Warum? welches Ereignis soll datiert werden? Wann? Was? Wie?

Transkript

1 Zeit

2 nch Wgner, 2004

3 Whl der Dtierungsmethode Wrum? welches Ereignis soll dtiert werden? Wnn? Ws? Wie? welcher Zeitrum soll dtiert werden? welche Mterilien können dtiert werden? welche Genuigkeit ist gefrgt? Welche Dtierungsmethoden kommen in Frge?

4 Prinzip dosimetrischer Dtierung kosm. α γ β t

5 Geschichte der Lumineszenz Herodot 5. Jh. v.chr. Leuchterscheinungen Aristoteles, Plinius Dniels et l. (1953) Phänomen zur Dtierung nutzbr Grögler et l. (1958) 1. Dtierung n Kermik (TL) Morozov (1969) 1. Dtierung n Sedimenten (TL) Witle & Huntley (1979) 1. Dtierung n Sedimenten (TL) Huntley et l. (1985) 1. OSL Dtierung n Sedimenten Hütt et l. (1988) 1. IRSL Dtierung n Sedimenten Murry & Wintle (2000) SAR - Protokoll Fluoreszenz - Phosphoreszenz

6 Altersgleichung A [] = D e (Dosis) [Gy] D (Dosisrte) [Gy/]

7 Dosis D, AD, D e Akkumulierte Energie pro Msse Gry [Gy] Dosisleistung DL Akkumulierte Energie pro Msse und Zeit Gry / 1000 Jhre [Gy / k]

8 Ionisierende Strhlung Unter ionisierender Strhlung versteht mn jede Strhlung, die direkt oder indirekt ionisiert. Dies knn sein: energiereiche elektromgnetische Strhlung (γ-strhlung, Röntgenstrhlung) oder schnelle Teilchen (z.b. α-, β-teilchen, Neutronen), lso Mteriestrhlung. γ-strhlung Röntgen β-strhlung α-strhlung Neutronen

9 Elektromgnetische Strhlung Wellenlänge Frequenz Energie ev Energie kev MeV

10 Atomufbu Atomkern m Atomhülle m Proton Neutron Elektron

11 Elementrteilchen Nme elektrische Ldung* Msse** Proton +1 1 Neutron 0 1 Elektron Photon

12 Nuklid Nuklid des chemischen Elements X mit P Protonen und der Msse M (=N+P) Beispiel: 238 U oder 238 U oder U-238 oder Urn

13 Nuklide / Isotope 1 H 1 99,98 % Wsserstoff 1 Proton 3 He 2 0,0001 % Helium-3 2 Protonen, 1 Neutron 2 H 1 0,02 % schwerer Wsserstoff (Deuterium) 1 Proton, 1 Neutron 4 He 2 99,9999 % Helium-4 2 Protonen, 2 Neutronen 3 H 1 0 % überschwerer Wsserstoff (Tritium) 1 Proton, 2 Neutronen

14 Elemente Wsserstoff (H) 1 Proton im Kern 1 Elektron in der Hülle Helium (He) 2 Protonen im Kern 2 Elektronen in der Hülle Lithium (Li) 3 Protonen im Kern 3 Elektronen in der Hülle Suerstoff (O) 8 Protonen im Kern 8 Elektronen in der Hülle Urn (U) 92 Protonen im Kern 92 Elektronen in der Hülle

15 Nuklidkrte Li-5 Li-6 Li-7 Li-8 Li-9 Li-10 He-3 He-4 He-5 He-6 He-7 He-8 He-9 H-1 H-2 H-3 n-1

16 Mögliche Gründe für Instbilität: Kern ist zu groß Verhältnis von Neutronen zu Protonen ist ungünstig Kern trägt überschüssige Energie (metstbiler Zustnd)

17 α - Zerfll 4 He R Rn 86 α-strhlung Beim α-zerfll emittiert der Kern ein α-teilchen bestehend us 2 Protonen und 2 Neutronen. Beispiel: Der instbile Kern von R-226 zerfällt unter Aussendung eines α-teilchens zu Rn-222.

18 β - Zerfll 137 C s B 56 β-strhlung Beim β-zerfll wndelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton unter Aussendung eines Elektrons um. Beispiel: Der instbile Kern von Cs-137 zerfällt unter Aussendung eines β-teilchens zu B-137

19 γ-strhlung 137 B B 56 γ-strhlung Beim γ-zerfll wird überschüssige Energie in Form elektromgnetischer Strhlung (γ-qunt) emittiert. Die Zusmmensetzung des Kerns ändert sich ddurch nicht. Beispiel: Der metstbile Kern von B-137m zerfällt unter Aussendung eines γ-qunts in seinen Grundzustnd B-137.

20 Kernspltung 235 U Rb 37 Neutronenstrhlung 137 C s 55

21 Elektroneneinfng 40 K Ar 18 Röntgenstrhlung

22 Aktivität 1 Becquerel = 1 Zerfll pro Sekunde [ Bq ] 1 Bq = 3, Curie [Ci] Die Aktivität eines rdioktiven Elements gibt n, wie viele Atomkerne pro Sekunde zerfllen. Die Aktivität ist die physiklische Größe für die Menge eines rdioktiven Elements.

23 Hlbwertszeit / Zerfllsgesetz N(t) = N 0 e -λt λ: Zerfllskonstnte Abklingen der Rdioktivität bei Tritium 3 H

24 Beispiele für Hlbwertszeiten Nuklid Hlbwertszeit 238 U 4,47 * Th 7,54 * R 1,60 * Rn 3,82 d 214 Po 164 ms 241 Am 432, Cs 30, Co 5,27 14 C 5,73 * 10 3

25 Zerfllsreihen THORIUM-232 R-228 5,7 b - Ac-228 6,13h Th ,4* 10 Pb ,6h Po-216 0,15s Rn ,6s R-224 3,64d b - Th-228 1,9 Tl-208 3,1min b - Bi ,6min b - b - Pb-208 stbil Po-212 0,3ps URAN-235 Tl-207 4,8min b - Pb ,1min b - Pb-207 stbil Bi-215 7,4min b - 97% 3% Po-215 1,8ms 100% 5*10 % b - Bi-211 2,15min 99,68% 0,32% b - Po-211 0,52s At-219 0,9min b - At ms Fr min 4*10-3 % 100% b - Rn-219 3,9s R ,4d Ac ,2% 98,8% b - Th ,6h b - Th ,7d P-231 3,3*10 4 U-235 7*10 8 Hg-206 8,1min URAN-238 b - Pb-214 Po ,8min 3,05min b - 99,98% 0,02% b - Bi ,8min b - 0,04% 99,96% b - Pb-210 Po ms Tl-210 1,3min 7,5*10-5 % Tl-206 4,3min 100% b - 5*10-5 % Bi-210 5,0d b - 100% b - Pb-206 stbil Po ,4d At-218 2s Rn-222 3,8d R Th ,1d b - Th-230 8*10 4 P-234 1,2min 6,7h - 99,85% b 0,15% g U-238 4,5*10 9 U-234 2,5*10 5 ntürliche primordile Rdionuklide ußerhlb der Zerfllsreihen: 9 C-40 1,4*10 b - 89% K ,2*10 EC 11% Ar-40 Rb-87 4,8*10 10 b - Sr-87

26 Rdioktive Gleich - Ungleichgewichte g-energie γ-energie [kev] [kev] γ-energie g-energie [kev] [kev]

27 Primärstrhlung (p, α) Kosmische Dosisleistung Sekundärstrhlung (p, n, negtive muons)

28

29 Erdmgnetfeld

30 Methoden der Dosimetrie Methode U Th K rd.ungleichgewicht Stt. Fehler [%] α-zählung X X β-zählung Dosimeter in-situ γ- Spektrometrie X X X AAS - - X - 3 NAA X X X - 5 ICP-MS X X X γ-spektrometrie X X X X 3-10

31 Reichweite der Strhlungsrten (in Mterie) α-strhlung 20 µm β-strhlung 2 mm γ-strhlung 30 cm

32 Induzierte Spltspuren Wgner, 1998

33 Strhlenfeld nch Wgner, 1998

34 γ-dosisrte in Abhängigkeit von Schichtgrenzen nch Aitken, 1985

35 Altersgleichung OSL- Signl Erosion + Bleichung Beprobung Sedimenttion Zeit A [] = D e (Dosis) [Gy] D (Dosisrte) [Gy/]

36 Energie Bändermodell Leitungsbnd Elektronenfllen () (b) Rekombintionszentren ionisierende Strhlung Vlenzbnd (c) (d) Fllentiefe Lumineszenz Stimultion

37 Energiebändermodell Leitungsbnd Lumineszenz Elektronenfllen Rekombintionszentren Ionisierende Strhlung Stimultion Energie Vlenzbnd

38 Lumineszenz (1) (2) (3) e - ionisierende Strhlung e - Stimultion (4) (5) Lumineszenz e - Si 4+ O 2- e - Al 3+ O-Fehlstelle nch Wgner, 1998

39 Unterscheidung der Lumineszenz nch Stimultionstyp Thermolumineszenz (TL) Optisch Stimulierte Lumineszenz (OSL) Infrrot Stimulierte Lumineszenz (IRSL) Rdiofluoreszenz (RF)

40 Feldspt IRSL-Spektrum IR-OSL [.u.] stimultion time [min] wvelength [nm]

41 Qurz TL-Spektrum Krelin, 1997

42 Qurz TL-Spektrum

43 Qurz OSL-Spektrum 200 Intensität [willk. Einh.] Gy 350 Gy 73 Gy 0 0 Gy 2,5 3,0 3,5 4,0 365 nm Photonenergie [ev] Huntley et l., 1991

44 Stimultion - Detektion 100 Trnsmission [%] 80 U-340 Blue LEDs Wellenlänge [nm]

45 Lumineszenzintensität versus Stimultionsenergie Botter-Jensen et l, 1994

46 Qurz Ausleuchtkurve 6 mw/cm 2 bei 20 C - blue Stimultion - UV Detektion 18 mw/cm 2 bei 125 C - blue Stimultion - UV Detektion

47 Qurz TL-Kurve

48 Qurz OSL Wchstumskurve

49 Bedingungen Signlstbilität (kein Signlverlust während des Sedimenttionszeitrumes) Wchstumskurve (funktionler Zusmmenhng von Signlintensität und Dosis / Zeit) Nullstellung (ds Dtierungsereignis muss ds Signl uf Null stellen)

50 Nullstellung nch Wgner, 1995

51 Bleichungschrkteristik Intensität [willk. Einheiten] Qurz, OSL Qurz, TL Feldspt, TL Feldspt, OSL ) 10 7 sonnig b) 10 6 bewölkt Intensität [willk. Einheiten] Qurz, OSL s 6min 2h s min Exposition m Tgeslicht [s] Exposition m Tgeslicht [s] Godfrey-Smith et l., 1988

52 Signlwchstum Ntur Lbor OSL-Signl OSL-Signl Erosion + Bleichung Probennhme Sedimenttion + erneuter Signlufbu Zeit D E Dosis

53 Lumineszenz Dtierungstechniken Stimultion Minerle Vorteile/Nchteile thermisch (TL) Qurz, Feldspäte, (Clcite) + therm. Stbilität - geringe Lichtempfindl. optisch (OSL) infrrot (IRSL) Qurz, Feldspäte Feldspäte + hohe Lichtempfindl. + Q: hohe Stbilität - Q: frühe Sättigung + F: spätere Sättigung - F: geringe Stbilität? Rdiofluoreszenz (RF) Klifeldspäte + hohe Stbilität - mäßige Lichtempfindl.

54 Präzision - Richtigkeit gering Präzision (zufällig) hoch Richtigkeit (systemtisch) hoch gering Wgner, 1998

55 Litertur Aitken, M., An introduction to Opticl Dting. Oxford University Press. Aitken, M., Thermoluminescence Dting. Acdemic Press. Botter-Jensen, L., McKeever, S., Wintle, A.G., Opticlly stimulted luminescence dosimetry. Elsevier. Grün, R., Die ESR-Altersbestimmungsmethode. Springer. Wgner, G., Age determintion of Young Rocks nd Artefcts. Springer. Wintle, A. (ed.) Luminescence nd ESR Dting nd llied reserch. Rdition Mesurements 27, No. 5/6. Ancient TL (Pct) Rdition Mesurements Qurtär Zeitschriften (QSR, Holocene, Quternry Interntionl, Cten.)