Application of Machine Learning methods to model phenomenon of stimulated luminescence: An example in Archaeometry
Creators: name: Τσιάμης, Άγγελος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Θερμοφωταύγεια
Μηχανική Μάθηση
Αρχαιολογική χρονολόγηση
Thermoluminescence
Machine Learning
Archaeological dating

description: Thermoluminescence (TL) is a form of stimulated luminescence that is produced by heating crystallines that have been exposed to electromagnetic or other form of ionizing radiation. The TL glow curve obtained contains information regarding the total dose received by the crystal. As a result, TL dosimetry can be applied for archaeological dating, given that there is a way to estimate by other means the dose-rate during the irradiation time. In literature, there have been many attempts to analytically describe the accumulation of trapped electrons and the formation of recombination centers under irradiation, as well as to describe the functional form of the glow curve (TL Intensity vs Temperature) using the energy band structure of solids. Most of the models lack in describing accurately the whole spectrum of experimental observations. The Interactive Multi Trap System (IMTS) is the state-of-the-art model for describing quantitatively the above TL processes. However, the intertwined differential equations of IMTS model can be solved analytically only for simple cases, whilst in general numerical methods must be applied. This work attempts to employ the kinematics of electrons produced during simultaneous irradiation and heating of a crystal and the competition between electron traps and recombination centers, as described by the IMTS model, in order to use TL dosimetry for archeological dating without the need of estimating the dose-rate by any other means. The main goal of this thesis is to show that the entangled differential equations of IMTS model can be tackled using artificial neural networks. The results obtained are promising and indicate that this approach can be used for archaeological dating and similar applications.
description: Η θερμοφωταύγεια είναι μία μορφή προτρεπόμενης φωταύγειας που παράγεται θερμαίνοντας κρυσταλλικά υλικά που έχουν εκτεθεί σε ηλεκτρομαγνητική ή άλλου είδους ιοντίζουσα ακτινοβολία. Η καμπύλη φωτεινότητας που παράγεται περιέχει πληροφορία σχετικά με την συνολική δόση που δέχτηκε ο κρύσταλλος. Σαν αποτέλεσμα η δοσιμετρία μέσω θερμοφωταύγειας μπορεί να εφαρμοστεί για αρχαιολογική χρονολόγηση, δεδομένου ότι υπάρχει εναλλακτικός τρόπος για να υπολογίσουμε τον ρυθμό δόσης κατά την διάρκεια της ακτινοβόλησης. Στη βιβλιογραφία , έχουν γίνει πολλές απόπειρες για την αναλυτική περιγραφή της συσσώρευσης των παγιδευμένων ηλεκτρονίων και τον σχηματισμό των κέντρων επανασύνδεσης, καθώς και την περιγραφή της συναρτισιακής σχέσης της καμπύλης φωτεινότητας (θερμοφωταύγεια συναρτήσει της θερμοκρασίας) με την χρήση της δομής των ενεργειακών ζωνών των στερεών. Το διαδραστικό σύστημα πολλαπλών παγίδων (IMTS) είναι το πιο επιτυχημένο μοντέλο στην ποσοτική περιγραφή των παραπάνω διαδικασιών θερμοφωταύγειας. Ωστόσο, οι πεπλεγμένες διαφορικές εξισώσεις του IMTS μοντέλου μπορούν να επιλυθούν αναλυτικά μόνο για απλές περιπτώσεις, ενώ στην γενικότερη περίπτωση πρέπει να χρησιμοποιηθούν αριθμητικές μέθοδοι. Αυτη η εργασία έχει ως στόχο την προσπάθεια χρησιμοποίησης την κινηματική των ηλεκτρονίων που παράγονται κατά την ταυτόχρονη ακτινοβόληση και θέρμανση του κρυστάλλου και τον ανταγωνισμό που εμφανίζεται μεταξύ των παγίδων ηλεκτρονίων και των κέντρων επανασύνδεσης, όπως περιγράφονται στο IMTS μοντέλο, με σκοπό την χρήση της δοσιμετρίας με την χρήση θερμοφωταύγειας για αρχαιολογική χρονολόγηση, χωρίς την ανάγκη της εκτίμησης του ρυθμού δόσης. Ο κύριος στόχος αυτής της εργασίας είναι να αναδείξει ότι οι πεπλεγμένες διαφορικές εξισώσεις του IMTS μοντέλου μπορούν να αντιμετωπισθούν με την χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρυντικά και υποδεικνύουν ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αρχαιολογική χρονολόγηση και παρόμοιες εφαρμογές.