ANÁLISE DA LUMINESCÊNCIA OPTICAMENTE ESTIMULADA (LOE) DO FELSDSPATO

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1 ANÁLISE DA LUMINESCÊNCIA OPTICAMENTE ESTIMULADA (LOE) DO FELSDSPATO Camila F. Santos*, Davinson M. Silva*, José Francisco S. Bitencourt*, Paulo H. Silva*, Sonia H. Tatumi** * Aluno de graduação do curso de Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos (MPCE FATEC-SP). ** Professor Pleno da FATEC-SP, PhD em ciências pelo IFUSP. Resumo O presente trabalho tem como objetivo estudar a Luminescência Opticamente Estimulada do feldspato. Os cristais de feldspato pertencem ao grupo de aluminossilicatos de potássio (feldspatos alcalinos) e de sódio e cálcio (plagioclásios), que constituem 6% da crosta terrestre e entram na composição dos principais tipos de rocha [1]. Esses cristais são amplamente usados na datação por LOE, desta forma existe um grande interesse no estudo do comportamento da LOE emitida por esses cristais quando o mesmo sofre a incidência de radiações ionizantes. O resultado do presente estudo será usado para aperfeiçoar a metodologia da datação por LOE. Introdução Quando cristais antigos são excitados por uma eletromagnética, com comprimento de onda previamente estabelecido, os cristais podem emitir onda eletromagnética em outros comprimentos de onda. Esta luminescência é chamada de Luminescência Opticamente Estimulada (LOE). O fenômeno da LOE pode ser explicado através da teoria de bandas para os sólidos da Física do Estado Sólido. Ao receber energia da radiação ionizante (ver Figura 1), um elétron situado na banda de valência (estado fundamental) pode passar para a banda de condução (estado excitado), e permanecer nela durante um curto período de tempo. Este elétron pode voltar para a banda de valência, ou ser aprisionado nos defeitos existentes na estrutura cristalina dos materiais, armadilhas, que estão localizadas na banda proibida ou band gap. Radiação ionizante Quando os cristais são excitados opticamente, o elétron pode receber energia suficiente para sair da armadilha e alcançar a banda de condução, posteriormente ele pode se recombinar com uma lacuna. (Figura 2). h E F Banda de Condução Banda de Valência Figura 1 Processo de ionização de um cristal. Banda de Condução Banda de Valência LOE Figura 2 Processo de emissão de LOE do feldspato Esses centros de armadilhamento localizam-se a diferentes distâncias da banda de condução e por isso possuem diferentes energias de ativação, cada uma relacionada a um comprimento de onda específico. Como visto no modelo de bandas de energia, somente materiais isolantes e semicondutores podem apresentar luminescência, já que materiais metálicos não possuem sua banda de valência completa, ou esta se confunde com a banda de condução. E F Elétrons Lacunas

2 O material luminescente recebe a energia necessária para tirar os elétrons da banda de valência devido à radiação ionizante proveniente do tório-232, urânio-235/238, e potássio-4, além dos raios cósmicos e do rubídio-87 em menor escala. Esta dose acumulada naturalmente ao longo dos anos é a chamada dose natural ou paleodose. Podese também irradiar a amostra artificialmente, induzindo nela uma LOE artificial. A Figura 3 mostra uma curva de decaimento típica do feldspato, neste caso a amostra foi excitada com radiação infra-vermelha (862 nm) e a excitando as amostras com diodo de comprimento de onda de 862 nm. Feldspato Negro Feldspato Banco Feldspato Rosa Figura 4 Amostras de feldspato utilizadas 16 Luminescência LOE foi medida ultra-violeta. com o filtro de transmissão O fenômeno é amplamente utilizado para a datação de sedimentos e determinação de suas características, como origem, defeitos cristalinos, estudo da cinética das cargas envolvidas no processo de emissão luminescente. Materiais e Métodos tempo (s) Figura 3 Aspecto de uma curva característica de LOE de feldspato. As amostras de feldspato coletadas de jazidas do Estado do Rio Grande do Norte e do Paraná (Figura 4) foram moídas e selecionouse os grãos com diâmetro entre 88 µm e 18 µm. Elas foram submetidas a um tratamento químico com HCl (1%) durante 15 minutos. Para as medidas de LOE, foi utilizado Sistema de TL/OSL, Modelo 11-Series da Daybreak Nuclear and Medical Systems Incorporated com o filtro óptico de detecção Schott U-34, Parte das amostras foi irradiada, após passarem por um tratamento térmico de 48 ºC durante 1 minutos para zerar sua TL natural. As doses foram: 5, 1, 2, 5, 1, 15, 2, 3, 5 e 1Gy. Todas as irradiações-?dforam realizadas com a fonte de Cobalto-6, nos laboratórios do IPEN-CNEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares Comissão Nacional de Energia Nuclear). Para as medidas de LOE, foram usadas as amostras naturais e as irradiadas artificialmente. Resultados e Discussão As figuras 5, 6 e 7 mostram curvas de decaimento da LOE da amostra feldspato negro. Para cada dose foram medidas quatro amostras. As curvas foram integradas numericamente para que tivéssemos a contagem de fótons em cada amostra e os resultados obtidos estão listados na Tabela 1. As Figuras 8 e 9 mostram os dados da Tabela 1, isto é, a curva de Luminescência x Dose para baixas e altas doses respectivamente. Podemos observar pelas Figuras 8 e 9 que o crescimento foi praticamente linear, ocorrendo uma variação nos parâmetros das equações que ajustaram os pontos. As Figuras 1, 11 e 12 mostram o decaimento da LOE para a amostra Feldspato Rosa. Comparando com as curvas obtidas com o Feldspato Negro, podemos observar que este

3 teve uma luminescência 4,3 vezes superior ao Feldspato Rosa. Analogamente ao procedimento adotado na amostra anterior, encontramos as curvas de Luminescência x Dose para o Feldspato Rosa que estão mostradas nas Figuras 13 e 14. Novamente observamos um crescimento linear com um aumento na sua inclinação para altas doses. As Figuras 15, 16 e 17 mostram as curvas de decaimento da LOE para o Feldspato Branco e o gráfico da Luminescência em função da Dose (Figuras 18 e 19) também forneceram um comportamento linear com aumento na sua taxa de crescimento para altas doses. Feldspato Negro Curvas obtidas nas medidas de LOE Gy 5 Gy 1 Gy Figura 7 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Branco irradiadas com 3, 5, 1 Gy Gy 1 Gy 2 Gy Figura 5 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Negro irradiadas com 5, 1 e 2 Gy.. Gráficos da Luminescência em função da dose Tabela 1 Dados da contagem de fótons em função da dose Dose Amostra Amostra Amostra Amostra Desvio Média (Gy) 1(*) 2(*) 3(*) 4(*) Padrão Natural 67834, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,193 1,1E+6 1,16E , ,8 15 1,47E+6 1,88E+6 1,98E+6 1,44E , ,69E+6 3,1E+6 2,57E+6 2,75E , ,42E+6 4,18E+6 3,75E+6 3,75E , ,58E+6 8,6E+6 7,56E ,61E+7 1,78E+7 1,47E+7 1,48E , Doses baixas y = 117x Gy 1 Gy 15 Gy 2 Gy Figura 6 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Negro irradiadas com 5, 1, 15 e 2 Gy Figura 8 Pontos experimentais da contagem de fótons em função da dose para doses baixas e a sua curva de ajuste.

4 2 Doses altas y = 1671x Gy 3 Gy 5 Gy 1 Gy Figura 9 Pontos experimentais da contagem de fótons em Feldspato Rosa Curvas obtidas nas medidas de LOE L OE(contagens/s) Gy 1 Gy 2 Gy Figura 1 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Rosa irradiadas com 5, 1 e 2 Gy.. 5 Gy 1 Gy 15 Gy Figura 12 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Rosa irradiadas com 2, 3, 5 e 1 Gy.. Gráficos da Luminescência em função da dose Tabela 2 Dados da contagem de fótons em função da dose Dose Amostra Amostra Amostra Amostra Desvio Média (Gy) 1(*) 2(*) 3(*) 4(*) Padrão Natural 41366, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,285 1,3E+6 1,5E+6 1,3E , ,89 3 1,24E ,935 1,39E+6 1,23E , , ,1E+6 1,89E+6 1,85E+6 1,85E , ,47E+6 3,89E+6 3,73E+6 3,84E ,687 Doses baixas y =386,4x , Figura 7 Pontos experimentais da contagem de fótons em Figura 13 Pontos experimentais da contagem de fótons em função da dose para doses baixas e a sua curva de ajuste Figura 11 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Rosa irradiadas com 5, 1 e 15 Gy..

5 Doses altas y = 3569,4x Figura 14 Pontos experimentais da contagem de fótons em Feldspato Branco LOE (contagens/s) Curvas obtidas nas medidas de LOE Figura 15 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Branco irradiadas com 5, 1 e 2 Gy tempo (s) 5 Gy 1 Gy 2Gy 5 Gy 1 Gy 15 Gy Gy 3 Gy 5 Gy 1 Gy Figura 17 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Branco irradiadas com 2, 3, 5 e 1 Gy.. Gráficos da Luminescência em função da dose Tabela 3 Dados da contagem de fótons em função da dose Dose Amostra Amostra Amostra Amostra Desvio Média (Gy) 1(*) 2(*) 3(*) 4(*) Padrão Natural 977, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,585 43, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,33E+6 1,74E+6 1,22E , , , ,3E+6 3,55E+6 3,35E+6 3,65E ,2493 Luminescência(contagem de fótons) Feldspato Branco (Baixas doses) y= 2175,7x+ 281, Dose (Gy) Figura 18 Pontos experimentais da contagem de fótons em função da dose para doses baixas e a sua curva de ajuste Figura 16 Gráfico das medidas de LOE feitas para as amostras de Feldspato Branco irradiadas com 5, 1 e 15 Gy..

6 Luminescência(contagem de fótons) Feldspato Branco (Altas doses) y = 3492,5x novos centros de armadilhamento de elétrons e lacunas na rede cristalina. Assim, enquanto que amostras com baixas doses têm seus defeitos praticamente inalterados, as que receberam doses mais altas podem apresentar aumento na taxa de crescimento de luminescência, devido ao maior número de defeitos que foram criados pela radiação ionizante. Agradecimentos Conclusões Dose (Gy) Figura 19 Pontos experimentais da contagem de fótons em Com os resultados obtidos das curvas de decaimento da LOE de três amostras de feldspato diferentes, observa-se que a intensidade de luminescência aumenta com a dose de radiação ionizante de forma linear, com aumento na sua taxa de crescimento para doses superiores a 1 Gy. Também se conclui que é necessário considerar a intensidade de sua luminescência sua em duas partes: uma para doses baixas e outra para doses altas, para se obter um ajuste mais preciso. Isto ocorre porque quando a dose é muito alta, esta cria Ao IPEN-CNEN pela irradiações das amostras e ao Prof. Francisco Hilário R. Bezerra, UFRN por ter cedido as amostras. Bibliografia [1] S. Kenitiro, Dicionário de Geologia Sedimentar e áreas afins, Bertrand Brasil, 1998 [2] M. J. Aitken, Thermoluminescence Dating, Academic Press, [2] M. J. Aitken, An Introduction to Optical Dating, Oxford University Press, [3] S.W.S. McKeever, Termoluminescence of solids, Cambridge University Press,1985.