Discrimination of different recombination pathways of luminescence in thermoluminesence detectors
Authors: Κωνσταντινίδης Παύλος 
Published: February 2024

Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται στο να εξετάσει τους μηχανισμούς που βρίσκονται στη βάση των φαινομένων επανασύνδεσης σε διεργασίες φωταύγειας, με εστίαση στα localized και de-localized φαινόμενα. Ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι διπλός: α) να αναπτύξει μεθοδολογίες για την εξερεύνηση της φυσικής που διέπει τις localized διαδρομές επανασύνδεσης, και β) να αναπτύξει προσεγγίσεις που επιτρέπουν τη μετάβαση μεταξύ αυτών των δύο διακριτών διαδρομών. Για τη μελέτη χρησιμοποιείται ένα νέο υλικό, ονόματι BeO Radkor, μαζί με καθιερωμένα δοσίμετρα όπως τα MgB4O7:Dy,Na και LiB4O7:Cu,In. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει μια εμπεριστατωμένη επισκόπηση της θερμοφωταύγειας και των θεμελιωδών αρχών της. Ορίζει τη θερμοφωταύγεια, καθορίζει διάφορα είδη φωταύγειας για σύγκριση και αναλύει το βασικό μοντέλο της θερμοφωταύγειας με επεξηγηματικά σχήματα. Επίσης, παρουσιάζει την οπτικώς προτρεπόμενη φωταύγεια με σταθερή ένταση διέγερσης, συζητά τα χαρακτηριστικά των φωταυγειακών καμπυλών και περιγράφει τις ιδιότητες ενός τυπικού δοσίμετρου θερμοφωταύγειας. Έπειτα, εξετάζει τα τρία βασικά θεωρητικά μοντέλα: πρώτης, δεύτερης και γενικής τάξης κινητικής. Τέλος, αναφέρει κάποια βασικά χαρακτηριστικά του φαινομένου όπως η ευαισθησία, η απόκριση δόσης, το thermal και το anomalous fading. Το Κεφάλαιο 2 αποτελεί μια εισαγωγή στη φυσική της στερεάς κατάστασης και τον ρόλο της στα φαινόμενα φωταύγειας. Ξεκινά με την εξέταση των αλκαλικών αλογονιδίων, υλικών που συχνά χρησιμοποιούνται σε τέτοια φαινόμενα. Στη συνέχεια, εμβαθύνει στις ατέλειες των κρυστάλλων, ειδικότερα στις ατέλειες Schottky και Frenkel, και εξερευνά τα χρωματικά κέντρα, όπως τα κέντρα ηλεκτρονίων F, τα συναθροίσματα κέντρων F και τα κέντρα οπών. Το κεφάλαιο καταλήγει με την ανάλυση των ατελειών στα υλικά, καλύπτοντας τόσο τις ατέλειες κατιόντων όσο και των ανιόντων. Το Κεφάλαιο 3 εισάγει το κβαντικό φαινόμενο σήραγγος, τοποθετώντας το σε ένα ευρύτερο πλαίσιο των φαινομένων φωταύγειας. Ξεκινώντας από θεμελιώδεις έννοιες, όπως οι κυματοσυναρτήσεις και η εξίσωση του Schrödinger, το κεφάλαιο αναφέρεται στα πηγάδια δυναμικού και την επίδρασή τους στο φαινόμενο της σήραγγος, ενώ ταυτόχρονα συνδέει αυτές τις έννοιες με τη φωταύγεια. Συγκεκριμένα, επικεντρώνεται στην ανάλυση των localized και de-localized φαινομένων στη θερμοφωταύγεια, εξετάζοντας περαιτέρω αυτές τις διαδρομές. Παρουσιάζεται το βασικό μοντέλο de-localized ("ένας παγίδα, μία επανασύνδεση"), παρέχοντας μαθηματικές εκφράσεις για τα τρία στάδια της θερμοφωταύγειας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το localized μοντέλο, με ημι-αναλυτικές εκφράσεις από τη βιβλιογραφία και τη θεωρία. Το Κεφάλαιο 4 επικεντρώνεται στα υλικά που μελετήθηκαν, παρέχοντας τα χαρακτηριστικά τους σχετικά με τη φυσική της στερεάς κατάστασης και τη φωταύγεια. Αναλύονται ειδικότερα το οξείδιο του βηρυλλίου, το τετραβορικό λίθιο και το τετραβορικό μαγνήσιο. Το Κεφάλαιο 5 επικεντρώνεται στον εξοπλισμό και τις πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν. Παρουσιάζονται λεπτομέρειες για τους δύο ανιχνευτές που χρησιμοποιήθηκαν, τον TLD της Harshaw και τον RISO TL/OSL, μαζί με τα εσωτερικά τους εξαρτήματα. Γίνεται συζήτηση για τους φωτοπολλαπλασιαστές, τα φίλτρα και το πρόγραμμα Harshaw WinREMS, ακολουθούμενα από ένα περίγραμμα των διαδικασιών εκθέσεως στην εργαστηριακή ακτινοβολία. Το Κεφάλαιο 6 περιγράφει τις αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας. Αναφέρονται οι τεχνικές του Initial Rise, του Peak shape και της Isothermal decay, καθώς και η ενσωμάτωση της συνάρτησης Lambert W στο Microsoft Excel για ανάλυση των localized φαινομένων. Επίσης, παρουσιάζονται το Figure Of Merit (FOM) και το πρόσθετο solver του Microsoft Excel. Το Κεφάλαιο 7 παρουσιάζει την αρχική φάση της κύριας έρευνας, εξερευνώντας τις διαδρομές επανασύνδεσης στο υλικό BeO Radkor. Χρησιμοποιείται ένα προηγούμενο πρωτόκολλο για την ανάλυση του δοσίμετρου, αποκαλύπτοντας δύο πεπλεγμένες κορυφές θερμοφωταύγειας στην δοσιμετρική περιοχή που ακολουθούν και τους δύο μηχανισμούς επανασύνδεσης. Το Κεφάλαιο 8 εμβαθύνει στις localized διαδρομές επανασύνδεσης. Βελτιώνεται το προηγούμενο πρωτόκολλο με σκοπό την περιεκτική ανάλυση των διαδρομών αυτών, χρησιμοποιώντας τα υλικά αναφοράς LiB4O7:Cu,In και MgB4O7:Dy,Na. Στη συνέχεια, το πρωτόκολλο εφαρμόζεται στο BeO Radkor, επιτρέποντας τον υπολογισμό της ενέργειας ενεργοποίησης της διεγερμένης κατάστασης. Το Κεφάλαιο 9 προσαρμόζει περαιτέρω το πρωτόκολλο για να διακρίνει ανάμεσα στις δύο διαδρομές επανασύνδεσης. Αυτή η προσέγγιση, περιλαμβάνοντας ακόμα πιο έντονη θέρμανση, εφαρμόζεται στα MgB4O7:Dy,Na και BeO Radkor - που και τα δύο εμφανίζουν localized φαινόμενα. Το κεφάλαιο διαχωρίζει οριστικά τους μηχανισμούς επανασύνδεσης, υποστηρίζοντας ότι το BeO Radkor έχει μεγαλύτερη δυνατότητα μετάβασης μεταξύ των δύο διαδρομών από το MgB4O7:Dy,Na. Το Κεφάλαιο 10 εισάγει τροποποιήσεις στο πρωτόκολλο, χρησιμοποιώντας ακόμα πιο ακραία θέρμανση, για να επιτευχθεί η επιθυμητή μετάβαση ανάμεσα στους δύο μηχανισμούς. Με αυτές τις βελτιώσεις, το BeO Radkor επιδεικνύει επιτυχία στη μετάβαση από την localized στην de-localized διαδρομή επανασύνδεσης, ενώ το MgB4O7:Dy,Na παρουσιάζει κάποιες αλλαγές που υποδηλώνουν πιθανές μεταβάσεις με πιο έντονη θέρμανση. Το Κεφάλαιο 11 συνοψίζει τα ευρήματα της έρευνας, παρουσιάζοντας γενικά συμπεράσματα από τις πειραματικές μελέτες που διεξήχθησαν. Επιπλέον, επισημαίνονται ενδείξεις σχετικά με την εφαρμογή στην χρονολόγηση και αναφέρονται σχετικά δημοσιευμένα αποτελέσματα, είτε αυτά σχετίζονται άμεσα με την τρέχουσα μελέτη, είτε όχι.