On step-etching and ambient temperature annealing of apatite fission tracks
Apatit fisyon izlerinin kademeli asitlenmesi ve ortam sıcaklığında tavlanması üzerine
- Tez No: 872689
- Danışmanlar: PROF. DR. RİCHARD KETCHAM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Jeoloji Mühendisliği, Geological Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The Unıversıty Of Texas At Austın
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Jeoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Genel Jeoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Apatit fisyon izi tarihleme ve termal geçmiş ters modelleme, tipik olarak ≲ 110 ̊C sıcaklıklarda jeolojik zaman ölçeklerinde kayaların termal evrimini ortaya çıkarmak ve anlamak için yararlı bir yöntemdir. 238U'un kendiliğinden bozulması, zaman içinde uranyum içeren minerallerde fosil izleri oluşturur. Fosil izler, daha sonra kısalma olarak deneyimledikleri sıcaklıkları yansıtır (buradan itibaren tavlama olarak adlandırılır). İzlerin optik mikroskoplar altında gözlemlenebilmesi için önce belirli bir süre, sıcaklık ve asitleme molaritesi kullanılarak asitlenmesi gerekir. Fosil izlerinin tavlama kinetiği ve asitleme özelliklerinin anlaşılmasıyla, uzunlukların kısalması ters modeller kullanılarak nicel olarak yorumlanabilir. Bununla birlikte, herhangi bir fosil izi jeolojik süreçler boyunca çeşitli sıcaklıklara maruz kalmış olabileceğinden, bilinmeyen tavlama oranı, bilinen tavlanmamış bir vekil ile karşılaştırılmalıdır. İndüklenmiş izler, nükleer reaktörlerde 235U termal nötron ışınlamaları ile üretilir. Kristal kafese kayıt anından asitlemeye kadar, indüklenmiş izler yalnızca ortam sıcaklıkları, genellikle tavlanmamış izler olarak kabul edilir. Laboratuvar tavlama sıcaklığı ve zaman ölçeklerinde elde edilen indüklenmiş izlerin uzunluk azalma oranları, belirli koşullar altında dağlanmış tavlanmamış bir indüklenmiş iz veri setinin ölçülen ortalama iz uzunluğu için uzunluk azalma derecesini tahmin etmek için jeolojik zaman ölçeklerine ekstrapole edilir. Ekstrapolasyonlar, laboratuvar ve jeolojik zaman ölçekleri boyunca tavlamanın ve indüklenmiş ve fosil izlerin asitleme özelliklerinin aynı olduğu varsayımına dayanmaktadır. Bilimsel bir yargı ile yaklaşarak, geleneksel deneysel prosedürlerin ve temel varsayımların gerekçelerine odaklanmaktayım. Bu tezin üç bölümüne karşılık gelen aşağıdaki üç paragrafta, temel fikirlerin nasıl üretildiğini, deneylerin neden yapıldığını, nasıl tasarlandığını ve bunların başlıca sonuç ve çıkarımlarını açıklıyorum. Ortalama tavlanmamış indüklenmiş iz uzunlukları, fisyon izi termokronolojisi için kritik önem taşır, çünkü bunlar kısaltılmış tüm izlerin tavlama oranlarını belirleyen göstergelerdir. Oda sıcaklığına (~21 ̊C) maruz kalmak, önceki çalışmalarda bildirildiği gibi, indüklenmiş izlerin kısalmasına neden olur. Yaklaşık 2 ila 44 yıl önce ışınlanmış ve o zamandan beri oda sıcaklığına maruz kalmış indüklenmiş izler üzerinde yapılan iz uzunluğu ölçümleri, üç farklı apatit türünde uzun zaman ölçeklerinde artan zamanla birlikte ortalama iz uzunluklarının kademeli olarak azalmasıyla (~0.22 μm'ye kadar) sonuçlanmaktadır. Yakın zamanda yapılan laboratuvarlar arası kalibrasyon çalışmaları, farklı laboratuvarların aynı asitleme protokollerini kullansalar bile aynı numunelerden farklı iz uzunluğu sonuçları rapor ettiklerini göstermektedir. Örneklerimizi iki kisima böldük ve en yaygın iki standart dağlama protokolüyle dağladık (5.0 M HNO3, 20s, 21 ̊C ve 5.5 M HNO3, 20s, 21 ̊C). Diğer tüm olası deneysel ve enstrümantal farklılıkları ortadan kaldıran iki analist, her iki numune setinden yakalanan görüntülerde iki farklı yöntemle tam olarak aynı iz uzunluklarını ölçmüştür. Sonuçlar, analistlerin izler üzerinde daha az anlaşmaya sahip olduğunu göstermektedir. Belirsiz iz uçları nedeniyle 5.0 M HNO3 ile asitlendirilen uzunluk ölçümleri, bir düzeyde eksik asitleme olduğunu göstermektedir. Analistler (Austin Texas Üniversitesinden Murat Tamer ve Melbourne Üniversitesinden Ling Chung) birbirlerinin izlerini 3109 izden ~%14 oranında reddetmektedir. Her iki numune üzerinde yapılan ilave 5s asitleme işlemi, 5.0 M HNO3 iz uzunluklarındaki artışın, 5.5 M HNO3 protokolüile asitlenen izlerden çok daha yüksek olduğunu göstererek, birincisinin yetersiz asitlenmiş olma ihtimalinin daha yüksek olduğu iddiasını desteklemektedir. Son olarak, değişken iz asitleme hızları ile yeni bir iz asitleme modeli önerilmiştir. On yıllar boyunca ortam sıcaklığında tavlama bulgusu, deneysel tasarımları iyileştirme ve termal nötron ışınlamasından hemen sonra izlerin saniyelerden aylara kadar bir ölçekte asitlenmesi gibi kısa zaman ölçeklerinde ortam sıcaklığında tavlamayı izleyen önceki bir çalışmayı yeniden yapma fikrine yol açtı. İyileştirmeler arasında daha fazla numune alikotu, standart bir protokol kullanılarak izlenen asitleme prosedürükalitesi, nötron ışınlamasından önce Cf ışınlaması yoluyla 37 saniyeye kadar genişletilmiş veri aralığı ve apatit türlerinin seçimi yer alıyordu. Bu yeni sonuçlar, Bölüm 1'deki ortam sıcaklığında tavlama sonuçlarıyla birleştirildi ve ilginç keşiflere yol açtı. İzler, tavlamanın ilk aşamalarında (yaklaşık birkaç haftaya kadar) çok daha hızlı bir şekilde tavlanmakta ve ardından oranlar çok daha yavaş bir orana düşmektedir. Bu, erken ve geç zamanlar için fisyon izlerinin iki farklı tavlama mekanizmasına işaret etmektedir. Tavlama hızındaki düşüşün derecesi apatit türüne göre değişmektedir. İndüklenmiş izlerin laboratuvar tavlama ölçekleri, indüklenmiş izlerin jeolojik zaman ölçeklerine ekstrapolasyon kalitesini belirleyen faktörlerden biridir. Bölüm 1'deki veriler, indüklenmiş iz tavlama ölçeklerini ortam sıcaklığında 21 °C sıcaklığa ve ~44 yıla kadar genişletmektedir. Bölüm 2, zaman ölçeklerini 37 saniyeye kadar genişletmiştir. Yeni ortam sıcaklığı veri seti, yeni tavlama ölçekleri sağlamak için literatürdeki yüksek sıcaklık tavlama verileri ile birleştirilmiştir. Genişletilmiş sınırlar (37s - 32 yıl zaman ve 21 °C sıcaklık) tavlama penceresi ve birleştirilmiş veri seti tavlama denkleminde bir gelişme sağlamıştır. Şirket içi bir yazılım tarafından işletilen bir mikroskoba bağlı otomatikleştirilmiş sahne gibi gelişmiş modern fisyon izi ölçüm cihazlarının mevcudiyeti ve fisyon izlerinin temellerinin anlaşılması, Freiberg'deki Bergakademie Teknik Üniversitesinde yüksek lisans tezim için artan asitleme süresiyle ortalama iz uzunluğu artışını incelememe olanak sağladı ve bunların çoğu daha sonra yayınlandı. Tez, uzunluk ölçümleri her asitleme adımında tam olarak aynı iz uzunlukları üzerinde, yazılımla çalıştırılan motorlu bir aşama tarafından koordinasyonları kaydedilerek gerçekleştirilirse, uzunluk artışının iz uzunluğu boyunca sürekli bir ilerleme olduğunu ve hem fosil hem de indüklenmiş izler için 20 saniyede durmadığını gösterdi. Bu sonuçlar, önceki adım-asitleme sonuçları ve maksimum asitlenebilirlik uzunluk kavramıyla çelişmekte ve standart asitleme protokolünün 20 saniyelik asitleme süresini şüpheli bırakmaktadır. Yüksek lisans tezimde kullanılan kademeli asitleme deneylerinin daha erken (10s) asitleme süresi ve veri değerlendirme kriterleri gibi geliştirilmiş bir tasarımla, Bölüm 3'teki çalışma, benzerlikleri görmek için tavlanmış indüklenmiş izlerin eksik kademeli asitleme verilerini tavlanmamış indüklenmiş ve fosil iz verileriyle karşılaştırmaya katkıda bulunmuştur. Asitleme-tavlama-asitleme deneyleri sayesinde, verilen apatit türlerinde izlerin yığın asitleme hızı belirlenmiş ve ilk nicel iz asitleme modeli oluşturulmuştur. Sonuçlar, hem tavlanmamış indüklenmiş hem de fosil izler için mevcut standart asitleme prosedürünün, modellenen maksimum asitleme uzunluklardan ~1.0 μm daha düşük uzunluklar sağladığını göstermektedir. Diğer ilginçkeşif ise, iz asitleme işleminin 10'lardan itibaren izlenmesi durumunda, bireysel izlerin etkili asitleme sürelerinin değişkenliğini azalttığı ve daha benzer uzunluk popülasyonları sağladığıdır. Asitlemenin 20'ler yerine 10'larda daha erken başlaması model sonuçlarını da doğrudan etkilemektedir. Sonuç olarak 20s'lik asitleme süresi, yetersiz asitleme ve asitleme içeren iki önemli soruna neden olur farklı iz asitleme süreleri popülasyonlarına sahip izler. Bu durum, gelecekte yapılacak bir dizi deneyle önerilebilecek yeni bir standart asitleme modelinin gerekliliğini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Apatite fission track dating and thermal history inverse modeling is a useful method to reveal and understand the thermal evolution of rocks over geological time scales at temperatures typically ≲ 110 ̊C. Spontaneous decay of 238U creates fossil tracks in uranium-bearing minerals through the time. The fossil tracks reflect the temperatures they subsequently experience as shortening (called annealing from here on). Tracks must be first etched using a given duration, temperature and etchant molarity, to allow them to be observed under optical microscopes. Through understanding the annealing kinetics and etching characteristics of fossil tracks, the shortening of lengths can be quantitatively interpreted using inverse models. However, since any fossil track may have experienced various temperatures through geological times, the unknown rate of annealing must be benchmarked to a known unannealed proxy. Induced tracks are generated by thermal neutron irradiations of 235U in nuclear reactors. From the moment of registration in the crystal lattice until etching, the induced tracks are exposed only to ambient temperatures, which are generally accepted as unannealed tracks. The annealing and length reduction rates of the induced tracks acquired at laboratory annealing temperature and time scales are extrapolated to geological time scales to estimate the degree of length reduction for a measured mean track length of an unannealed induced track data set that is etched under certain conditions. The extrapolations lie on the assumption that annealing through laboratory and geological time scales and etching properties of induced and fossil tracks are identical. Approaching with a scientific judgement, I have been focusing on the reasoning of conventional experimental procedures and fundamental assumptions. In the three paragraphs below corresponding to three chapters of this dissertation, I explain how the core ideas were produced, why the experiments were carried out, how they were designed and their major results and conclusions. The mean unannealed induced track lengths carry critical importance for fission track thermochronology, as they are proxies that determine the annealing rates of all shortened tracks. Experiencing room temperatures (~21 ̊C) results in shortening of induced tracks, as reported in previous studies. Track length measurements on induced tracks that are irradiated over ~2 to ~44 years ago, and have been experiencing room temperatures since then, result in gradual decrease (up to ~0.22 μm) of mean track lengths with increasing time over long time scales in three different apatite species. Recent inter- lab calibration studies show that different labs report different track length results from the same samples, even when they use the same etching protocols. We divided our samples into two aliquots and etched them with two most common standard etching protocols (5.0 M HNO3, 20s, 21 ̊C and 5.5 M HNO3, 20s, 21 ̊C). Eliminating all other possible experimental and instrumental differences, two analysts measured the exact same track lengths on captured images from both sets of samples with two different etching procedures. The results show that the analysts have less agreement on the tracks length measurements that etched with 5.0 M HNO3 due to their ambiguous track ends, indicating a level of under-etching. The analysts (Murat Tamer at University of Texas at Austin and Ling Chung at University of Melbourne) reject each other's tracks by ~%14 from 3109 tracks. An additional 5s etching on both of samples show that the increase of 5.0M HNO3 track lengths is much higher than the tracks etched with 5.5M HNO3 protocol, supporting the contention that the former were more likely to be under-etched. Finally a new track etch model is proposed with variable track etching velocities. The finding of ambient-temperature annealing over decadal times led to the idea to improve experimental designs and redo a previous study that monitors ambient- temperature annealing at short time scales, such as etching the tracks right after thermal neutron irradiation from a scale from seconds to months. Improvements included more aliquots of samples, monitored etching procedure quality using a standard protocol, extended data range to as early as 37s through Cf irradiation prior neutron irradiation, and selection of apatite species. These new results are combined with the ambient-temperature annealing results from Chapter 1 and led to interesting discoveries. The tracks anneal at a much faster rate in the early stages of annealing (around up to few weeks) after which the rates decrease to a much slower rate. This indicates two different annealing mechanisms of fission tracks for early and late times. The degree of the annealing rate decrease varies with the apatite species. The laboratory annealing scales of induced tracks are one of the factors that determine the extrapolation quality of induced tracks to the geological time scales. The data of Chapter 1 extends the induced track annealing scales to the ambient-temperatures 21 °C in temperature and to ~44 years. Chapter 2 extended the time scales down to 37s. The new ambient-temperature data set is combined with literature high-temperature annealing data to provide new annealing equations. The extended limits (37s – 32 years in time and 21 °C in temperature) of the annealing window and the combined data set provided an improvement on the annealing equation. The availability of advanced modern fission track measurement instruments such as automatized stage connected to a microscope that is operated by an in-house software and understanding of fundamentals of fission tracks allowed me to study the mean track length increase with increasing etching time for my Master's thesis at Technische Univesitaet and Bergakademie Freiberg, much of which was later published. The thesis showed that the length increase is a continuous progress along the track length and does not stop at 20s for both fossil and induced tracks, if the length measurements are carried out on the exact same track lengths in each etch step by recording their coordination by a motorized stage operated with software. These results contradicted previous step-etch results and the concept of maximum etchable length and leaves the 20s etching duration of the standard etching protocol in suspicion. With an improved design such as earlier (10s) etching time and data evaluation criteria of the step-etch experiments employed in my master thesis, the study in Chapter 3 contributed the lacking step-etching data of annealed induced tracks to compare with the unannealed induced and fossil track data to see similarities. Through etch-anneal-etch experiments, the bulk etching velocity of tracks are established in the given apatite species and the first quantitative track etch model is established. The results indicate that for both unannealed induced and fossil tracks the current standard etching procedure provides ~1.0 μm lower lengths than the modelled maximum etchable lengths. The other interesting discovery is that if the track etching is monitored from 10s, it reduces the variability of the effective etch times of individual tracks and provides more similar populations of lengths. An earlier start of etching at 10s rather than 20s directly affects the model results as well. In conclusion, the etching duration of 20s causes two major problems by insufficient etching and containing tracks with different populations of track etch times. This leads us to suggest the necessity of a new standard etch model, which can be proposed with some series of future experiments.
Benzer Tezler
- P-galyum arsenür (GaAs)/anodik izolasyon filmlerin arayüzey özelliklerinin incelenmesi
Investigation of interface properties in p-gallium arsenide (GaAs)/anodic insulator films
HAYRETTİN YÜZER
- Influence of substrate and environmental conditions on nanoscale patterning of graphene via local anodic oxidation
Alttaşın ve çevresel koşulların lokal anodik oksidasyon aracılığıyla grafen üzerine yapılan nano-desenlemeye etkisi
YAREN SEZEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR ERGEN
- Grafen esaslı kompozit kaplamaların korozyon ve aşınma özellikleri
Corrosion and wear properties of graphene based composite coatings
KUBİLAY KILIÇÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET UYSAL
- Otomotiv sektörü için AI-Si-Fe-x alaşımlarının geliştirilmesi
Başlık çevirisi yok
NECİP ÜNLÜ
Doktora
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİYAZİ ERUSLU
- Investigation of the catalytic performance of tin nanowires produced by aluminum anodic oxide template method for electrochemical CO2 reduction
Alüminyum anodik oksit şablon yöntemiyle üretilen kalay nanotellerin elektrokimyasal CO2 redüksiyonuna yönelik katalitik performansinin i̇ncelenmesi
DİLAN ER GÖNÜL
Doktora
İngilizce
2023
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN