Численное моделирование термолюминесценции кварцевой частицы

Abstract

One of the widely used methods for studying minerals is the thermoluminescent (TL) method, which is used to date Quaternary sedimentary rocks. Usually, the difficulty in using TL dating is the lack of information about the structure of the mineral used in the experiment. For reliable interpretation of experimental data, the authors applied the digital twin method. In this case, all stages of the transformation of the mineral used are modeled from its burial in sedimentary rocks to the stimulation of the TL-signal splash in it under laboratory conditions on special installations, taking into account the unevenness heat transfer inside the sample of this mineral. The paper presents the results of numerical simulation of the TL signal from a spherical particle of natural quartz. The modeling was carried out in two stages. At the first stage, the influence of the burial time of quartz in the sedimentary rocks on its TL signal was determined. Forthis, the problem was posed of the accumulation of the crystal lattice quartz, information about the time of its presence in the natural radiation field. At the second stage, the TL signal from a spherical particle was simulated, which was heated in an experimental setup from the surface according to a linear law. It was found that, firstly, the burial time of quartz affects the shape of the TL-curve and, therefore, the mineral is applicable for dating. Secondly, it is necessary to control the heating mode of the quartz sample, since at high heating rates, heat transfer irregularities are significant for particles with a large radius. It also affects the shape of the TL signal and, as a result, can make it difficult to obtain age definitions or distort them. To assess the effect of non-uniformity of heat transfer, a dimensionless similarity parameter was proposed, which connects the radius of the particles and the heating rate.

Одним из широко используемых методов исследования минералов является термолюминесцентный (ТЛ) метод, который используется для датирования осадочных горных пород четвертичного возраста. Обычно сложность применения ТЛ-датирования заключается в недостатке информации о структуре используемого в эксперименте минерала. Для объективно надежной интерпретации экспериментальных данных авторы применили метод цифрового двойника. В этом случае моделируются все этапы преобразования используемого минерала от его захоронения в составе осадочных горных пород до стимулирования в нем выплеска ТЛ-сигнала в лабораторных условиях на специальных установках с учетом неравномерности теплопереноса внутри навески этого минерала. В работе приведены результаты численного моделирования ТЛ-сигнала от сферической частицы природного кварца. Моделирование проводилось в два этапа. На первом этапе определялось влияние времени захоронения кварца в толще осадочных горных пород на его ТЛ-сигнал. Для этого была поставлена задача о накоплении кристаллической решеткой кварца информации о времени его нахождения в естественном радиационном поле. На втором этапе моделировался ТЛ-сигнал от сферической частицы, которая нагревалась на экспериментальной установке с поверхности по линейному закону. Было выяснено, что, во-первых, время захоронения кварца влияет на форму ТЛ-кривой и, следовательно, минерал применим для датирования. Во-вторых, следует проводить контроль режима нагрева навески кварца, так как при высоких скоростях нагрева у частиц большого радиуса существенны неравномерности теплопереноса. Это также влияет на форму ТЛ-сигнала и, как следствие, может затруднять получение возрастных определений или искажать их. Для оценки влияния неравномерности теплопереноса был предложен безразмерный параметр подобия, который связывает радиус частиц и скорость нагрева.