Discrimination of different recombination pathways of luminescence in thermoluminescence detectors: optimization over thermal stimulation and detector material
Creators: name: Κωνσταντινίδης, Παύλος Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Οδοί επανασύνδεσης
Φαινόμενο σήραγγας
Δοσιμετρία
Stimulated luminescence
Recombination pathways
Tunneling
Dosimetry

description: Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται στην ανάλυση των μηχανισμών πίσω από τους localized και de-localized τρόπους επανασύνδεσης στις διαδικασίες φωταύγειας. Αυτή η διατριβή έχει δύο κύριους στόχους: πρώτον, να θεσπίσει μεθοδολογίες για την εξέταση της φυσικής που διέπει τους locazlized μηχανισμών επανασύνδεσης, και δεύτερον, να σχεδιάσει προσεγγίσεις που επιτρέπουν τη μετάβαση μεταξύ αυτών των δύο διακριτικών διαδρομών. Υλικά δοσιμετρίας όπως το νέο BeO Radkor, και τα καθιερωμένα MgB4O7:Dy,Na και LiB4O7:Cu,In, χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει μια εκτενή εξερεύνηση του φαινομένου της θερμοφωταύγειας, καθορίζοντας διάφορα είδη φωταύγειας, εισάγοντας το θεμελιώδες μοντέλο θερμοφωταύγειας και περιγράφοντας την οπτικώς προτρεπόμενη φωταύγεια. Τρία κύρια θεωρητικά μοντέλα συζητούνται, ακολουθούμενα από εξέταση βασικών χαρακτηριστικών. Το Κεφάλαιο 2 εμβαθύνει στον ρόλο της στερεάς φυσικής στα φαινόμενα της φωταύγειας, εξετάζοντας ατέλειες και ελαττώματα στα κρυσταλλικά πλέγματα, οδηγώντας στην έννοια του κέντρου χρώματος. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τις ατέλειες στα υλικά. Το Κεφάλαιο 3 εισάγει το αντικείμενο του κβαντικού φαινομένου tunneling στο ευρύτερο πλαίσιο της φωταύγειας. Βασικές έννοιες όπως κυματοσυναρτήσεις και εξίσωση Schrödinger συζητώνται, προχωρώντας στον καθορισμό πιθανών πηγαδιών δυναμικού και επιπτώσεων tunneling στην φωταύγεια. Η ανάλυση των localized και de-localized φαινομένων στη θερμοφωταύγεια διευρύνεται. Το Κεφάλαιο 4 παρέχει βασικές εισαγωγές στη φύση των στερεών και τις φωτολυτικές ιδιότητες του οξειδίου του βυριλίου, του τετραβορικού λιθίου και του τετραβορικού μαγνησίου. Το Κεφάλαιο 5 επικεντρώνεται στον εξοπλισμό και το πειραματικά μηχανήματα που χρησιμοποιείται, παρουσιάζοντας λεπτομέρειες για τους ανιχνευτές Harshaw TLD και RISO TL/OSL. Συζητούνται φωτοπολλαπλασιαστές, φίλτρα και το πρόγραμμα Harshaw WinREMS, ακολουθούμενο από μια περίληψη των διαδικασιών ακτινοβολήσεων στο εργαστήριο. Το Κεφάλαιο 6 περιγράφει τις αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται σε όλη την διατριβή, περιλαμβάνοντας τεχνικές όπως initial rise, peak shape και isothermal decay,. Η ενσωμάτωση της συνάρτησης Lambert W στο Microsoft Excel εξηγείται, οδηγώντας σε ένα φύλλο εργασίας που μπορεί να αναλύει τα localized φαινόμενα. Επιπλέον, το κεφάλαιο εισάγει Figure Of Merit (FOM) και την εφαρμογή επέκτασης solver του Microsoft Excel.Το Κεφάλαιο 7 αντιπροσωπεύει την αρχική φάση της κύριας έρευνας, εξερευνώντας τους δρόμους επανασύνδεσης στο BeO Radkor και παράγοντας δύο κύριες φωτοκορυφές. Το δοσίμετρο αναλύεται με ένα προηγουμένως θεσπισμένο πρωτόκολλο, αποκαλύπτοντας δύο πεπλεγμένες κορυφές που ακολουθούν τους delocalized και localized μηχανισμούς επανασύνδεσης αντίστοιχα.Το Κεφάλαιο 8 εμβαθύνει στους localized μηχανισμούς επανασύνδεσης, βελτιώνοντας το πρωτόκολλο για ολοκληρωμένη ανάλυση. Τα δοσίμετρα LiB4O7:Cu,In και MgB4O7:Dy,Na χρησιμοποιούνται αρχικά ως υλικά αναφοράς. Το βελτιωμένο πρωτόκολλο εφαρμόζεται στο BeO Radkor, διευκολύνοντας τον υπολογισμό της ενεργοποίησης της διεγερμένης κατάστασης. Το Κεφάλαιο 9 βελτιστοποιεί περαιτέρω το πρωτόκολλο για να διακρίνει μεταξύ των δύο μηχανισμών επανασύνδεσης. Αυτή η σύνθετη προσέγγιση, που συμπεριλαμβάνει θερμικές επεξεργασίες, εφαρμόζεται στα MgB4O7:Dy,Na και BeO Radkor, διακρίνοντας οριστικά τους μηχανισμούς επανασύνδεσης. Το Κεφάλαιο 10 εισάγει τροποποιήσεις στο πρωτόκολλο, περιλαμβάνοντας εντατικές θερμικές επεξεργασίες, για να επιτύχει την επιθυμητή μετάβαση μεταξύ των δύο μηχανισμών. Με αυτές τις βελτιώσεις, το BeO Radkor μεταβαίνει με επιτυχία από localized σε de-localized μηχανισμούς επανασύνδεσης, ενώ το MgB4O7:Dy,Na εμφανίζει κάποιες αλλαγές, υποδεικνύοντας πιθανές μεταβάσεις με πιο έντονη θέρμανση. Το Κεφάλαιο 11 συνοψίζει τα ευρήματα της έρευνας, βγάζοντας γενικά συμπεράσματα από τα διεξαγμένα πειράματα και υποδεικνύοντας ενδείξεις σχετικά με εφαρμογές στην χρονολόγηση.
description: The current research focuses on unraveling the mechanisms behind localized and de-localized recombination in luminescence processes. This thesis has dual objectives: firstly, to establish methodologies for investigating the physics of localized recombination pathways, and secondly, to devise approaches enabling the transition between these pathways. Dosimetric materials like BeO Radkor, alongside established dosimeters such as MgB4O7:Dy,Na and LiB4O7:Cu,In, were utilized in the study. Chapter 1 provides a comprehensive exploration of the thermoluminescence phenomenon, defining various luminescence types, introducing the fundamental Thermoluminescence model, and outlining Optically Stimulated Luminescence. Three principal theoretical models are discussed, followed by an examination of key characteristics. Chapter 2 delves into the role of solid-state physics in luminescence phenomena, exploring crystal imperfections and defects, leading to a discussion on color centers. The chapter concludes by addressing impurities in materials. Chapter 3 introduces the quantum tunneling effect within the broader framework of luminescence phenomena. Foundational concepts like wavefunctions and Schrödinger's equation are discussed, progressing to define potential wells and tunneling effects. The analysis of localized and de-localized phenomena within thermoluminescence is extended. Chapter 4 provides fundamental insights into the solid-state nature and luminescence properties of beryllium oxide, lithium tetraborate, and magnesium tetraborate. Chapter 5 focuses on instrumentation and the experimental apparatus used, presenting details about the Harshaw TLD reader and the RISO TL/OSL reader. Photomultipliers, filters, and the Harshaw WinREMS program are discussed, followed by an outline of laboratory irradiation procedures. Chapter 6 outlines the analytical methods employed throughout the thesis, including the Initial Rise, Peak Shape, and Isothermal Decay techniques. The integration of the Lambert W function within Microsoft Excel is elucidated, resulting in a spreadsheet capable of analyzing localized phenomena. Additionally, the chapter introduces the Figure of Merit (FOM) and Microsoft Excel's solver add-in. Chapter 7 represents the initial phase of the main research, exploring recombination pathways in BeO and yielding two primary thermoluminescence peaks. The BeO Radkor dosimeter is analyzed using a previously established protocol, revealing two convoluted peaks aligned with de-localized and localized recombination mechanisms, respectively. Chapter 8 delves deeper into localized recombination pathways, enhancing the protocol for comprehensive pathway analysis. LiB4O7:Cu,In and MgB4O7:Dy,Na are initially employed as reference materials. The refined protocol is subsequently applied to BeO Radkor, facilitating the calculation of the excite state activation energy. Chapter 9 optimizes the protocol further to distinguish between the two recombination mechanisms. This composite approach, incorporating heating treatments, is applied to MgB4O7:Dy,Na and BeO Radkor, conclusively discriminating between the recombination mechanisms. Chapter 10 introduces modifications to the protocol, involving intensified heating, to achieve the desired transition between the two mechanisms. Through these enhancements, BeO Radkor successfully transitions from localized to de-localized recombination pathways, while MgB4O7:Dy,Na displays some changes, indicating potential transitions with more intense heating. Chapter 11 encapsulates the research findings, drawing general conclusions from the conducted experiments, and pointing out indications regarding applications in dating.