 경우 자유 전자가 끌어당겨 트랩될 수 있다.

우주 방사선과 자연 방사선 모두에서 나오는 이온화 방사선의 플럭스는 결정격자의 원자에서 자유롭게 이동할 수 있는 전도띠로 전자를 활성화시킨다. 대부분의 활성화된 전자는 곧 격자 이온과 재결합하지만, 일부는 포획되어 복사 에너지의 일부를 포획된 전하의 형태로 저장한다.(그림 1)

일부 트랩은 수십만 년 동안 전하를 저장할 수 있을 만큼 충분히 깊기 때문에 트랩의 깊이(전자를 방출하는 데 필요한 에너지)에 따라 트랩된 전자의 저장 시간이 달라진다.

실용적 이용 
역사적 또는 고고학적 유적지에서 샘플을 테스트하는 또 다른 중요한 기술은 열발광 테스트로 알려진 프로세스이다. 이 테스트에는 모든 물체가 환경의 방사선을 흡수한다는 원리가 포함된다. 이 프로세스는 항목 내에 남아 있는 원소 또는 광물 내의 전자를 해제한다. 열발광 테스트는 샘플이 일종의 빛을 방출할 때까지 샘플을 가열하는 것을 포함한다. 그런 다음 해당 항목이 마지막으로 가열된 시간을 결정하기 위해 측정된다.

열발광 연대 측정에서 이러한 장기 트랩은 물질의 나이를 결정하는 데 사용된다. 조사된 결정질 물질이 다시 가열되거나 강한 빛에 노출되면 갇힌 전자에 탈출하기에 충분한 에너지가 제공된다. 격자 이온과 재결합하는 과정에서 에너지를 잃고 실험실에서 감지할 수 있는 광자를 방출한다.

생성된 빛의 양은 방출된 갇힌 전자의 수에 비례하며, 이는 축적된 방사선량에 비례한다. 신호(열발광 - 물질이 가열될 때 생성되는 빛)를 신호를 유발한 방사선량과 연관시키려면 트랩의 밀도가 매우 가변적이기 때문에 알려진 방사선량으로 물질을 보정해야 한다.

열발광 연대측정은 물질의 역사에서 가열(도기 또는 용암의 경우) 또는 햇빛에 대한 노출(퇴적물의 경우)과 같은 "영점화(zeroing)" 사건을 전제로 하여 기존에 갇힌 전자를 제거한다. 따라서 그 지점에서 열발광 신호는 0이다.

시간이 지남에 따라 재료 주변의 이온화 방사선 필드로 인해 갇힌 전자가 축적된다.(그림 2) 실험실에서 축적된 방사선량을 측정할 수 있지만, 이것만으로는 영점화 사건 이후의 시간을 결정하기에는 충분하지 않다.

방사 선량률 - 연간 누적 선량-먼저 결정해야 한다. 이것은 일반적으로 샘플 재료의 알파 방사능 (우라늄 및 토륨 함량) 및 칼륨 함량(K-40은 베타 및 감마 방출체임)을 측정하여 수행된다.

종종 시료 물질의 위치에서 감마 방사선장이 측정되거나 시료 환경의 알파 방사능과 칼륨 함량으로부터 계산될 수 있으며, 우주선 선량이 추가된다. 일단 방사선장의 모든 구성 요소가 결정되면, 열발광 측정에서 누적된 선량은 영점 이벤트 이후 년을 얻기 위해 매년 누적되는 선량으로 나뉜다.

방사성탄소 연대측정과의 관계 
열발광 연대측정은 퇴적물과 같이 방사성 탄소 연대 측정이 불가능한 물질에 사용된다. 그 사용은 이제 마지막 소성의 대략적인 날짜를 알려주는 오래된 도자기의 인증에 일반적이다. 이에 대한 예는 Rink and Bartoll, 2005에서 볼 수 있다.

열발광 연대측정은 Keizars, et al.에 의해 수동 모래 이동 분석 도구로 사용하기 위해 수정되었다. 2008 (그림 3), 고운 모래를 사용하여 굶주린 해변의 부적절한 보충으로 인한 직접적인 결과를 보여주고, 모래 보충을 관리하고, 해안선을 따라 강변 또는 기타 모래 유입을 관찰하는 수동적 방법을 제공한다.(그림 4)

다른 발광 연대 측정법과의 관계 
광학 자극 발광 연대측정은 가열을 강한 빛에 노출시키는 것으로 대체하는 관련 측정 방법이다. 샘플 재료는 녹색 또는 청색광(석영의 경우) 또는 적외선(칼륨 장석의 경우)의 매우 밝은 광원으로 조명된다. 시료에서 방출되는 자외선을 감지하여 측정한다.

각주

외부 링크 
 TL 기술에 대한 간략한 소개

연대 측정법
물리탐사
발광
보존 및 수복