Spektroskopische Untersuchung ionenbestrahlter Minerale

Die Kristallstruktur von Mineralen kann unter hinreichend intensiver (bzw. hinreichend langer) Einwirkung von Radioaktivität Veränderungen und Schädigungen erfahren, welche z.T. bis zur vollständigen Amorphisierung reichen. Die Strukturschäden im Mineralgitter wirken sich in signifikanten Eigenschaftsänderungen aus, wie erhöhter chemische Reaktivität und Alterierbarkeit, oder Erzeugung neuer bzw. Unterdrückung vorhandener Lumineszenzzentren. Für das Verstehen der grundlegenden Strukturschädigungsprozesse ist eine genauere Quantifizierung der Wirkung korpuskularer Strahlung bedeutsam. Hierfür sollen Mineralpräparate mit Ionen (insb. Schwerionen) mit Energien im MeV-Bereich bestrahlt werden. Entsprechend der Ionen-Eindringtiefen von wenigen Mikrometern sollen hierfür dementsprechend dünne Lamellen verwendet werden, die mit Hilfe der Focused Ion Beam (FIB) -Technik aus Mineral-Einkristallen präpariert werden. Im Rahmen einer Promotion sollen der aus der Bestrahlung resultierende Stress untersucht werden, wobei dies sowohl den durch Punktdefekte und atomare Verzerrungen hervorgerufenen Stress im Nanometerbereich, als auch den durch heterogene Volumenexpansion zonierter Mineralproben hervorgerufenen Stress im Mikrometerbereich umfasst. Aus den schwingungsspektroskopisch detektierbaren Effekten auf die Nahordnung um anionische molekulare Baueinheiten (wie auf PO 4 -Tetraeder in Phosphaten) soll eine Quantifizierung des Strahlenschädigungsgrades unbekannter geologischer Proben abgeleitet werden. Dieses Projekt erfolgt im Rahmen des Initiativkollegs IK052 "Deformation of geological materials" der Universität Wien. Im Rahmen einer zweiten Promotion sollen analoge Effekte auf die Nahordnung von Lanthanoid-Zentren und deren Lumineszenz-Emissionsverhalten untersucht werden. Neben der Überprüfung, inwieweit Lanthanoide als quantitative Sonden des Strahlenschädigungsgrades einsetzbar sind, sollen diese Emissionen auch zur Untersuchung von Phasenübergängen (Schockkompression, Diamantstempelzellen- Experimente) eingesetzt werden. Gemeinsames Ziel beider Doktoratsprojekte ist eine bessere Quantifizierung von Strahlenschädigungsprozessen in Mineralen sowie deren Charakterisierung.

Das Projekt Spektroskopische Untersuchung ionenbestrahlter Minerale war der Untersuchung struktureller Bestrahlungseffekte in Mineralen gewidmet. Dies war motoviert von der Notwendigkeit, Strukturveränderungen und damit einhergehende Eigenschaftsänderungen in Mineralen zu verstehen, welche intensiver und/oder lang andauernder kropuskularer Strahlung ausgesetzt waren.Strahlenschäden in den Mineralen Zirkon (ZrSiO4) und Monazite(Ce) (CePO4) und synthetischen Analoga wurden unter kontrollierten Laborbedingungen durch Gold- Bestrahlung erzeugt. Schwerionenbestrahlung kann als ungefähre Entsprechung der Rückstöße schwerer Tochternuklei nach Aussenden eines Alphapartikels angesehen werden; diese sogenannten Alpharückstöße verursachen den Hauptanteil von Strahlenschäden in natürlichen Mineralen. Unsere Bestrahlungen wurden mit Ionenenergien von 110 MeV durchgeführt. Diese waren notwendig, da Alpharückstöße (60160 keV) nur Reichweiten von einige zehn Nanometer haben, während mit MeV-Ionen Volumina geschädigt werden, die mit modernen konfokalen Spektrometern analysiert werden können. Bei den bestrahlten Proben handelte es sich um ca. 1.5 m dünne Lamellen, hergestellt mittels FIB (focused ion beam) Präparation. Im Rahmen des Projekts wurde eine verbesserte, zeiteffizientere FIB-Präparationsmethode entwickelt. Die experimentellen Arbeiten wurden von Simulationsrechnungen (Monte Carlo) begleitet, um Ioneneindringprofile und Defektdichten abschätzen zu können.Die Ergebnisse haben zu einer verbesserten quantitativen Abschätzung von Bestrahlungseffekten in Mineralen (d.h. wie viele Partikel welcher Energie kreieren welche Defektkonzentration) beigetragen. Es ist nun besser möglich, strahlungsinduzierte Änderungen von mit Nah- und Fernordnungsmethoden gemessenen Parametern mit Schädigungsgraden zu assoziieren. Insbesondere kann die Signalverbreiterung in Raman- und laser-induzierten Photolumineszensspektren (PL) bestimmten Defektkonzentrationen in der Probe (dpa, displacements per atom) zugeordnet werden. Für das Mineral Monazit(Ce), welches trotz seines hohen Th-Gehalts in der Natur noch nie mehr als moderat strahlengeschädigt beobachtet wurde, haben die Bestrahlungen starke Schädigungen bis hin zur Amorphisierung erzugt. Das Vermögen von Monazit(Ce), bei tiefen Temperaturen Strahlenschäden zu akkumulieren, zeigt, dass natürliche Proben generell von thermischer Ausheilung betroffen sein müssen. Dies wiederum trägt zum Verstehen des enorm unterschiedlichen Verhaltens selbstbestrahlter Spezies unter natürlichen Bedingungen bei.Des Weiteren wurde das große Potential der laser-induzierten PL Spektroskopie von Seltenerd-Zentren (rare earth element, REE) für die Untersuchung von (sowohl strahlengeschädigten als auch ungeschädigten) akzessorischen Mineralen in geologischen Proben aufgezeigt. Das spezifische Kristallfeld eines jeden Minerals verursacht spezifische Aufspaltung elektronischer Übergänge. Die resultierenden Emmisionslinien-Muster erlauben Phasenidentifizierung unter der Voraussetzung der Verfügbarkeit einer entsprechenden Datenbank. Es wurden hierfür REE-hältige akzessorische Minerale synthetisiert und die Spektren verfügbar gemacht. Die REE-hältigen Synthesen wurden ebenfalls in die Bestrahlungsexperimente einbezogen. Basierend auf den Ergebnissen konnte REEPL als leistungsfähige Methode, ergänzend zur Ramanspektroskopie, für die Quantifizierung des Strahlenschädigungsgrads und seiner lateralen Verteilung innerhalb von Kristallen akzessorischer Minerale vorgestellt werden. Besonders in Fällen, bei denen Ramanskektroskopie nicht eingesetzt werden kann (zu geringe Parameteränderungen oder zu hoher Lumineszenz-Untergrund) dürfte REEPL sich zu einer etablierten Methode in der quantitativen Untersuchung von Strahlenschädigungsphänomenen entwickeln.