Termoluminescencja. Ewelina Tyran Katarzyna Białek. Kraków,

Transkrypt

1 Termoluminescencja Ewelina Tyran Katarzyna Białek Kraków,

2 Plan prezentacji 1. Wprowadzenie 2. Podstawy fizyczne termoluminescencji 3. Ilość materiału badawczego 4. Stan skupienia materiału badawczego 5. Wielkość przestrzenna próbki 6. Porównanie z innymi technikami 7. Komplementarność do innych metod 8. Przykład zastosowania 9. Bibliografia

3 Wprowadzenie Rys.1. Detektory TLD [1] Rys.2. Materiały termoluminescencyjne [2]

4 Rys historyczny

5 Termoluminescencja główna idea Rys.3. Model pasmowy [3]

6 Dwuetapowość termoluminescencji Rys. 4. Schemat pierwszego etapu termoluminescencji. Elektron zostaje wybity z pasma walencyjnego i przechwycony przez pułapkę elektronową. Pozostała po nim dziura migruje w paśmie walencyjnym i zostaje spułapkowana w centrum rekombinacji. [4] Rys. 5. Schemat drugiego etapu termoluminescencji. Po przekroczeniu temperatury progowej w układzie, spułapkowane nośniki ładunku rekombinują, czemu towarzyszy emisja kwantu światła. [4]

7 Termoluminescencja indukowana luminescencja Rys. 6. Fluoryt w świetle żarówki w temperaturze pokojowej. [5] Rys. 7. Termoluminescencja fluorytu podgrzewanego nad palnikiem kuchenki przy zgaszonym świetle [5]

8 WZORY Liczba elektronów wybitych do pasma przewodnictwa w jednostce czasu w temperaturze T, w przypadku braku powtórnego wychwytu elektronów do pułapki (tzw. retrapping), określana jest z zależności: Gdzie: n koncentracja elektronów w aktywnych pułapkach [m -3 ], s współczynnik częstotliwościowy związany z rodzajem defektu (o wartości rzędu s -1 ), E energia wiązania pułapki [ev], k stała Boltzmanna [J K -1 ], T temperatura [K].

9 Wzory cdn. Liczba elektronów uwalnianych w jednostce czasu jest określona równaniem (dla T = const) gdzie n oznacza liczbę pułapek zapełnionych elektronami w czasie t. Zmiana liczby pułapkowanych elektronów jest proporcjonalna do natężenia emitowanego światła I: gdzie c to stała związana z wydajnością luminescencji.

10 Krzywa termoluminescencji Rys. 8. Przykład krzywej jarzenia TL zarejestrowanej przy podgrzewaniu porcji ziaren kwarcu z szybkością 10ºC/s

11 Defekty sieciowe nieregularności sieci przestrzennej kryształów Dzielimy je na: Makrodefekty, Mikrodefekty.

12 Termoluminescencja - mikrodefekty Mikrodefekty: defekty Schottky'ego, defekty Frenkla, defekty chemiczne.

13 Dozymetria TLD Rys. 9. Dozymetria TLD

14 Wady i zalety dozymetrii TLD Zalety Szeroki zakres mierzonych dawek, Możliwość stosowania w trudnych polach pomiarowych możliwość pomiaru wielu rodzajów promieniowania (alfa, beta, gamma, neutrony), w tym pól mieszanych, takich jak n+γ, n+β czy β+γ Możliwość bezawaryjnego i wielokrotnego stosowania dozymetru oraz długotrwałego przechowywania między ekspozycją a odczytem, Możliwość długotrwałych pomiarów, Niewielkie rozmiary, ułatwiające transport i rozmieszczenie dozymetrów Wady Odpowiedź detektora na dawkę zależy od rodzaju i energii promieniowania, stąd konieczność wyznaczania doświadczalnych krzywych odpowiedzi dla każdego materiału, Konieczność kalibracji celem wyznaczenia współczynników konwersji liczby fotonów termoluminescencyjnych na jednostkową dawkę promieniowania, Brak możliwości archiwizacji odczytów informacja o dawce jest tracona po odczycie Unikalność każdego detektora, wprowadzająca niepewności statystyczne do odczytów, Wpływ warunków wstępnej obróbki termicznej na charakterystyki detektorów,

15 Układ pomiarowy Rys. 10. Układ do pomiaru termoluminescencji

16 Wielkość i stan skupienia próbki Dawkomierz termoluminescencyjny zawiera w sobie niewielkie pastylki o średnicy 4,5 mm i grubości 0,9 mm z fluorku litu, które nazywa się detektorami termoluminescencyjnymi (TLD). Sproszkowaną próbkę przesianą do frakcji 0,10-0,20 mm, w ilości od 0,3 do 0,6 g (zależnie od ciężaru właściwego próbki) rozsypuje się cienką warstwą na dnie płaskiego tygielka grafitowego. Rys. 11. Pastylki TLD Rys. 12 Tygielek grafitowy

17 Wielkość próbki w datowaniu TL W praktyce datowania metodami TL dawkę pochłoniętą najczęściej wyznacza się wykorzystując następujące rodzaje ziaren mineralnych: ziarna kwarcu o rozmiarach od około 90 do 200 μm (metoda ziaren kwarcu), ziarna skaleni potasowych o rozmiarach od około 150 do 400 μm (metoda ziaren skalenia), ziarna cyrkonu o rozmiarach około 100 μm, ziarna frakcji polimineralnej o rozmiarach 4 11μm (metoda drobnych ziaren), ziarna kalcytu z rozdrobnionych nacieków węglanowych lub rozdrobnione krzemienie.

18 Ograniczenia bardzo wrażliwa na światło i jest usuwana nawet przez bardzo krótką ekspozycję na promieniowanie słoneczne sięgający najczęściej 10%, margines błędu datowania, co w przypadku interesującego nas okresu czyni metodę mało efektywną.

19 Ograniczenia cdn. Jeśli próbka została wystawiona na działanie światła przez dłuższy czas, może wystąpić wzbudzanie pułapek TL przez oddziaływanie fotonów. TL spada, co sugeruje niższy wiek.

20 Zastosowanie Analiza dawki promieniowania skumulowanej w minerałach jak: kwarc, skalenie, cegły zawierające kwarc i skalenie określanie autentyczności dzieł sztuki oraz określania wieku ceramiki, osadów oraz skał wulkanicznych Datowanie osadów eolitycznych (piasków wydmowych i lessów), Przepalone krzemienie

21 Termoluminescencja jako metoda datowania Termoluminescencja wykorzystuje ciepło do pomiaru ilości radioaktywności zgromadzonej przez narzędzie skalne lub kamienne od ostatniego nagrzewania. Wiek TL osadu wyznacza się poprzez wzór: gdzie: EDTL jest wartością dawki równoważnej wyznaczonej przez pomiary termoluminescencji, def jest efektywną wartością dawki rocznej

22

23 Termoluminescencja a inne metody badań Wyróżniamy: spektralnie rozdzielczą termoluminescencję (SR-TL), Optycznie stymulowana luminescencja (OSL), - IRSL (IRSL Infrared Stimulated Luminescence) - GLSL Green Light Stimulated Luminescence, (to akronimy oznaczające OSL pobudzaną w różny sposób) metoda termicznie stymulowanego przewodnictwa, metoda termicznie stymulowanej egzoemisji elektronów, metoda elektronowego rezonansu paramagnetycznego (ERP).

24 Co łączy te 3 zabytki? Zamek w Siewierzu Kościół św. Wojciecha w Białej Rawskiej Opactwo Cystersów w Sulejowie

25 Bibliografia [1] Ewa Mandowska, Arkadiusz Mandowski, Spektralnie rozdzielcza termoluminescencja diamentów CVD jako detektorów promieniowania jonizującego [2] Andrzej Bluszcz, Datowanie luminescencyjne osadów czwartorzdowych teoria, ograniczenia, problemy interpretacyjne, Gliwice 2000 [3] Andrzej Buko, Tomasz Dzieńkowski, Jarosław Kusiak, Próba datowania ceramiki wczesnośredniowiecznej metodą termoluminescencji: przykład badań zespołu grodowego w Busównie, Archeologia Polski, t. LIII: 2008, z. 1 [4] Adrianna Seweryn, Metoda termoluminescencyjna w kontroli dawek indywidualnych na przykładzie działalności CLOR, 2015 [5] Photosynthesis: Plastid Biology, Energy Conversion and Carbon Assimilation, 2012 [6] Jadwiga Pawłowska, Termoluminescencja minerałów i skał w zastosowaniu do badań geologicznych, Kwartalnik Geologiczny 1971 [7] Y Horowitz, R Chen, L Oster, Thermoluminescence Theory and Analysis: Advances and Impact on Applications, Izrael 2017 [8] Maria Wirska-Parachoniak, Datowanie ceramiki zabytkowej metodą termoluminescencji, 1974 [9] Rafał Sobota, Wybrane aspekty teoretyczne badań termoluminescencji w porcelanie elektrotechnicznej omówienie, Częstochowa 2017 [10] McKeever S.W.S., Theory of Thermoluminescence, 1985 [11] (dostęp: ) [12] (dostęp: )/dawki.ifj.edu.pl/faq.html [13] (dostęp )