Doğal Gypsum (CaSO 4.2H 2 O) Kristallerinin Termolüminesans (TL) Tekniği ile Tarihlendirilmesi. Canan AYDAŞ, Birol ENGİN, Talat AYDIN TAEK

Transkript

1 Doğal Gypsum (CaSO 4.2H 2 O) Kristallerinin Termolüminesans (TL) Tekniği ile Tarihlendirilmesi Canan AYDAŞ, Birol ENGİN, Talat AYDIN TAEK

2 2

3 3

4 4

5 Termolüminesans (TL) Tekniği

6

7 TL Tekniği ile Tarihlendirme TL tekniği ile tarihlendirme iki niceliğin belirlenmesine dayanır. Bunlar; Numunenin kristalleşmesinden veya son ısıtılmasından bu güne kadar geçen sürede soğurduğu toplam radyasyon dozu Bir yılda alınan doz değeri (yıllık doz) TL Yaş (Yıl) = Toplam doz (Gy) / Yıllık doz (Gy/yıl) 7

8 TL Tekniği İle Toplam Dozun Bulunması 8

9 9

10 Yıllık dozun bulunması Yıllık doz iki bileşenden oluşmaktadır. Bunlar; İç doz Dış doz Yıllık doz iç ve dış dozların toplamına eşittir. Yıllık doz, numunelerin içerisinde ve çevrelerindeki U-238, Th-232, K-40 radyo izotoplarından kaynaklanan alfa, beta ve gama radyasyonlarından kaynaklanmaktadır. 10

11 11

12 12

13 13

14 Deneysel İşlemler Tarihlenecek jips örneği Eskişehir ili Sivrihisar yöresinden alınmıştır. Örnekler üzerine çevresel ve parçacıklarının etkisini elimine etmek için jips örneğinin yüzeyden itibaren yklaşık 2 mm lik kısımları kaldırılmıştır. Geriye kalan jips örneği havan içerisinde öğütülmüştür. Öğütülen örnek 1 lik seyreltik hidroklorik asit (HCl) çözeltisi ve ardından saf su ile yıkanarak etüv içerisinde 40 C de kurutularak elekten geçirilmiş ve çapları yaklaşık m aralığında toz örnekler elde edilmiştir. Elde Edilen bu toz örnekler TL ölçümlerinde kullanılmıştır. Jips örneği için yukarıda tarif edilen biçimde hazırlanan toz örnekler doz-cevap eğrilerinin oluşturulabilmesi amacıyla oda sıcaklığında doz hızı 1.1 kgy/saat olan 60Co gama kaynağı ile farklı dozlarda ışınlanmıştır. Örneklerin TL ölçümleri RisØ TL/OSL ( TL/OSL-DA-20) okuyucuda saf azot gazı atmosferinde gerçekleştirilmiştir. TL ölçümlerinde 5 mg toz örnekler kullanılmıştır. TL ölçümleri alınırken örneklerin ısıtılma işlemleri oda sıcaklığı ile 500 C değerleri arasında gerçekleştirilmiştir. Isıtma hızı ise 5 C/s olarak alınmıştır.

15 TL/OSL OKUYUCUSU

16 TL Şiddeti (k.b.) TL Şiddeti (k.b.) TL Şiddeti (k.b.) (b) (b) (b) (a) (a) 100 (a) (c) (c) Sıcaklık ( o C) 200 Sıcaklık ( o C) (c) Sıcaklık ( o C) Şekil 1. a) Işınlanmamış b) 500 Gy ışınlanmış c) boş disk için kaydedilen TL ışıma eğrileri

17 TL Çalışmaları Işınlanmamış, 500 Gy ışınlanmış jips örnekleri ve boş disk (black body) için kaydedilen TL ışıma eğrileri Şekil 1 de verilmiştir. Işınlanmamış jips örneği için kaydedilen ve Şekil. 1 a da verilen TL ışıma eğrisinde ~287 oc da tek bir TL ışıma piki gözlenmiştir. Bu pik, jips örneklerinin oluşumundan bu güne kadar doğal ortamlarında maruz kaldıkları radyasyonlarla etkileşmeleri sonucu jips örnekleri içerisinde depolanan enerjinin 287oC da ışıma enerjisi olarak açığa çıkması ile oluşur. 500 Gy ışınlanmış jips örneği için kaydedilen TL ışıma eğrisi Şekil 1. b de verilmiştir. Bu ışıma eğrisinde ~ 157 oc ve ~ 287 oc da olmak üzere iki farklı TL piki gözlenmiştir. Bu iki sıcaklıkta ortaya çıkan TL pikleri farklı elektron tuzaklarına karşı gelmektedir. Biriken enerjinin saklanabilme süresi, yani elektronların tuzaklarda kalabilme süreleri çevre şartlarına ve tuzak özelliklerine bağlıdır. Birkaç dakikadan milyon yıllara kadar elektronları tutabilen tuzaklar vardır. Bizi ilgilendiren uzun ömürlü tuzaklardır. Çünkü ancak bu tuzaklar baştan itibaren yakaladıkları tüm elektronları korurlar ve böylece radyasyonla sağlanan enerji tam olarak birikmiş olur. 157 oc pikine karşı gelen tuzak, 287 oc pikine karşı gelen tuzağa göre daha sığ ve bu nedenle burada tuzaklanan elektronlar kısa ömürlüdür. Bu nedenle doğal jips örnekleri için kaydedilen TL ışıma eğrisinde kısa ömürlü olan bu tuzaklara karşı gelen TL piki gözlenmemiştir. Diğer bir deyişle çevre şartlarında bu tuzaklardaki elektronlar tuzaklardan ayrılmışlardır. Şekil. 1 c de verilen TL ışıma eğrisi ise siyah cisim ışıması olarak adlandırılan ışıma eğrisidir.

18 ln(t m 2 / ) 13,0 12,5 278 o C ' deki TL piki 12,0 11,5 157 o C 'deki TL piki 11,0 10,5 10,0 9,5 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 (1/T m ) x 10 3 (K -1 ) Şekil C ve 278 C deki TL piklerinin tepe noktalarına karşı gelen T m değerlerinin β ısıtma hızına bağlı değişimi

19 Çalışmamın bu kesiminde 500 Gy ışınlanmış jips örnekleri kullanılarak farklı ısıtma hızları (1, 3, 5, 7, 10 oc/s) için TL ışıma eğrileri kaydedildi. Her bir ısıtma hızı için kaydedilen TL ışıma eğrisi değerlendirildi. 500 Gy ışınlanmış jips örnekleri için 5 oc/s ısıtma hızında kaydedilen TL ışıma eğrisini oluşturan iki farklı sıcaklıkta çıkan TL pikleri için pik şiddetinin maksimum olduğu Tm sıcaklık değerleri 157 oc ve 278 oc olarak belirlendi. ısıtma hızı arttıkça her iki pik için de TL pik şiddetinin maksimum olduğu Tm sıcaklık değerleri artmıştır. Her bir ısıtma hızı için kaydedilen TL ışıma eğrilerinden belirlenen Tm sıcaklık ve değerleri 2 kullanılarak Şekil 2 de verilen ln(tm / ) - (1/Tm) grafiği oluşturuldu. Şekil 2 den görüldüğü gibi her bir pik için ln(tm2/ ) değeri (1/Tm) değeri ile doğrusal olarak artış göstermektedir. Bu nedenle her iki pik için elde edilen deneysel veriler bir doğruya fit edilmiştir. Her pik için elde edilen doğrunun eğim değerlerinden o pike karşılık gelen tuzak elektronlarının aktivasyon enerji değerleri bulundu (Bkz. Tablo 1). Aktivasyon enerji değerleri 278 oc ve 157 oc pikleri için sırası ile 1.75 ev ve 0.82 ev olarak belirlendi. İki ayrı sıcaklıkta ortaya çıkan TL ışıma piklerine karşı gelen tuzaklar için beklendiği gibi iki farklı aktivasyon enerji değeri belirlenmiştir. Daha düşük sıcaklıkta ortaya çıkan TL pikine karşı gelen tuzak daha sığ olduğu için aktivasyon enerjisi daha düşük çıkmıştır. Her bir piki oluşturan tuzaklanmış elektronların 15 oc ortam sıcaklığındaki ısıl ömürleri ise yüksek sıcaklık piki için ~ 4.09x107 yıl, düşük sıcaklık piki için ise yaklaşık 2,5 gün civarında hesaplanmıştır (Bkz. Tablo 1). Bulunan ısıl ömür değerleri de aktivasyon enerji değerleri ile uyumludur.yüksek sıcaklıklardaki TL ışıma piklerine karşı gelen derin tuzaklardaki elektronların aktivasyon enerjilerinin büyük dolayısı ile ısıl ömürlerinin uzun olması bunların ortam sıcaklığında tuzaklardan kurtulma olasılıklarının çok az olduğunu gösterir.

20 ln (I) 4,0 3,8 3,6 278 o C' deki TL piki 3,4 3,2 157 o C' deki TL piki 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 (1/T) x 10 3 (K -1 ) Şekil kgy ışınlamadan sonra 157 C ve 278 C deki TL ışıma piklerinin ilk yükselme bölgeleri için Arhenius grafikleri

21 Bu kesimde 500 Gy ışınlanmış jips örnekleri için =5 oc/s ısıtma hızı için TL ışıma eğrisi kaydedildi. Kaydedilen TL ışıma eğrisi kullanılarak düşük sıcaklık (157 oc) ve yüksek sıcaklık (278 oc) pikleri için pik şiddetlerinin ilk yükselmeye başladığı bölgede (~%1520) değerlendirmeler yapıldı. Bu bölgede ısıtma sıcaklık değerleri ve bu sıcaklık değerlerine karşı gelen TL ışıma piki şiddetleri okundu. Hem düşük sıcaklık hem de yüksek sıcaklık pikleri için belirlenen bu şiddet ve sıcaklık değerleri kullanılarak Şekil 3 de verilen ln(i) (1/T) grafikleri oluşturuldu. Her iki TL ışıma piki için deneysel veriler bir doğruya fit edildi. Fit sonucu eğim değerleri kullanılarak her bir pik için tuzaklanmış elektronlar için aktivasyon enerji değerleri belirlendi (Bkz. Tablo 1). Yüksek sıcaklık (278 oc) ve düşük sıcaklık (157 oc) pikleri için aktivasyon enerji değerleri sırası ile 1.24 ev ve 0.79 ev olarak belirlenmiştir C TL ışıma piki için 15 oc çevre sıcaklığında tuzak elektronlarının ısıl ömürleri bulundu (Bkz. Tablo 1). Bu değer, τ = 3.05x103 yıl dır. Bu yöntemle 2780C ışıma piki için bulunan aktivasyon enerji değeri, farklı ısıtma hızı yöntemine göre bulunan değerden ~ 29% daha küçüktür.

22 Tablo ve 278 o C deki TL ışıma pikleri için tuzak parametre değerleri Analiz yöntemi Pik sıcaklığı ( o C) Aktivasyon Enerjisi, E(eV) Frekans faktörü, s(s -1 ) 15 o C deki ısıl ömür, (yıl) Farklı ısıtma hızları yöntemi x x x 10 7 İlk yükselme yöntemi x x x 10 3

23 TL Şiddeti (k.b.) I(D)= I 0 (1-e -(D+JD)/D0 ) 150 JD = Gy 100 JD Doz (Gy) Şekil 4. Jips örneği için C TL ışıma piki için oluşturulan TL doz-cevap eğrisi

24 Doz-cevap eğrisini oluşturmak amacı ile Gy arasında dokuz farklı gama doz değerlerinde ışınlanan jips örnekleri için TL ışıma eğrileri kaydedildi. Her bir doz değeri için kaydedilen TL ışıma eğrileri değerlendirilerek 278 oc da bulunan kararlı TL ışıma pikine ait şiddet değerleri belirlendi. Jips örneğine ait TL doz-cevap eğrisi Şekil 4 de verilmiştir.tl ışıma piki şiddet değerlerinin gama doz değerleri ile arttığı daha sonra doyuma doğru gittiği gözlenmiştir. Deneysel veriler I(D)= I0(1-e-(D+JD)/D0) fonksiyonuna fit edilmiştir. Fit sonucu bulunan JD değeri, eğrinin ekstrapolasyonuyla x-eksenini kestiği değer yani toplam jeolojik doz değeri ( JD = Gy) belirlenmiştir. Bu değer örneklerin kristalleşmesinden günümüze kadar kendi içlerindeki ve çevrelerindeki radyonüklitlerin ( 238U, 232Th, 40K) yayımladığı radyasyonlardan almış oldukları toplam doz değeridir (Bkz. Tablo 2). Jips örnekleri için TL yöntemi kullanılarak bulunan jeolojik doz değerlerinin yıllık doz değerine oranlanması ile jips kristaline ait jeolojik kristallenme yaşları TL Yaş= (39 5) x 103 yıl olarak belirlenmiştir(esr Yaş = (35 4)x103 yıl). ESR ve TL yaşlarının hata sınırları içerisinde uyumlu oldukları görülmektedir.

25 Tablo 2. Jips kristalleri ve bunların etrafından alınan sediment örneğine ait 238 U, 232 Th ve K 2 O içerikleri ve yıllık doz değerleri Örnek 238 U (ppm) 232 Th (ppm) K 2 O (%) Nem oranı (%) İç doz, D I (mgy/yıl) Dış doz, D E (mgy/yıl) Toplam yıllık doz, D=D I +D E Jips Sediment Yıllık doz hesabı Rn kaybı olmadığı farz edilerek yapılmıştır. Hesaplanan dış doz hızı değeri 0.30 mgy/yıl kozmik doz hızını içermektedir.

26 ERDEK TEŞEKKÜRLER

27 g ~ 4.0 g ~ 2.0 Natural g ~ 4.0 g ~ Gy Magnetic Field (mt)

28 Fig. 2 g ~ 2.0 Natural Mn Gy g ~ Magnetic Field (mt)

29 g = g = Natural g = g = Mn 2+ (3) Mn 2+ (4) g = Gy Magnetic Field (mt)

30 ln (k) -4,0 τ = 1/k = k 0-1 exp(e/k B T), -4,5-5,0-5,5 E= 2.1 ev s=4.2 x s -1-6,0-6,5-7,0-7,5 1,14 1,16 1,18 1,20 1,22 1,24 1,26 (1/T) x 10 3 (K -1 )

31 ESR Signal Intensity (a.u.) 20 I (D) = I 0 (1-e -(D+GD)/D 0) GD=67.4 ± 10.1 Gy 5 GD Dose (Gy)