Strahlenschaden-Methoden


Zusammenfassung mehrerer verwandter
Datierungsmethoden (TL, OSL, IRSL, ESR,
Spaltspuren, Alpharückstoßspuren)
Beruhen auf Akkumulation von
Strahlenschäden im Kristallgitter durch
ionisierende Strahlung oder durch Partikel
(Kernfragmente, -Teilchen)

Eine einfache Einführung…
Lumineszenz
 dosimetrische Datierungsmethode
γ
β
α
t
OSL - Wachstumskurve
Natur
Labor
OSL-Signal
OSL-Signal
Erosion
+
Bleichung
Probennahme
Sedimentation
+
erneuter Signalaufbau
Zeit
DE
Dosis
OSL – Altersberechnung
OSLSignal
Erosion +
Bleichung
Beprobung
Sedimentation
Zeit
A [a] =
DE (Dosis) [Gy]
D (Dosisrate) [Gy/a]
Bedingungen
 Signalstabilität
(kein Signalverlust während des Lagerungszeitraums)
 Wachstumskurve
(funktionaler Zusammenhang von Signalintensität und Zeit)
 Nullstellung
(das Datierungsereignis muss das Signal auf Null stellen)
 gleichbleibende
Radioaktivität (Dosisleistung)
Lumineszenzverfahren
Technische Umsetzung
Stimulation erfolgt durch
Erhitzen (Wärme)
Licht
Thermolumineszenz
Optisch stimulierte
Lumineszenz
System wird „auf Null zurückgesetzt“,
Zerstörende Messung
• ungepaarte Elektronen
• unkompensierte
Eigendrehung (Spin)
• magnetisches Moment
• Beschuss mit
Mirkowellen
• Absorption
ElektronenspinResonanzverfahren
System bleibt erhalten,
zerstörungsfrei
Lumineszenz- und ESR-Verfahren
Anwendungsbereich
Quelle:
http://www.mpihd.mpg.de/hfm/
wh/pams/11_05_
01_Christiane_R
hodius.pdf
[10.10.2007]
Lumineszenz – im Detail



„Kaltes Leuchten“, einmalige Lichtemission
zusätzlich zur Planck‘schen Strahlung
(nicht zerstörungsfreie Messung!)
Je nach Stimulation: TL, OSL, IRSL
„Radiofluoreszenz“ (RF) zerstörungsfrei
LUM, Grundlagen…

Alter [a] = Akkum. Dosis [Gy]/ Dosisleistung [Gy/a]
A. Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
Wagner 1998
Lumineszenzverfahren
Anwendungsbereich

Zeitliche Reichweite: 100 a bis ca. 1 Mio. Jahre
• Probenmaterial:
 vulkanische Gläser
Zeitpunkt des Erstarrens
 Keramik
 Ziegeln
 Steingegenstände
Letztes Erhitzen
 fluviale Sedimente
 äolische Sedimente
„Optisches Bleichen“
Lichtempfindlichkeit
Mineraltrennung

Gravimetrische Trennung in Sandfraktion
Mejdahl 1985
In Schluff- und Tonfraktion allenfalls chemische Anreicherung von Quarz,
ansonsten poylmineralische Fraktion!
Feldspatspektrum
500
I R -O S L [ a .u .]
400
300
200
100
0
15 3
0
stimu 45 60
75
lation
time
[min
]
600
450
0
0
5
[nm]
550
h
t
g
n
le
wave
400
350
Ggfs. spektrale
Trennung von
Emissionen
…LUM, Grundlagen…
A. Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
Wer macht sowas?
Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
Wagner
1995
Das Bändermodell
Quelle: Zöller (1995)
…LUM,
Grundlagen…
Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
Hilgers 2007
Energiebändermodell
Leitungsband
Lumineszenz
Elektronenfallen
Energie
Rekombinationszentren
Ionisierende
Strahlung
Stimulation
Valenzband
…LUM, Grundlagen…
Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…

TL-Plateautest
…LUM, Grundlagen…
A. Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
A. Hilgers 2007
…LUM, Grundlagen…
…LUM, Grundlagen…
…LUM, Grundlagen…
Für Feinkorn:
Für Kalifeldspat-Grobkorn:
…LUM, Grundlagen…

TL an Sedimenten…
…LUM, Grundlagen…
…LUM, Grundlagen…
…LUM, Grundlagen…
…LUM, Grundlagen…Erhitzte Gesteine
…LUM, Grundlagen…

Partial heat –
Longest plateau
(Meerfelder Maar)
Zöller et al., submitted
…LUM,
Grundlagen…

„Fading“
…LUM, Grundlagen…
TL, Anwendung…
TL, Anwendung…

Löss-Datierung
Zöller 1995, Zöller & Semmel 2001
OSL, Anwendung





 = s-1 exp (E/kBT)
where E is the energy needed for an electron to escape
from the trap corresponding
with the trap depth,
s is the escape attempt
frequency,
kB is the Boltzmann’s
constant and
T the storage temperature
[K].
Hilgers 2007
OSL, Anwendung

Quarz: hohe Stabilität,
aber geringe Sättigunsdosis
Hilgers 2007
OSL, Anwendung: SAR







Changes in sensitivity with repeated
luminescence measurements.
The irradiation dose (here a test dose of
~1.5 Gy) was kept constant over the
entire experiment. The
sample (quartz extracted from ~ 300
years old dune sand, C-L0520_F2) was
preheated at 260°C for 10
s prior to optical stimulation (100 s
exposure to blue-light emitting diodes
with the sample held
constantly at 125°C). An increase of the
signal intensity is observed, although the
irradiation dose and
all other measurement conditions were
kept constant for each cycle. This increase
is explained by a
change in the luminescence recombination
probability.
Hilgers 2007
OSL, Anwendung: SAR
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
„RPB“=rapidly bleaching peak; „SBP““=slowly bleaching peak
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
Hilgers 2007
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
Hilgers 2007
Detektion unzureichender Bleichung
< 500 Körner / Aliquot
HDS 905
HDS 975
2
norm. dose
norm. dose
2
1
0
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Aliquot #
gut gebleicht
Aliquot #
unzureichend gebleicht
v > 10 %
Maximum Age
OSL, Anwendung
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
Hilgers 2007
OSL, Anwendung: Glashütte
Hilgers 2007
OSL, Anwendung: Rosenberg
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
Hilgers 2007
OSL, Anwendung
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





To conclude, the OSL record of dune sand
deposition shows a sharp contrast
between two
time slices:
• an older period from about 18 to 10.5 ka
with dune sand deposition occurring
regionally throughout the study area
characterised by substantial sand
accumulation
(old phase of dune formation and dune
reactivation)
• a younger period since ~10.5 ka which is
characterised by locally restricted and less
pronounced aeolian events (young phase
of dune reactivation)
Hilgers 2007
Hilgers 2007
OSL-Studien zu unzureichend gebleichten
Proben mittels Single Grain + Röntgenquelle
0.26
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
0.22
0.20
0.18
0.16
10
0.14
9
8
0.12
8
4
7
6
Da
5
9
ta
7
6
0.10
X
C-Dosisleistung
(Gy/sec)
0.24
3
5
Y Da
ta
4
3
2
2
1
1
Abb. J. Lomax
OSL, Anwendung: Linear Modulation
Ch. Schmidt, unpubl.
ESR
Grün 1989
ESR
Wagner 1995
ESR
Wagner 1995
ESR
Grün 1989
ESR
Grün 1989
ESR
Grün 1989
ESR
Grün 1989
ESR
Grün 1989
Grün 1989
ESR
Grün 1989
ESR sedimentäre Quarze
Fig. 2. Natural and regenerated ESR spectrum of
sample NWB8, measured in X-band at 110 K. The
corresponding g values for Ti–Li and Ti–H centres
are given. The centre field and sweep width was
set to detect Ti-related signals only. The expected
naturally accumulated dose is 11777Gy (OSL),
and this dose was artificially applied with a
gamma-source to simulate the natural signal
(following thermal annealing at 500 1C). There
are significant changes in the ESR spectrum
between the naturally dosed and artificially dosed
sample. The amplitude of line 1 (g = 1.979) in
the regenerated spectrum is significantly smaller
than that from line 3 (g = 1.915), relative to the
‘natural’ spectrum. Furthermore, the line-shape of
line 2 (g = 1.931) is altered after regeneration,
showing prominent hyperfine splitting due to the
presence of hydrogen charge-compensators close
to the trapped electron. ESR intensities are based
on peak-to-baseline amplitude-height for line 1
(arrow-to-line), peak-to-peak for line 2 (arrow-toarrow), and peak-tobaseline for line 3 (arrow-toline).
Beerten et al. 2008
Messung bei 105-100 K!
ESR
Inflexion points!
Beerten et al. 2008
ESR
Beerten et al. 2008
ESR
Beerten et al. 2008
ESR sedimentäre Quarze






Fazit:
Hochauflösende ESR-Spektrometrie bei niedrigen T
(<110 K) geeignet, hohe Sedimentationsalter von
Quarzen zu datieren (ED>1000 Gy)
3 verschiedene g-Linien von Ti-Li- und Ti-H-Zentren
Dosisüberschätzung bei g1 durch Sensitivitätsänderung?
Problem mit „inflexion points“.
Dosisunterschätzung bei g3 durch mangelnde Stabilität?
Weiterer aktueller Forschungsbedarf, aber viel
versprechend

Strahlenschaden