Datowanie luminescencyjne

Transkrypt

1 Alicja Chruścińska Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń

2 Do czego może się przydać? Podstawowy model stymulowanej luminescencji Zasada datowania luminescencyjnego Dawka roczna główne problemy Ciekawe wyzwania Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń

3 Do czego może się przydać? Datowanie ceramiki archeologicznej

4 Do czego może się przydać? Datowanie czwartorzędowych osadów geologicznych

5 Do czego może się przydać? Upływ czasu jest odmierzany wielkością dawki naturalnego promieniowania tła absorbowaną przez badany obiekt. Promieniowanie jądrowe generuje w minerałach stymulowaną luminescencję.

6 Do czego może się przydać? Upływ czasu jest odmierzany wielkością dawki naturalnego promieniowania tła absorbowaną przez badany obiekt. Promieniowanie jądrowe generuje w minerałach stymulowaną luminescencję.

7 Do czego może się przydać? Upływ czasu jest odmierzany wielkością dawki naturalnego promieniowania paleodawka tła absorbowaną przez badany obiekt. wiek = dawka roczna Stymulowana luminescencja minerałów generowana jest przez promieniowanie jądrowe.

8 Podstawowy model stymulowanej luminescencji Wzbudzenie pasmo przewodnictwa 3 4 Stymulacja luminescencji pasmo przewodnictwa pasmo walencyjne pasmo walencyjne 1 wzbudzenie przez promieniowanie 2 rekombinacja promienista na centrum luminescencyjnym 3 transport w paśmie przewodnictwa 4 pułapkowanie 5 stymulacja luminescencji Wprowadzenie Datowanie Co jest luminescencyjne luminescencja stymulowana

9 Podstawowy model stymulowanej luminescencji pasmo przewodnictwa γ β m pasmo walencyjne A n c N, n dn dt dm dt dn c dt = f n + A = β m n c ; = I f ( t) n = A ( N n) ; n c ( N n) n β mn ; c i warunki początkowe dm dt c

10 Podstawowy model stymulowanej luminescencji pasmo przewodnictwa γ β m pasmo walencyjne A n c N, n Stymulacja dn dt dm dt dn c dt = f n + A = β m n c ; = I f ( t) n = A ( N n) ; n c ( N n) n β mn ; c i warunki początkowe dm dt c

11 Podstawowy model stymulowanej luminescencji Stymulacja Termiczna Optyczna TL - termoluminescencja: f = s exp(-e T /kt) E T termiczna głębokość pułapki s czynnik częstościowy T - temperatura OSL - optycznie stymulowana luminescencja: f = f σ (E T, hν, T) σ optyczny przekrój czynny φ strumień fotonów stymulacji TL i OSL wykorzystywane są do badania stanów pułapkowych parametry wyróżniające pułapkę: TL (E T, s) OSL σ

12 Podstawowy model stymulowanej luminescencji I dm dt E ( t) = ; f = s exp ; T = T +αt kt 0 dm I = dt ( t) = ; f = φ σ const Krzywa TL - krzywa jarzenia 3x10 4 Krzywa OSL 6x10 3 2x10 4 TL (a.u.) 4x10 3 2x10 3 I 1 T α T ( T ) = n f ( T ) exp f ( T ') 0 0 dt' OSL (a.u) 1x10 4 I ( t) = n f exp( ft) Temperatura ( O C) Czas (s)

13 Podstawowy model stymulowanej luminescencji TL kwarcu 8000 TL intensity (a.u) sum of peaks experimental curve fitting error Temperature ( o C)

14 Podstawowy model stymulowanej luminescencji OSL kwarcu 2x10 4 OSL intensity (a.u.) 1x Time (s)

15 Podstawowy model stymulowanej luminescencji Układ pomiarowy

16 Podstawowy model stymulowanej luminescencji Układ pomiarowy

17 Podstawowy model stymulowanej luminescencji Układ pomiarowy

18 Podstawowy model stymulowanej luminescencji natężenie luminescencji proporcjonalne do dawki wzbudzenia Krzywa TL 4x10 4 Krzywa OSL 8x10 3 TL (a.u.) 4x10 3 OSL (a.u) 3x10 4 2x10 4 1x Temperatura ( O C) Czas (s)

19 Podstawowy model stymulowanej luminescencji Zakres liniowej odpowiedzi dozymetrów TL/OSL na dawkę ( Gy) Natężenie OSL (a.u.) 3x10 4 2x10 4 1x10 4 LiF: Mg, Cu, P Czas (s) TL głównie LiF: Mg, Cu, P (pik około 200ºC /detekcja: ~410nm) OSL głównie Al 2 O 3 :C (stymulacja: 532nm /detekcja: ~410nm) OSL (a.u.) tzw. krzywa wzrostu dose (Gy) L. Bøtter-Jensen,S. W. S. McKeever,A. G. Wintle, Optically stimulated luminescence dosimetry, Elsevier Science B.V., Amsterdam 2003

20 Zastosowania dozymetria retrospektywna dawka retrospektywna = wiek dawka roczna dawka retrospektywna = wiek dawka roczna + dawka awaryjna np.: I.K. Bailiff, The use of ceramics for retrospective dosimetry in the Chernobyl exclusion zone, Radiat. Meas. 24, (1995),

21 Zastosowania pułapki = defekty badania jakości kryształów Luminescencja stymulowana jest niepożądana w materiałach, które powinny wydajnieświecić, np. w scyntylatorach Pasmo przewodnictwa A TL (a.u) R Pasmo walencyjne Tempertura ( O C) np.:s. Menon, et al.,tsl, OSL and ESR studies in ZnAl 2 O 4 :Tb phosphor J. Lumin. 128, (2008), 1673 S.S.Novosad, et al., Recombination processes in the Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ scintillator, Inorg. Mat. 44 (2008 ), 515

22 Zastosowania obrazowanie diagnostyka rentgenowska: płytki PSP (Photostimulable Phosphor) Storage Materiały: BaFBr:Eu 2+, RbBr:Ga +, CsBr:Ga +, CsBr:Eu M. Sonoda et al., Computed Radiography Utilizing Scanning Laser Stimulated, Radiology 148, (1983), 833S. Schweizer, Physics and Current Understanding of X-Ray Storage Phosphors, Phys. Sta.t So. 187, (2001), 335

23 Zasada datowania luminescencyjnego Historia ziarna kwarcu wiek obiektu sygnał TL/OSL wzrost sygnału TL/OSL przed wygaszeniem wygaszenie sygnału TL/OSL w czasie transportu ziaren osadu lub w czasie wypalania ceramiki wzrost sygnału TL/OSL w czasie zalegania próbki t=0 powstanie osadu lub ceramiki czas pobór próby

24 Zasada datowania luminescencyjnego wiek = paleodawka dawka roczna TL/OSL paleodawka wiek obiektu TL/OSL TL/OSL naturalna TL/OSL x x x x paleodawka wzrost sygnału TL/OSL w czasie zalegania Dpróbki 1 D 2 czas D 3 pobór próby dawka laboratoryjna

25 Zasada datowania luminescencyjnego TL/OSL paleodawka wiek obiektu TL/OSL naturalna TL/OSL TL/OSL x x x x paleodawka wzrost sygnału TL/OSL w czasie zalegania D 1 D 2 próbkid 3 pobór próby czas dawka laboratoryjna

26 Zasada datowania luminescencyjnego wiek = paleodawka dawka roczna detektor germanowy XtRa GX1520 wydajność 15%, osłona pasywna; analizator wielokanałowy Model1510 Canberra System 100 MCA program do analizy widm SAMPO 90 spektrometria gamma dawka roczna? dozymetria TL/OSL

27 Dawka roczna Składniki dawki rocznej dla przeciętnej próbki ceramiki - ziarna do 8 µm α β γ razem Potas Rubid Tor (po 220 Rn) (1) (4) (6) (22) Uran ( 238 U+ 235 U) (po 222 Rn) (13) (5) (7) (25) Prom. kosm razem K 1%, 87 Rb 1 ppm, 232 Th 10 ppm, 238 U 3 ppm

28 Dawka roczna Składniki dawki rocznej dla przeciętnej próbki ceramiki - trawione ziarna o pierwotnej średnicy ok. 100 µm α β γ razem Potas Tor (po 220 Rn) - (6) (11) (17) Uran ( 238 U+ 235 U) (po 222 Rn) - (9) (11) (20) Prom. kosm razem K 1%, 87 Rb 1 ppm, 232 Th 10 ppm, 238 U 3 ppm

29 Dawka roczna Średnia dawka α zaabsorbowana przez ziarno kwarcu w matrycy o równej aktywności uranu i toru względem analogicznej dawki dla ziarna o średnicy 8 µm. 100

30 Dawka roczna Część dawki α zaabsorbowanej przez ziarno kwarcu usuwana przez trawienie powierzchni ziarna. Dawka usunięta/ dawka α Głębokość liczona od powierzchni ziarna

31 Dawka roczna Podstawowe złożenie: w czasie akumulacji paleodawki moc dawki promieniowania jest stała Najważniejsze problemy: ucieczka radonu ( 222 Rn T 1/2 = 3.8 dnia ) wilgotność i jej zmiany w czasie niejednorodność otoczenia obiektu

32 Dawka roczna najprostszy przypadek jednorodna warstwa osadu D r = D α + T β W β D β + W γ D γ poprawki uwzględniające wilgotność osadu: W β, W γ (wilgotność 20 40%) poprawka związana z absorpcją promieniowania β w ziarnie oraz trawieniem: T β (dla ziarna 100 µm T β = 0.9)

33 Dawka roczna ceramika archeologiczna D r = D α + T β W β D i β + D γ Dawka γ zewnętrzna i wewnętrzna D γ = p W i γ D i γ + (1-p) W e γ D e γ p - zależne od kształtu i rozmiaru próbki są dostępne tabele Problemy: - ograniczona masa próbki (D e β ) - niejednorodne otoczenie próbki (złożone D e γ)

34 Dawka roczna cegła zabytkowa D r = D α + T β W β D β + G γ W γ D γ G γ - poprawka związana z niepełną matrycą zależna od głębokości poboru Problemy: - niejednorodne otoczenie (zaprawa!) - kłopot z instalacją dozymetrów

35 Dawka roczna Mal1, Mal2 Mal3, Mal4 Mal5

36 Dawka roczna Próbka data Mal Mal Mal Mal Mal Mal1, Mal2 Mal3, Mal4 Mal5

37 Dawka roczna cegła archeologiczna Dr= Dα + Tβ Wβ Dβ + Dγ Dawka γ złożona, wyznaczana indywidualnie z uwzględnieniem niejednorodności otoczenia Dγ = pc Wcγ Dcγ + p1 W1γ D1γ + + p2 W2γ D2γ +...

38 Ciekawe wezwania Zalety datowania luminescencyjnego Określa wiek powstania obiektu Ziemski zakres datowania obejmuje czasy ostatnich zlodowaceń, czyli okres najbardziej interesujący z uwagi na zmiany klimatyczne. Technika jest sprawdzona i ugruntowana od wielu lat; Instrumenty pomiarowe do pomiaru TL/OSL nie są skomplikowane.

39 Ciekawe wezwania Datowanie osadów na Marsie... eolicznych

40 Ciekawe wezwania Datowanie osadów na Marsie... eolicznych

41 Ciekawe wezwania Datowanie osadów na Marsie... eolicznych, fluwialnych

42 Ciekawe wezwania Datowanie osadów na Marsie... eolicznych, fluwialnych i glacjalnych

43 Ciekawe wezwania Datowanie osadów na Marsie... eolicznych, fluwialnych i glacjalnych masa = 2 kg 10 tys. lat na powierzchni Zakres datowania osadów 2 mln lat m pod powierzchnią 15 cm

44 Dziękuję za uwagę