Datación de sedimentos y evaluación de tasas de sedimentación mediante análisis de isótopos radiactivos

50 %
50 %
Information about Datación de sedimentos y evaluación de tasas de sedimentación mediante...

Published on December 10, 2016

Author: albertofernndezgarca4

Source: slideshare.net

1. Datación de sedimentos y evaluación de tasas de sedimentación mediante el análisis de isótopos radiactivos de origen natural y artificial usados como trazadores Máster en Física y Tecnologías Físicas Autor: Alberto Fernández García Director: José Gómez Arozamena

2. Introducción  Detectores de estado sólido Calibración en energía y en eficiencia del detector HPGe  Espectroscopía gamma  Cálculo de actividad  210Pb como trazador de procesos ambientales Datación y cálculo de las tasas de acumulación Validación con 137Cs  Aporte con perfiles de metales pesados

3. Detectores de estado sólido  Propiedades físicas del semiconductor  Acción de la radiación ionizante en los semiconductores  Semiconductores como detectores de radiación  Características operacionales

4. Aspectos físicos del semiconductor  Los materiales semiconductores son aquellos que presentan bandas de energía para los electrones existentes.  La banda de valencia y la de conducción presentan huecos y electrones libres, los cuales contribuyen a la conductividad eléctrica del cristal.  A temperatura superior a 0 K la energía térmica es compartida por los electrones del cristal  La velocidad de deriva satura con el campo eléctrico con valor de 107 cm/s, conlleva un tiempo de recolección de 10 ns dadas las dimensiones del cristal.

5. Radiación ionizante en semiconductores  El paso de una partícula por el cristal semiconductor crea pares electrón-hueco.  Energía de ionización es del orden de 3 eV, en la creación de un par ion-electrón se necesitan 30 eV.  Existen diferencias en la energía de ionización del orden del 2% dependiendo de la partícula.

6. Semiconductores como detectores  Diodo de unión p-n es el dispositivo electrónico utilizado como detector propiamente dicho.  La región de agotamiento es la parte del cristal donde tiene lugar la interacción partícula material semiconductor.  La anchura de la región de agotamiento depende fuertemente de la pureza del materia.

7. Características operacionales  Uno de los problemas implícitos de un detector de estado sólido es la corriente de fuga, del orden del μA. I. Los portadores minoritarios son capaces de atravesar la union p-n. II. La generación térmica de pares electrón-hueco aumenta con la temperatura.  Las fluctuaciones en la corriente de fuga generan ruido en el detector. Su enfriamiento mitiga la componente volumétrica, no así la superficial inherente al detector.

8. Detector HPGe  Consideraciones generales  Configuración del detector de germanio  Características operacionales de los detectores de germanio

9. Generalidades  La pureza del material se consigue con técnicas de refinado, hasta alcanzar un nivel de impurezas de 1010 átomos/cm3, implica una zona de agotamiento de 1 cm.  Otra técnica sería el dopado compensado mediante Li, dando al cristal cualidad intrínseca. Detectores de Ge(Li) están en desuso ya que conlleva enfriamiento de la habitación.  El 10% de la producción mundial de germanio es usada en instrumentación nuclear.

10. Configuración del HPGe  Hay 2 tipos de disposiciones geométricas en los cristales utilizados: La planar y la coaxial.  Utilizamos la coaxial ya que conlleva un volumen activo mayor (≈ 400 cm3), el cual es necesario para medir en espectroscopía γ, dada las bajas actividades presentes.

11.  La capa muerta es producida por los contactos que transmiten el campo eléctrico al cristal, la atenuación es despreciable, excepto para rayos γ de baja energía.  Campo eléctrico radial del detector coaxial.  Capacitancia por unidad de longitud. C→0 r1 →0

12. Características operacionales  La característica dominante de los detectores de germanio respecto a otro tipo de detectores es su excelente resolución energética.  La resolución en energía se define como la anchura a media altura del fotopico (FWHM).  Depende de 3 factores: La estadística inherente a la dispersión de los pares producidos, las variaciones en la eficiencia de recolección y el error de la electrónica asociada.

13.  A bajas energías el ruido electrónico es predominante en la FWHM.  A altas energías es la eficiencia en la recolección de carga la que domina.  El tamaño del cristal va directamente relacionado con la FWHM. I. A menor tamaño Menor capacitancia Menor ruido. II. A menor tamaño Menor recombinación y menor pérdida por trampas electrónicas.

14. Espectroscopía gamma  Detector de germanio versus detector de centelleo Calibración en energía  Calibración en eficiencia  Cálculo de la actividad

15. Semiconductor versus centelleo  En espectroscopía γ son dos los posibles tipos de detectores a utilizar, o bien el detector de germanio, o el de centelleo como por ejemplo el NaI(Tl).  Tiempo de medida marca la elección de uno u otro detector. I. Eficiencia de conteo Detector de centelleo II. Resolución energética HPGe

16. Espectro tipo de radiación incidente

17. Calibración en energía  La calibración en energía del detector tiene como objetivo la asignación de cada canal a una energía dada.  Geometría, masa y densidad son las variables a tener en cuenta para reproducir la medida en la calibración.  Efectos de desplazamiento: I. Hay una correlación entre la dirección de los rayos γ y la dirección de los electrones secundarios. II. Variación de la eficiencia en la recolección de carga en las diferentes regiones del material semiconductor. y = 0,320x + 1,859 R² = 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Energía(KeV) Canal

18. Calibración en eficiencia  Definimos eficiencia absoluta de un proceso como la relación entre los eventos que emite la fuente y los recogidos por el detector.  La calibración en eficiencia se utiliza para discernir lo efectivo que es nuestro detector en función del pico a estudiar.  Utilizamos una fuente calibrada de radiación γ proporcionada por el CIEMAT, en un rango de energía que abarca el que nos vamos a encontrar en las medidas a realizar.

19. y = -0,0105x3 - 0,213x2 - 1,17x - 4,77 R² = 0,980 -6 -5 -4 -3 -2 -4 -3 -2 -1 0 1 lnε ln E Curva de calibración en eficiencia

20. Actividad específica  La principal variable a medir es la actividad específica por unidad de masa o concentración de la actividad, definida por  Su error ha sido hallado mediante la teoría de propagación de errores

21. Modelos de datación  210Pb como trazador de procesos ambientales  Modelos matemáticos. CIC y CRS Validaciones del fechado mediante 137Cs

22.  Se han alcanzado las condiciones de estado estacionario.  El sedimento se considera como un sistema cerrado.  El transporte de 210Pb de la columna de agua al sedimento es cuantitativo.  No existe migración postdeposicional de 210Pb. Cronoestratigrafía con 210Pb

23.  El 210Pb es emisor α, β y γ, hemos realizado la medida sobre la desintegración nuclear fotónica de energía 46.5 KeV.  La línea principal de desintegración γ del 226Ra (186,2 KeV), coincide con la línea del 235U (185,7 KeV) es por lo que su actividad es medida por descendientes como el 214Pb o el 214Bi.  En la naturaleza el 210Pb y el 214Bi respecto al 226Ra se encuentra en equilibrio secular en sistemas cerrados.  El 210Pb tiene un , puede ser detectado durante un intervalo temporal de hasta 5 veces su .

24. Modelos matemáticos  Datar los sedimentos por profundidad y calcular las tasas de acumulación sedimentaria y másica.  Tasa de acumulación sedimentaria con unidades en [cm a-1].  Tasa de acumulación másica con unidades en [g cm-2 a-1].  La concentración inicial de la sección viene dada por la relación entre el flujo y la tasa de acumulación másica.

25. CIC CRS Constant Initial Concentration Constant Rate of Supply  Hipótesis inicial Concentración inicial constante [Bq Kg-1].  Hipótesis inicial Flujo constante [Bq m-2 a-1].

26. Datación con 137Cs  Debido a las pruebas nucleares atrmosféricas realizadas entre 1945-1970 es detectable un máximo de 137Cs en el año 1963 debido a la difusión atmosférica global.  En lugares afectados por la contaminación se han detectado picos de 137Cs del accidente de Chernobyl de 1986 , e incluso el accidente en 1957 de la central nuclear deWindscale.  No siempre es posible la datación con 137Cs, ya que puede tener un gran componente móvil y soluble.

27. Aplicaciones al estuario de Vigo  Recogida y tratamiento de muestras  Radiocronología  Aportaciones complementarias con metales pesados

28. Muestreo y manipulación del core

29.  Características hidrodinámicas, batimétricas y sedimentológicas son tenidas en cuenta en la elección del testigo.  El testigo es extraído en un tubo de PVC, las secciones se cortan con un espesor de 1 cm, se secan, tamizan y se homogeniza en masa a 50 g en vasos herméticamente cerrados.  Necesitamos un core sedimentario inalterado, evitando el mezclado de los estratos, es decir la homogenización del registro histórico.

30. Radiocronología  Representación gráfica del 214Bi ≈ 210Pbbase, 210Pb y 210Pbexceso.  210Pbexceso 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 Profundidad(cm) Concentración (Bq Kg-1) 214Bi 210Pb 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 Profundidad(cm) 210Pbex (Bq Kg-1)

31. Tasa de acumulación másica  La tasa de acumulación másica nos marca la cantidad de en masa de depósito respecto a la superficie y al tiempo. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Tasadeacumulaciónmásica(gcm-2a-1) Año  Con el modelo CIC la concentración en las diferentes secciones no presenta un perfil claro de disminución con la profundidad.  El modelo CRS ha dado resultados más consistentes con el perfil esperado, las tasas de acumulación se corresponde con una tendencia exponencial con alguna anomalía.

32. Tasa de acumulación sedimentaria  El aumento exponencial de la tasa de acumulación sedimentaria se debe a la actividad antropogénica en la cuenca hidrográfica que envuelve la ría deVigo. y = 5E-35e0.038x R² = 0.706 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Tasadeacumulaciónsedimentaria(cma-1) Año  La evolución demográfica de la ciudad deVigo sostiene una correlación con la tasa sedimentaria.

33.  Escorrentía es 8 veces mayor en superficies quemadas. 0 50 100 150 200 250 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 210Pbex(BqKg-1) Año ¿ Terreno deforestado aumento 210Pbex ?  Arenas, limos y arcillas componen en función del tamaño, los suelos.

34. Corroboración con 137Cs  No ha sido posible la datación del pico 1963 de pruebas nucleares atmosféricas. El máximo tiene una amplitud en la cornisa cantábrica entre 20-25 Bq Kg-1. 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 137Cs(Bq kg-1) 210Pbex (Bq Kg-1) Profundidad(cm) 210Pbex 137Cs  Pico “extraño” de 137Cs recabado en el perfil sedimentario .

35. Perfiles de metales pesados  La factoría Pontesa de cerámica a finales de los 70 sufrió o bien un cambio en el proceso de producción o bien una disminución en el volumen producido. 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 Profundidad(cm) As (mg kg-1) 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 Cr (mg kg-1) 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 Cu (mg kg-1) 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 Profundidad(cm) Ni (mg kg-1) 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 Pb (mg kg-1) 0 10 20 30 40 50 60 0 100 200 Zn (mg kg-1)  Hay un progresivo aumento de metales pesados en el tiempo, hasta un máximo alrededor de la sección 11 y una disminución de las concentraciones a partir de ese punto.

36. Conclusiones

37.  Se ha puesto a punto un detector HPGe coaxial para la medida por espectroscopía γ de la actividad específica de los isótopos requeridos, calibrando en energía y eficiencia el detector.  El modelo CIC y CRS han sido aplicados en este trabajo. Las hipótesis iniciales del CIC son muy restrictivas respecto al lugar de aplicación.  Se ha datado el testigo y se ha reflejado un aumento de las tasas de acumulación en la ría deVigo, evidenciando la influencia antropogénica del entorno.  Ya que por si sola no es concluyente y sus limitaciones son evidentes, esta datación debe de estar incluida en una serie de medidas interdisciplinares.

Add a comment