Modelling quartz luminescence signal dynamics relevant for dating and dosimetry : Towards a generalised understanding of radiofluorescence signal dynamics

Titelangaben

Friedrich, Johannes:
Modelling quartz luminescence signal dynamics relevant for dating and dosimetry : Towards a generalised understanding of radiofluorescence signal dynamics.
Bayreuth , 2019 . - XXX, 257 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004220

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Abstract

Die Methoden der Thermolumineszenz (TL) und der optisch stimulierten Lumineszenz (OSL) sind mittlerweile etablierte, geowissenschaftliche Werkzeuge und ermöglichen beispielsweise Datierungen archäologischer Artefakte oder quartärer Sedimente. Besonders Quarz eignet sich für diese Anwendungen, da es das zweithäufigste Mineral in der Erdkruste ist. Um das komplexe System der Ladungsträgerbewegungen im Quarzkristall zu verstehen, helfen numerische Simulationen, insbesondere gekoppelte Differentialgleichungen, deren Lösungen die zeitlichen Verläufe von Ladungsträgerkonzentrationen im Kristall beschreiben. Im Jahr 2001 wurde ein umfassendes Modell veröffentlicht, das viele Effekte und Phänomene der Quarzlumineszenz im UV (Ultraviolett) gut beschreibt und Grundlage für viele weitere Veröffentlichungen ist. Nichtsdestotrotz konnte insbesondere das Phänomen der UV-Radiofluoreszenz (UV-RF), der Emission von Photonen im UV während der Wechselwirkung mit ionisierender Strahlung, nicht hinreichend simuliert werden. Die Methode der Radiofluoreszenz bietet jedoch einige Vorteile gegenüber anderen Lumineszenzsignalen, z.B. die Möglichkeit zur direkten Beobachtung temperaturabhängiger Lumineszenzeffekte.
Die vorliegende Arbeit zeigt zum einen grundlegende, experimentelle Untersuchungen zur Quarz UV-RF und zum anderen die qualitative Simulation von UV-RF und möglichst vieler anderer Lumineszenzphänomene. Hierzu wurden bereits publizierte Quarzmodelle und ihre zugehörigen Parameter im Open-Source Softwarewarepaket RLumModel zusammengefasst. Die Handhabung wurde möglichst einfach gehalten, sodass eine Benutzung ohne fortgeschrittene Programmierkenntnisse und physikalisches Hintergrundwissen möglich ist. Das grundlegende Verhalten der UV-RF nach unterschiedlichen Vorheiztemperaturen wurde systematisch untersucht und dabei festgestellt, dass die maximale Signalintensität nach Vorheizen auf 550° C eintritt. Nach Anpassung der Ladungsträgerkonzentrationen in den Modellparametern konnten die experimentellen Ergebnisse erfolgreich simuliert werden.
Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit des UV-RF Signals von der Dosisleistung der Strahlungsquelle erfüllten die theoretisch hergeleiteten Erwartungen, dass die Signalintensität linear mit der Dosisleistung und der Abfall der Signalintensität in den ersten Sekunden linear mit dem Quadrat der Dosisleistung steigt. Dieses Verhalten konnte ebenfalls nach Modifikationen der Modellparameter mit hoher Genauigkeit numerisch abgebildet werden.
In allen numerischen Untersuchungen wurde diagnostiziert, dass die Haupteigenschaften der durchgeführten Experimente mit einem vereinfachten Modell aus drei verschiedenen Energiestufen simuliert werden können. Auf Grundlage dieses Modells konnten analytische Lösungen für die UV-RF Signaldynamik berechnet werden und es wurde dabei festgestellt, dass diese aus der Summe einer exponentiell abklingenden und exponentiell zunehmenden Funktion zusammengesetzt sind. Dieses grundlegende Verhalten lässt sich auch auf andere
Emissionsbänder übertragen und ist nicht auf den UV Bereich beschränkt.
Weitere anwendungsbezogene Ergebnisse liefern die Untersuchungen zu Quenchingmechanismen in Quarz. Radiofluoreszenz bietet die Möglichkeit thermal-quenching in Rekombinationszentren zu beobachten und daraus notwendige Parameter zu berechnen, die wiederum als Grundlage für Simulationen dienen. Ebenso ist es möglich das Phänomen des dosequenching direkter als bisher zu analysieren. Vergleiche mit etablierten Messmethoden für thermal- und dose-quenching zeigen, dass UV-RF Möglichkeiten zum besseren Verständnis von Lumineszenzeffekten in Quarz bietet. Simulationen zu beiden Effekten konnten erfolgreich umgesetzt werden. Darüber hinaus wurden Beobachtungen wie der UV-reversal Effekt mit UV-RF direkter als jemals zuvor untersucht und bekräftigten die Modellvorstellung, dass Vorheizen und UV-Bestrahlung gegensätzliche Ladungsträgerverschiebungen verursachen. Eine Anwendung zur Bestimmung absorbierter ionisierender Strahlung in Quarz mit Hilfe der UV-RF konnte zunächst theoretisch und anschließend auch experimentell gezeigt werden. Mit Hilfe der entwickelten Messmethode wurden absorbierte Dosen von bis
zu ~ 300 Gy mit einer Genauigkeit von ± 10% erfolgreich bestimmt. Die Anwendungen der Methode können von der Quellenkalibrierung, bis hin zur Datierung von zuvor ausgeheizten Materialien, wie z.B. Keramiken, reichen.
Um aus Simulationen Vorhersagen zu generieren (forward modelling), müssen zunächst passende Parameter gefunden werden. Dazu wurden an den bereits vorhanden Parametersets Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um die für das jeweilige Signal einflussreichsten Parameter zu extrahieren. Anschließend wurden diese Parameter so angepasst, dass sie gemessene Lumineszenzsignale möglichst genau abbilden (inverse modelling). Diese Technik wurde auf TL und OSL Signale angewandt. Sensitivitätsanalysen und inverse modelling sind ebenfalls im Softwarewarepaket RLumModel implementiert. Dies hilft z.B. möglicherweise zeitaufwändige Messungen zunächst zu simulieren. Als methodologische Weiterentwicklung werden darüber hinaus erste Überlegungen und Ergebnisse von Monte-Carlo Simulationen für Quarz RF vorgestellt und mit bisher etablierten Methoden verglichen.
Diese Arbeit zeigt, dass das Zusammenspiel von experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen ein umfassenderes Verständnis von Lumineszenz bietet. Darüber hinaus besitzt Radiofluoreszenz an Quarzen ein breites Anwendungsgebiet und liefert wichtige Erkenntnisse über Ladungsträgerbewegungen im Quarzkristall. So sind verschiedene Radiofluoreszenzphänomene mit Hilfe des Bändermodell erklärbar und lassen sich nach einigen Parameteranpassungen nahtlos in bereits vorhandene Modelle integrieren.

Abstract in weiterer Sprache

Thermoluminescence (TL) and optically stimulated luminescence (OSL) are well-established methods in geoscience, e.g., used to date archaeological sites or quaternary sediments. Quartz is well suited for that purpose because it is the second most abundant mineral in Earth’s continental crust. Numerical simulations, especially coupled differential equations, can help to understand the complex system of charge carrier transport in the quartz crystal because the solutions of these differential equations describe the charge carrier movement by time. In 2001 a comprehensive quartz model was published which was able to describe many known effects and phenomena concerning quartz luminescence in the UV spectrum (ultraviolet).
This publication is the foundation of many more published models in recent years. Nevertheless, the luminescence emitted while irradiating quartz with ionising radiation, known as radiofluorescence (RF), was not well implemented in the model, because even basic observations are not reproducible. Radiofluorescence offers some key advantages, e.g., direct and real-time observation of temperature-driven effects on luminescence production.
This thesis presents fundamental experimental UV-RF investigations and the qualitatively successful simulation of RF and other luminescence signals and phenomena. Published quartz models and parameters had been gathered in an open-source software package called RLumModel. The software has been designed for simplicity to allow use without deep knowledge of programming or physical understanding of the model. Fundamental behaviour of UV-RF signals was tested by annealing to different temperatures before UV-RF measurement. The maximum signal intensity was measured after annealing to 550 °C.
Numerical simulations are able to reproduce this characteristic after some modifications of charge carrier concentrations in the model parameters. Further investigations on the dose rate dependence of the UV-RF signal fulfil theoretical findings that the signal intensity is linearlydependent on the dose rate and the slope of the initial UV-RF signal is linearly-dependent on the squared dose rate. Again, after some parameter modifications the numerical simulations are able to mimic this behaviour. It was remarkable that in all numerical investigations a simple three-energy-level model was able to simulate the main characteristics of the observed effects. Due to this, analytical solutions for the UV-RF signal dynamic were derived. The
finding from these analytical solutions is a fitting function for UV-RF signals which is a composite of two exponential functions: an increasing and a decreasing exponential. This behaviour is not restricted to the UV band and can also be transferred to other emission bands. Investigating quenching mechanisms in quartz yield the power of RF for further applications because RF offers the possibility to measure, e.g., thermal-quenching more directly.
With these measurements it is possible to directly calculate thermal quenching parameters which can be implemented in the numerical model. Another phenomenon, called dosequenching, can also be measured more directly. Comparisons with other methods measuring quenching effects show the possibilities of RF as analysis tool in quartz luminescence. Both quenching effects were also simulated and are again in accordance with experimental results. In addition to that, long-known effects such as the UV-reversal were also analysed more directly via UV-RF and confirm the idea of reversibility of annealing and UV illumination. Another application is the determination of absorbed doses with UV-RF, which was first found by numerical simulations. Further experimental data confirm that the new developed measurement protocol is able to recover doses up to ~ 300 Gy with a accuracy of ± 10% with UV-RF. Possible applications of this method range from source calibration to dating of annealed material, e.g., ceramics.
Generating predictions from simulations (forward modelling) needs appropriate parameters. To get these parameters, sensitivity analysis of the used parameter sets was applied to extract parameters influencing the outcome of the simulations most. Subsequently these parameters were adjusted by fitting them to luminescence signals (inverse modelling). This method was applied to TL and OSL signals. Sensitivity analysis and inverse modelling are also included in the software package RLumModel. This will help saving measurement time because users can first simulate their sequences. To develop further methods to calculate RF signals from models, the first ideas and results from Monte-Carlo simulations for quartz RF are presented and compared to established numerical methods.
This thesis shows that the interaction of experiments and simulations offers a comprehensive understanding of luminescence. Furthermore, it has been shown that radiofluorescence of quartz has a wide range of applications and provides important insights into charge carrier distributions in quartz crystals. Different radiofluorescence phenomena can be explained with the energy-band-model and can be implemented seamlessly in existing models by adjusting model parameters.