TL dozimetre sistemlerinin olasılıklı yöntemlerle modellenmesi
Modelling of TL dosimetry systems by probabilistic methods
Yazar: ÖMER GÜNDÜZ
Danışman: PROF. DR. MEHMET TOMBAKOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Kişisel doz takibi için termolüminesans dozimetreler (TLD) 1960'ların ortalarından itibaren çalışılmakta olmasına rağmen, otomatik sistemler ve yüksek kalitede TLD kristallerinin üretilmesiyle son 25 yılda yaygınlaşmaya başlamıştır. TLD'ler, geniş doz aralıkları, küçük fiziksel boyutları, yüksek gerilim ve kablo ihtiyacı olmaması ve doku eşdeğeri özelliklerinin getirdiği avantajlar nedeniyle doz takibinde sıklıkla kullanılmaktadır. 
Dozimetrik kristalin radyasyona maruz kalmasından itibaren, dozimetri amaçlı uyarılarak yaptığı ışıma yoluyla içerisinde depolanan enerjinin belirlenmesine kadar olan tüm süreçler, belirli olasılık fonksiyonlarıyla ifade edilebilen yapıdadır. Kristalin hazırlanışı, malzeme özellikleri, ışınlama, ışıma eğrilerinin eldesi ve doz değeri tespiti süreçleri kaotik özellikler sergiler. Dozimetri sistemi ile elde edilen doz değeri, ortalama değerin etrafında bir dağılım fonksiyonu üzerinde herhangi bir noktada olabileceği ve nihayetinde içsel belirsizlikler içerebileceği için; uluslararası standartlar, dozimetri sistemlerini, ancak ölçüm sonuçlarının kabul edilebilir bir aralık içinde kalması koşuluyla uygun bulur.
Bu çalışmada, TL süreci, kristalin radyasyona maruz kalması ile gerçekleşen "doldurma" işleminden başlayarak modellenmiştir. Geliştirilen yöntem TLD'lerin okunması işlemine karşılık gelen "boşaltma" işlemini de içermektedir. Boşaltma işleminde kullanılan sistemlerin de eklenmesi ile TL dozimetre işlemindeki tüm süreçlerin dahil edildiği ve herhangi bir deneysel belirsizlik içermeyen bir model elde edilmiştir.
Çalışmanın ilk bölümünde bakır katkılı lityum tetraborat (LBO; Li2B4O7:Cu) kristali farklı dozlarda ışınlanmış ve ısıtılarak ışıma eğrisi elde edilmiştir. LBO, TLD-802 tipi ticari TL dozimetrede kullanılır.
Çalışmanın ikinci bölümü ise TL kinematiğinin olasılıksal çözümü için yeni bir algoritma geliştirilmesini kapsamaktadır. TL mekanizmasının kinetiği mümkün olan en kapsamlı biçimde ele alınmış ve elektron-deşik çiftlerin oluşumu, bu parçacıkların iletim bandı, valens bandı, tuzaklar ve yeniden birleşme merkezleri arasındaki davranışına yönelik genel bir olasılıksal model oluşturulmuştur. Söz konusu algoritma ile, lüminesans kinematiğini tanımlayan ve kristale özgü olan lüminesans parametreleri kullanılarak LBO için ışıma eğrileri elde edilmiştir. Ardından, deneysel veriler ve hesaplama sonuçları arasındaki farkı minimuma indiren bir genetik algoritma yazılımı ile kristalin lüminesans parametrelerinin belirlenmesi için optimizasyon yapılmıştır. 
Sonuç olarak, bu çalışmada, genetik bir algoritmadan yararlanarak, lüminesans parametrelerinin optimizasyonu için bir Monte Carlo benzeşim algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritmanın lüminesans kinematiğini modelleme yeteneği gösterilmiş ve ilgili parametreler hesaplanmıştır. Böylece, LBO kristali için, TLD'lerin kinetik modellenmesinde kullanılan basitleştirmeyi içermeyen, deneysel koşullar ile çevresel etmenlerden arındırılmış, tamamen sistemin stokastik dinamiklerini yansıtan bir benzeşim yöntemine ulaşılmıştır. Bu yol ile kristalin dozimetrik özellikleri ve sönümlenme özellikleri çalışılmış ve lüminesans kuantum verimi tayin edilmiştir. Geliştirilen yöntem farklı TL kristallerine uygulanarak lüminesans parametreleri elde edilebilir.

Abstract:
Although thermoluminescence dosimeters (TLD) have been studied for the personal dose monitoring since 1960s, they have become very common for last 25 years in conjunction with the production of high quality TL crystals and automated systems. Due to the large dose ranges, physical dimensions, elimination of high voltage and cabling requirements and tissue-equivalent properties, TLDs are widely used.
From the exposure of dosimetric crystal to radiation through the dose determination by the glow-curve (obtained by heating the dosimetric element), all processes can be expressed by certain probability functions. Preparation of the crystal, material properties, exposure to radiation and obtaining glow curves involve chaotic features. Because the dose values measured by the dosimetry system may be at any point around a mean value on a distribution function and contain inherent uncertainties, the international standards deem the results of the measurements proper provided that they are within an acceptable interval. 
In this study, the TL process was modeled from the onset of exposure to radiation through the read-out stage. With inclusion of the systems involved in the read-out stage, a model which covers all processes in the TLD dosimetry yet does not include any experimental uncertainty was obtained. 
In the first part of the study, copper-doped lithium tetraborate (LBO; Li2B4O7:Cu) dosimetric crystal was irradiated and the glow-curves were obtained. LBO is used in commercial TLD-802 dosimeter for the personnel dosimetry. 
The second part of the study contains development of a novel stochastic algorithm for the TL kinematics. TL kinetics was handled comprehensively, and a general stochastic algorithm comprising the electron-hole generation and transport of these particles between the conduction band, valance band, traps and recombination centers was developed. The algorithm aforementioned was utilized to obtain the glow-curves using the luminescence parameters specific to the dosimeter crystal. Then, using a genetic algorithm, developed to minimize the difference between the calculated and experimental glow-curves, the optimum crystal parameters were determined. 
Consequently, this thesis study proposes a Monte Carlo simulation algorithm which utilizes a genetic algorithm to optimize the luminescence parameters. It has been shown that the algorithm has the capability of modeling the kinetics of TL. The parameters describing the model of the luminescence kinematics were computed. Thus, a simulation method for the LBO crystal which does not have the simplifications used in the kinetic modeling of TLDs and which is free from the experimental conditions and external factors, and totally reflects the stochastic dynamics of the system has been reached. In addition, the dosimetric properties and fading properties of LBO were studied, and the luminescence quantum efficiency was determined. Applying the proposed method to different TL crystals, the luminescence parameters of the crystal under consideration can be obtained.