Χαρακτηρισμός δοσίμετρων οπτικά προτρεπόμενης φωταύγειας

Abstract

In the present work popular TL dosimeters were studied in order to investigate if these dosimeters are also suitable for OSL dosimetry. The investigated materials were: Al2O3:C, KMgF3:Ce3+, CaF2:Tm, CaSO4:Mn and LiF:Mg,Ti. A bleachability study and preliminary measurements showed that two of these materials (Al2O3:C and KMgF3:Ce3+) are suitable for use in OSL dosimetry. The study was based in models for First, Second and General Order Kinetics. A computerized glow-curve deconvolution (GCD) method combined with a fitting process, were applied for the analysis of the experimental curves. In the first section of the thesis, the reconstruction of the real glow-curve shape of three kinds of Al2O3:C samples, with “narrow”, “wide” and “double” TL peak structures was performed successfully. The direct fit of the experimental, i.e. quenched glow-curve in the case of narrow TL glow-curve structures allows both reconstruction and evaluation of the thermal quenching parameters W, and C, yielding mean values of W=1.085±0.03 eV and C=(3.71±2.37)?1012, which are in excellent agreement with those given in literature. The reconstruction of composite TL glow-curve structures (“wide” and “double” glow curves) suffering from strong thermal quenching was also achieved. The stability of the relative peak height ratio as a function of the heating rate, in the case of double peak glow-curves, was attributed to the variation rate shape of the η(T) function, which increases rapidly, in absolute values, up to a maximum variation rate and then it decreases rapidly approaching to zero. In the next section of the study the correlation between the TL and LM-OSL signals of Al2O3:C was achieved. It was observed that the LM-OSL curve, especially in the case of the “wide” and “double” peak structure, consist of three components. The one to one comparison of each experimental glow-peak with the respective LM-OSL component showed that a quantitative and qualitative correlation between TL glow peaks and LM-OSL components exists. The comparison of the thermally quenched iii iv glow-peaks and LM-OSL components with the reconstructed values of the TL glow-peak implies that the LM-OSL signal is influenced by some kind of an optical quenching effect. At the final stage of the thesis, the bleaching decay constants of all individual TL glow-peaks of KMgF3:Ce3+ were evaluated by the residual TL method. It was found that the bleaching of each individual glow-peak takes place in three different rates; namely the fast, medium and slow rate. Each bleaching rate should be related to a unique OSL component with a specific decay constant in an OSL curve. However, some of these components can not be resolved during the CGD analysis of the OSL curve and as a result only six components can be used in order to perform a very good curve fitting to the LM-OSL curve of KMgF3:Ce3+

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν δοσίμετρα θερμοφωταύγειας (TL) με στόχο το χαρακτηρισμό τους και σαν δοσίμετρα οπτικά προτρεπόμενης φωταύγειας (OSL). Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα: Al2O3:C, KMgF3:Ce3+, CaF2:Tm, CaSO4:Mn και LiF:Mg,Ti. Από τη μελέτη της ικανότητας λεύκανσης (bleachability) των υλικών αυτών, διαπιστώθηκε ότι το Al2O3:C και το KMgF3:Ce3+ μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν δοσίμετρα OSL, ενώ τα υπόλοιπα υλικά δεν ενδείκνυνται για χρήση ως δοσίμετρα OSL. Η μελέτη βασίστηκε σε μοντέλα 1ης, 2ης και κυρίως γενικής τάξεως κινητική. Στο πρώτο τμήμα της εργασίας επιχειρήθηκε μία διόρθωση για τη θερμική απόσβεση της φωτοκαμπύλης του Al2O3:C και πραγματοποιήθηκε ανακατασκευή της TL φωτοκαμπύλης. Υπολογίσθηκαν πειραματικά οι τιμές των παραμέτρων θερμικής απόσβεσης W και C, για τις στενές φωτοκορυφές του Al2O3:C. Οι τιμές W=1.085±0.03 eV και C=(3.71±2.37)?1012, που προέκυψαν, βρίσκονται σε απόλυτη συμφωνία με αυτές που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Το επόμενο τμήμα της μελέτης περιελάμβανε τη συσχέτιση μεταξύ θερμοφωταύγειας (TL) και φωταύγειας γραμμικώς αυξανόμενης οπτικής προτροπής (LM-OSL) αναλόγως των ιδιαιτέρων χαρακτηριστικών των διαφόρων δειγμάτων Al2O3:C (απλές, διπλές και πλατιές κορυφές). Οι πειραματικές καμπύλες μελετήθηκαν με την εφαρμογή μεθόδων αποσυνέλιξης (deconvolution) και προσαρμογής (fitting) καμπυλών. Συμπερασματικά και όσον αφορά στη συσχέτιση μεταξύ σήματος TL και OSL του Al2O3:C, παρατηρήθηκε ότι η LM-OSL φωτοκαμπύλη, κυρίως στις περιπτώσεις των πλατιών και διπλών κορυφών, αποτελείται από τρεις συνιστώσες. Η αντιπαραβολή των TL πειραματικών φωτοκορυφών (οι οποίες πάσχουν από θερμική απόσβεση) με τις αντίστοιχες LM-OSL συνιστώσες, υποδεικνύει ότι οι ίδιες παγίδες ηλεκτρονίων είναι υπεύθυνες τόσο για την TL όσο και για την OSL. Επίσης, η σύγκριση των θερμικά αποσβενυώμενων TL φωτοκορυφών και των LM-OSL συνιστωσών, με αυτές των ανακατασκευασμένων (απαλλαγμένων από θερμική απόσβεση) TL φωτοκορυφών, υποδεικνύει ότι η απόδοση επανασύνδεσης της μη θερμικά αποσβενυώμενης TL μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη της LM-OSL. Αυτό αποδίδεται στα διαφορετικά μονοπάτια που ακολουθούνται κατά την επανασύνδεση, αναλόγως του αν λαμβάνει χώρα θερμική ή οπτική διέγερση. i ii Το τελευταίο τμήμα της μελέτης περιελάμβανε τη συσχέτιση μεταξύ σημάτων TL και OSL στο υλικό KMgF3:Ce3+ και μελέτη της λεύκανσης των επιμέρους κορυφών του υλικού. Στο KMgF3:Ce3+, το οποίο παρουσιάζει περίπλοκη δομή τόσο στην TL όσο και στην OSL συμπεριφορά του, τα σήματα της TL και της OSL προέρχονται από τις ίδιες παγίδες ηλεκτρονίων (ή οπών). Όπως διαπιστώθηκε από την ανάλυση των μετρήσεων, κάθε φωτοκορυφή δεν σχετίζεται με μία απλή OSL συνιστώσα, αλλά με τρεις. Επίσης είναι δυνατόν οι σταθερές διάσπασης για λεύκανση να έχουν παραπλήσιες τιμές παρόλο που προέρχονται από διαφορετικές TL κορυφές. Συμπερασματικά και όσον αφορά στη συσχέτιση μεταξύ σήματος TL και OSL του KMgF3:Ce3+, με τη χρήση της μεθόδου της εναπομείνασας θερμοφωταύγειας (residual TL), υπολογίστηκαν όλες οι σταθερές διάσπασης για λεύκανση, του υλικού. Βρέθηκε ότι η λεύκανση της κάθε φωτοκορυφής πραγματοποιείται με τρεις διαφορετικούς ρυθμούς, το γρήγορο, το μέτριο και τον αργό ρυθμό. Κάθε ρυθμός λεύκανσης θα έπρεπε να αντιστοιχεί σε μία μοναδική OSL συνιστώσα της καμπύλης OSL, με συγκεκριμένη σταθερά διάσπασης. Παρόλα αυτά, κάποιες από αυτές τις συνιστώσες δεν μπορούν να διαχωρισθούν κατά την αποσυνέλιξη (CGD analysis) της καμπύλης OSL, με αποτέλεσμα να απαιτούνται μόνο 6 συνιστώσες για την αναπαραγωγή της καμπύλης LM-OSL του KMgF3:Ce3+.