Cirkon újrakristályosodásának vizsgálata kisenergiájú elektronbesugárzás után Váczi Tamás és Lutz Nasdala ELTE Ásványtani Tanszék Bécsi Egyetem Ásványtani és Krisztallográfiai Intézet 7. Téli Ásványtudományi Iskola, Balatonfüred, 2012 1 Terminológia Sugárkárosodás Self irradiation damage: a kémiailag beépülő aktinidák (alfa) bomlása által okozott, természetes károsodás felhalmozódása Beam damage: analitikai vagy egyéb részecskesugár által okozott károsodás 2 1
Természetes sugárkárosodás bomlási láncok kollíziós kaszkád 232 Th 235 U 238 U 208 Pb 207 Pb 206 Pb 6 α esemény 7 α esemény 8 α esemény Si O Zr 92 kev 234 U Heinisch & Weber (2005) α részecske α visszalökődés hasadványtermékek Mozgási energia 4 8 MeV 70 160 kev <100 MeV Átlag úthossz <30 µm <40 nm <10 µm Ponthibák száma néhány 100 elszórva néhány 1000 lokalizált ~50 000 lokalizált Bomlási állandó ( 238 U) 1.6 10 10 /év 8.6 10 17 /év 3 Metamiktesedés Metamiktesedés: kristályos amorf (periodikus aperiodikus) átmenet a természetes sugárkárosodás heterogén felhalmozódása miatt A folyamat során változnak a fizikai és kémiai tulajdonságok: térfogat(bulk, elemi cella), keménység, törésmutatók, kettőstörés stb. oldhatóság, diffúzió hosszútávú rend rövidtávú rend strain a folyamat visszafordítható: annealing Murakami et al. (1991) 4 2
Raman spektrális paraméterek A Raman szórási sávok a spektrális paramétereikkel jellemezhetők. pozíció 1003 cm 1 félértékszélesség (FWHM) intenzitás: magasság/terület 8.2 cm 1 45750 ö.e. 5.93 10 5 ö.e. 5 Raman spektroszkópia: rendezettségi fok Növekvő károsodási szint: intenzitásvesztés kiszélesedés pozícióeltolódás amorf szórás (új csúcsok) dózis (D): 10 18 alfaesemény grammonként U + Th koncentráció U : Th arány kor 6 3
Raman spektroszkópia: rendezettségi fok félértékszélesség csúcspozíció 7 He besugárzás A természetes sugárkárosodás véletlenszerűen elszórva keletkezik az anyagban; az alfa részecskék és a visszalökődés hatásai átfed(het)nek 4 He 2+ ionok analógjai az alfa részecskéknek tandem gyorsító (Dresden Rossendorf): 8.8 MeV He 2+ ionok szintetikus és károsodott cirkonba sárga szín: hibahelyhez kötődő lumineszcens (CL, PL) centrumok 8 4
He besugárzás PL képalkotás: szintetikus ZrSiO 4 He besugárzás után 9 He besugárzás PL és Raman spektrális tulajdonságok és a hibasűrűség korrelálható 10 5
He besugárzás Raman spektroszkópia: sugárkárosodás mérése nincs visszarendeződés 11 Elektronbesugárzás Elektronmikroszondás elemzés közepes energiájú elektronokkal bombázza az anyagot (jellemzően 15 20 kv, akár 200 na árammal) sugárkárosodás? nem mindig! 12 6
Minták A kísérletekhez egy olyan sorozat Sri Lanka i cirkonmintát választottunk, hogy nagyjából egyező közökkel lefedjen egy széles eredeti károsodástartományt. Effektív Minta α dózis [10 18 /g] syn 0 M144 0.86 0.91 M146 1.92 2.03 OR1 2.62 2.92 G4 4.48 4.91 13 Mintaelőkészítés Az elektronsugár (elvileg) nem hagy látható nyomot a felszínen. A vezetőréteget a Ramanmérés előtt eltávolítjuk. A besugárzás helyét fénymikroszkópban kell megtalálni, ezért a felszínre jelzéseket tettünk (FIB, <o.5 µm mély keresztek). 14 7
Besugárzás JEOL JXA 8600 SuperProbe (Miskolci Egyetem), 20 kv gyors. fesz. 500 s 200 s 100 s 50 s 10 s 10 na 50 na 100 na 200 na besug. nélkül 15 Raman térkép HORIBA JobinYvon LabRam HR (ELTE), He Ne lézer (633 nm), 1/3 µm es lépésköz, lyukrekesz 50 µm M144 minta; 200 na 500 s, 100 na 500 s, 100 na 200 s; keresztek 5.6 8.3 16 8
Raman térkép M144 minta; 200 na 500 s, 100 na 500 s, 100 na 200 s; keresztek 5.6 8.3 17 Raman pontmérések Minden minta minden besugárzott pontját min. 3 független méréssel (új pozicionálás) írjuk le. A diagramokon a háttérlevonás után illesztett Gauss+Lorentz görbék félértékszélessége látható. M144 18 9
Raman pontmérések kategóriatengelyeken ábrázolva M144 M146 OR1 G4 19 Raman pontmérések x,y,z tengelyeken, saját z skálán min max M144 M146 OR1 G4 20 10
Raman pontmérések x,y,z tengelyeken, egységes z skálán min max M144 M146 OR1 G4 21 Következtetések a rendezettség növekedése arányos a sugárárammal és a besugárzás idejével rövid időkkel nem vagy alig mérhető változás: szkennelt elektronsugárnak nincs káros hatása cirkonra nagyobb kezdeti károsodással (rendezetlenséggel) nő az elektronsugár által okozott rendeződés mértéke hasonló elektrondózisok hasonló mértékű rendeződést okoznak: az elektronok fékeződése által okozott hőhatásnak nincs hatása a rendezettségre Plešovice zircon, 337 Ma 22 11
Köszönetnyilvánítás Kristály Ferenc (EPMA) Varga Gábor (FIB SEM) Bendő Zsolt, Horváth Péter, Takács Ágnes Szabó Csaba, Havancsák Károly, Zajzon Norbert Pósfai Mihály Baross Gábor Program Közép Magyarországi Régió Kutatásfejlesztési infrastruktúra fejlesztése (REG KM 09 1 2009 0044) A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg (a támogatás száma TÁMOP 4.2.1/B 09/1/KMR 2010 0003). 23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 24 12