Discrimination of different recombination pathways of luminescence in thermoluminesence detectors: optimization over thermal stimulation and detector material

Abstract

The current research focuses on elucidating the mechanisms underlying localized and de-localized recombination phenomena within luminescence processes. The primary objective of this thesis is twofold: a) to establish methodologies for investigating the physics governing localized recombination pathways, and b) to devise approaches enabling the transition between these two distinct pathways. The study employs novel dosimetric materials, including BeO Radkor, alongside established dosimeters like MgB4O7:Dy,Na and LiB4O7:Cu,In. Chapter 1 provides an in-depth overview of the thermoluminescence phenomenon and its foundational principles. It defines thermoluminescence, distinguishes various luminescence types for comparison, and elucidates the fundamental Thermoluminescence model using illustrative schematics. Additionally, the chapter introduces Optically Stimulated Luminescence with constant stimulation intensity, discusses glow curve characteristics, and outlines properties of a typical thermoluminescence dosimeter. The chapter subsequently explores three principal theoretical models: first, second, and general order kinetic models. Finally, the chapter examines key characteristics such as sensitivity, dose response, thermal fading, and anomalous fading. Chapter 2 serves as an introduction to solid-state physics and its integral role in luminescence phenomena. It begins by examining alkali halides, commonly employed materials in such phenomena. Following material characterization, the chapter delves into crystal imperfections, specifically Schottky and Frenkel defects, leading to an exploration of color centers, such as electron F-centers, complex F centers, and hole centers. The chapter concludes by addressing impurities in materials, encompassing both cation and anion impurities. Chapter 3 introduces the quantum tunneling effect, contextualizing it within the broader framework of luminescence phenomena. Beginning with foundational concepts such as wavefunctions and Schrödinger's equation, the chapter progresses to define potential wells and tunneling effects, relating these concepts to luminescence. Also, the chapter extends the analysis of localized and de-localized phenomena within thermoluminescence, further examining these pathways. The chapter outlines the basic de-localized model ("one trap, one recombination"), providing mathematical expressions for all three stages. Subsequently, the localized model is introduced, featuring semi-analytical expressions derived from literature and theory .Chapter 4 centers on the materials under investigation, providing fundamental insights into the solid-state nature and luminescence properties of Beryllium oxide, Lithium tetraborate, and Magnesium borate. Chapter 5 focuses on instrumentation and the experimental apparatus employed. Details regarding the two readers utilized, the Harshaw TLD reader and the RISO TL/OSL reader, are presented along with internal components. Photomultipliers, filters, and the Harshaw WinREMS program are discussed, followed by an outline of laboratory irradiation procedures. Chapter 6 primarily delineates the analytical methods employed throughout the thesis. These methods encompass the Initial Rise, Peak Shape, and Isothermal Decay techniques. The chapter also elucidates the integration of the Lambert W function within Microsoft Excel, 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—one aligned with de-localized and the other with localized recombination mechanisms. Chapter 8 delves deeper into localized recombination pathways. The protocol is enhanced for comprehensive pathway analysis, initially employing LiB4O7:Cu,In and MgB4O7:Dy,Na as reference materials. Subsequently, the refined protocol is applied to BeO Radkor, enabling 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—both exhibiting localized phenomena. The chapter conclusively discriminates between the recombination mechanisms, asserting that BeO Radkor exhibits greater potential for transitioning between the two than MgB4O7:Dy,Na. 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. The chapter also points out indications regarding some applications in dating and references relevant published results, whether directly related to this study or not.

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.