Strahlenschaden-MethodenStrahlenschaden-Methoden

Zusammenfassung mehrerer Zusammenfassung mehrerer verwandter Datierungsmethoden (TL, verwandter Datierungsmethoden (TL, OSL, IRSL, ESR, Spaltspuren, OSL, IRSL, ESR, Spaltspuren, Alpharückstoßspuren)Alpharückstoßspuren)

Beruhen auf Akkumulation von Beruhen auf Akkumulation von Strahlenschäden im Kristallgitter durch Strahlenschäden im Kristallgitter durch ionisierende Strahlung oder durch ionisierende Strahlung oder durch Partikel (Kernfragmente, Partikel (Kernfragmente, -Teilchen) -Teilchen)

Eine einfache Einführung…Eine einfache Einführung…

LumineszenzLumineszenz dosimetrische Datierungsmethode

α βγ

t

OSL - WachstumskurveOSL - Wachstumskurve

DE

Erosion+

Bleichung

Sedimentation+

erneuter Signalaufbau

OSL-Signal

Zeit

Natur

OSL-Signal

Dosis

Labor

Probennahme

OSL – AltersberechnungOSL – Altersberechnung

A [a] = DE (Dosis) [Gy]

D (Dosisrate) [Gy/a]Sedimentation

Beprobung

Zeit

OSL-Signal

Erosion +Bleichung

BedingungenBedingungen 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)

LumineszenzverfahrenLumineszenzverfahrenTechnische UmsetzungTechnische Umsetzung

Optisch stimulierte Lumineszenz

Thermo-lumineszenz

Elektronenspin-Resonanzverfahren

Stimulation erfolgt durch

Erhitzen (Wärme) Licht

System wird „auf Null zurückgesetzt“,

Zerstörende Messung

System bleibt erhalten, zerstörungsfrei

• ungepaarte Elektronen• unkompensierte Eigendrehung (Spin)• magnetisches Moment• Beschuss mit Mirkowellen• Absorption

Lumineszenz- und ESR-VerfahrenLumineszenz- und ESR-VerfahrenAnwendungsbereichAnwendungsbereich

Quelle:http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/11_05_01_Christiane_Rhodius.pdf[10.10.2007]

Lumineszenz – im DetailLumineszenz – im Detail „„Kaltes Leuchten“, einmalige Kaltes Leuchten“, einmalige

Lichtemission zusätzlich zur Lichtemission zusätzlich zur Planck‘schen Strahlung (nicht Planck‘schen Strahlung (nicht zerstörungsfreie Messung!)zerstörungsfreie Messung!)

Je nach Stimulation: TL, OSL, IRSLJe nach Stimulation: TL, OSL, IRSL „„Radiofluoreszenz“ (RF) Radiofluoreszenz“ (RF)

zerstörungsfreizerstörungsfrei

LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen… Alter [a] = Akkum. Dosis [Gy]/ Dosisleistung Alter [a] = Akkum. Dosis [Gy]/ Dosisleistung

[Gy/a][Gy/a]

A. Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Wagner 1998

LumineszenzverfahrenLumineszenzverfahrenAnwendungsbereichAnwendungsbereich

Zeitliche Reichweite: 100 a bis ca. 1 Mio. JahreZeitliche Reichweite: 100 a bis ca. 1 Mio. Jahre

• Probenmaterial: vulkanische Gläser

Letztes Erhitzen

„Optisches Bleichen“ Lichtempfindlichkeit

Zeitpunkt des Erstarrens

Keramik Ziegeln Steingegenstände

fluviale Sedimente äolische Sedimente

MineraltrennungMineraltrennung Gravimetrische Trennung in SandfraktionGravimetrische Trennung in Sandfraktion

In Schluff- und Tonfraktion allenfalls chemische Anreicherung von Quarz, ansonsten poylmineralische Fraktion!

Mejdahl 1985

FeldspatspektrumFeldspatspektrum

0

100

200

300

400

500IR

-OSL

[a.u

.]

Ggfs. spektrale Trennung von Emissionen

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

A. Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…Wer macht sowas?

Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Wagner 1995

Das BändermodellDas Bändermodell

Quelle: Zöller (1995)

……LUM, LUM, GrundlagenGrundlagen

……

Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Hilgers 2007

EnergiebändermodEnergiebändermodellell

Valenzband

LeitungsbandEnergie

IonisierendeStrahlung

Elektronenfallen

Rekombinationszentren Stimulation

Lumineszenz

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

TL-PlateautestTL-Plateautest

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

A. Hilgers 2007

……LUM, LUM, Grundlagen…Grundlagen…

Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

A. Hilgers 2007

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Für Kalifeldspat-Grobkorn:

Für Feinkorn:

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

TL an Sedimenten… TL an Sedimenten…

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

……LUM, Grundlagen…Erhitzte GesteineLUM, Grundlagen…Erhitzte Gesteine

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

Partial heat – Partial heat – Longest plateau Longest plateau (Meerfelder (Meerfelder Maar)Maar)

Zöller et al., submitted

……LUM, LUM, GrundlagenGrundlagen…… „„Fading“Fading“

……LUM, Grundlagen…LUM, Grundlagen…

TL, Anwendung…TL, Anwendung…

TL, Anwendung…TL, Anwendung…

Löss-DatierungLöss-Datierung

Zöller 1995, Zöller & Semmel 2001

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

= s-1 exp (E/kBT) where E is the energy

need-ed 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, AnwendungOSL, Anwendung

Quarz: hohe Stabilität, Quarz: hohe Stabilität, aber geringe aber geringe Sättiguns-dosisSättiguns-dosis

Hilgers 2007

OSL, Anwendung: SAROSL, 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: SAROSL, Anwendung: SAR

Hilgers 2007

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

„RPB“=rapidly bleaching peak; „SBP““=slowly bleaching peak

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

Hilgers 2007

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

Detektion unzureichender BleichungDetektion unzureichender Bleichung< 500 Körner / Aliquot

unzureichend gebleicht

HDS 975

Aliquot #

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

norm

. dos

e

0

1

2

gut gebleicht

HDS 905

Aliquot #

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

norm

. dos

e

0

1

2

v > 10 %Maximum Age

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

OSL, Anwendung:OSL, Anwendung: GlashütteGlashütte

Hilgers 2007

OSL, Anwendung: RosenbergOSL, Anwendung: Rosenberg

Hilgers 2007

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

Hilgers 2007

OSL, AnwendungOSL, Anwendung

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

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

12

34

56

78

910

12

3456789

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24

Abb. J. Lomax

OSL, Anwendung: Linear ModulationOSL, Anwendung: Linear Modulation

Ch. Schmidt, unpubl.

ESRESR

Grün 1989

ESRESR

Wagner 1995

ESRESR

Wagner 1995

ESRESR

Grün 1989

ESRESR

Grün 1989

ESRESR

Grün 1989

ESRESR

Grün 1989

ESRESR

Grün 1989

Grün 1989

ESRESR

Grün 1989

ESR sedimentäre QuarzeESR sedimentäre QuarzeFig. 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-to-arrow), and peak-tobaseline for line 3 (arrow-to-line).Beerten et al.

2008Messung bei 105-100 K!

ESRESR

Inflexion points!

Beerten et al. 2008

ESRESR

Beerten et al. 2008

ESRESR

Beerten et al. 2008

ESR sedimentäre QuarzeESR sedimentäre Quarze

Fazit:Fazit: Hochauflösende ESR-Spektrometrie bei niedrigen T Hochauflösende ESR-Spektrometrie bei niedrigen T

(<110 K) geeignet, hohe Sedimentationsalter von (<110 K) geeignet, hohe Sedimentationsalter von Quarzen zu datieren (ED>1000 Gy)Quarzen zu datieren (ED>1000 Gy)

3 verschiedene g-Linien von Ti-Li- und Ti-H-Zentren3 verschiedene g-Linien von Ti-Li- und Ti-H-Zentren Dosisüberschätzung bei g1 durch Dosisüberschätzung bei g1 durch

Sensitivitätsänderung? Problem mit „inflexion points“.Sensitivitätsänderung? Problem mit „inflexion points“. Dosisunterschätzung bei g3 durch mangelnde Dosisunterschätzung bei g3 durch mangelnde

Stabilität?Stabilität? Weiterer aktueller Forschungsbedarf, aber viel Weiterer aktueller Forschungsbedarf, aber viel

versprechendversprechend