«Εκτίμηση της φυσικής δόσης σε ανοπτημένα κεραμικά με διάφορες μεθόδους Σύγκριση μεθόδων»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Εκτίμηση της φυσικής δόσης σε ανοπτημένα κεραμικά με διάφορες μεθόδους Σύγκριση μεθόδων» ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ : Καραμπιπέρη Μαρία ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : Κίτης Γεώργιος, Καθηγητής Θεσσαλονίκη 2016

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ευχαριστίες Περίληψη... 7 Abstract...8 Εισαγωγή...9 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΦΩΤΑΥΓΕΙΑ Ορισμός φωταύγειας Ορισμός θερμοφωταύγειας Βασικό μοντέλο θερμοφωταύγειας Ορισμός οπτικά προτρεπόμενης φωταύγειας Φωτοκαμπύλη (Glow Curve) Χαρακτηριστικές ιδιότητες υλικών-δοσιμέτρων θερμοφωταύγειας (TLDs) Βασικά χαρακτηριστικά θερμοφωταυγειακών δοσιμέτρων Ευαισθησία (Sensitivity) Απόκριση Δόσης (Dose Response) Θεωρητικά μοντέλα (Κινητικές) Μοντέλο Randall-Wilkins (Πρώτης τάξης κινητική) Μοντέλο Garlick-Gibson (Δεύτερης τάξης κινητική) Μοντέλο May-Patridge (Γενικής τάξης κινητική).21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΧΡΟΝΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑ Εφαρμογές φωταύγειας Χρονολόγηση με θερμοφωταύγεια Χρονολόγηση με οπτικά προτρεπόμενη φωταύγεια Μέθοδοι εφαρμογής των TL & OSL τεχνικών Μέθοδος Αναγέννησης Σήματος ενός μοναδικού δισκίου (Single Aliquot Regeneration Method, SAR) Μέθοδος Πρόσθετων Δόσεων πολλαπλών δειγμάτων (Multi Aliquot Additive Dose Method, MAAD) Μέθοδος Βαθύτερων Παγίδων (Very Deep Traps Method, VDT).. 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΟΥ Σύσταση και ιδιότητες Κατασκευή κεραμικών Διαδικασία ψησίματος Επιλογή υλικού

3 II. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ Σύστημα μέτρησης TL / OSL του Risø Ο υποδοχέας των δειγμάτων Το σύστημα συλλογής φωτός Φωτοπολλαπλασιαστής Φίλτρα ανίχνευσης Το σύστημα οπτικού σκανδαλισμού Το σύστημα θέρμανσης Ακτινοβολητής β Ηλεκτρονικός υπολογιστής Λογισμικό.40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Αποφλοίωση και κονιορτοποίηση Τεχνική λεπτών κόκκων (Fine grain technique) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ & ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ MAAD_TL MAAD_LM_OSL SAR_TL SAR_LM_OSL SAR_LM_IRSL SAR_CW_OSL SAR_CW_IRSL VDT_Additive_OSL VDT_Regeneration_(TL & OSL)...73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο : ΣΧΟΛΙΑ & ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Βιβλιογραφία.80 3

4 4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το παρόν πόνημα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Θερμοφωταύγειας του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων του τμήματος Φυσικής, στη Σχολή Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου και στο εργαστήριο Εφαρμογών Ακτινοβολιών και Αρχαιολογικών Χρονολογήσεων του τμήματος Αρχαιομετρίας και Φυσικοχημικών Μετρήσεων «Αθηνά», το οποίο εντάσσεται στο Κέντρο Έρευνας και Καινοτομίας στις Τεχνολογίες Πληροφοριών, Επικοινωνιών και Γνώσης στα Κιμμέρια Ξάνθης. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Γεώργιο Κίτη, Καθηγητή του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων για την πολύτιμη προσφορά του, όσον αφορά την επιλογή του θέματος και μετάδοση των γνώσεων και της πολυετούς εμπειρίας του στο αντικείμενο της μελέτης. Επίσης, ευχαριστώ την υποψήφια Διδάκτορα κ. Ιωάννα Σφάμπα, η οποία μου υπέδειξε πειραματικές μεθόδους και με καθοδηγούσε καθ όλη τη διάρκεια της πτυχιακής εργασίας και ιδιαίτερα στην επεξεργασία των αποτελεσμάτων μου. Το μεγαλύτερο τμήμα του πειραματικού μέρους της παρούσας εργασίας εκπονήθηκε στο εργαστήριο «Αθηνά». Για το λόγο αυτό, ευχαριστώ θερμά τον ερευνητή Α και διευθυντή του εργαστηρίου, κ. Νέστωρα Τσιρλιγγάνη για τον εργαστηριακό εξοπλισμό και το περιβάλλον εργασίας που μου παρείχε. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ολόψυχα, τον κ. Νικόλαο Καζάκη, χημικό μηχανικό και υποψήφιο Διδάκτορα για την εμπιστοσύνη και την καθοδήγησή του καθώς και για την ανεκτίμητη βοήθεια που μου προσέφερε για τη διεξαγωγή των πειραματικών μεθόδων. Όσον αφορά το κομμάτι της πειραματικής εκτέλεσης θα ήθελα να ευχαριστήσω το Δρ. Γεώργιο Πολυμέρη για την συμμετοχή του σε αυτές. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω μέσα από την καρδιά μου, την οικογένεια μου και τους φίλους που με στήριζαν καθ όλη τη διάρκεια της μελέτης και πίστευαν σε εμένα ακόμα και όταν εγώ δεν το έκανα. 5

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα ανοπτημένα κεραμικά χρησιμοποιούνται ως καθημερινά αντικείμενα, όπως οικοδομικά υλικά (τούβλα, κεραμίδια, πλακάκια) και οικιακά σκεύη (πιάτα, βάζα). Επίσης, κατά την αρχαιότητα, γινόταν χρήση κεραμικών ως δοχεία, αμφορείς, μαγειρικά σκεύη και διακοσμητικά έργα, χάρη στην πρόωρη ανάπτυξη της κεραμικής τέχνης. Το φαινόμενο της φωταύγειας αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για την επιστήμη της Αρχαιολογίας και εφαρμόζεται για την απόλυτη χρονολόγηση του υπό μελέτη υλικού ή το χαρακτηρισμό δειγμάτων, αρχαιολογικού ενδιαφέροντος. Στην παρούσα μελέτη, επιχειρείται μια σύγκριση των διαφόρων τεχνικών της φωταυγειακής χρονολόγησης. Ονομαστικά, συγκρίνονται τα αποτελέσματα της Θερμοφωταύγειας (Thermoluminescence, TL ), της Οπτικώς Προτρεπόμενης Φωταύγειας (Optically Stimulated Luminescence, OSL) και της Υπερύθρου Προτρεπόμενης Φωταύγειας (Infra-red Stimulated Luminescence, IRSL). Ειδικότερα, η συγκριτική μελέτη περιλαμβάνει την μέθοδο αναγέννησης σήματος ενός δείγματος (Single Aliquot Regeneration Method, SAR), τη μέθοδο των πρόσθετων δόσεων πολλαπλών δειγμάτων (Multiple Aliquot Additive Dose Method, MAAD) και τη μέθοδο βαθύτερων παγίδων (Very Deep Traps, VDT). Όλες οι μέθοδοι εφαρμόζονται σε δείγματα λεπτών κόκκων (fine grain technique) όπου η παρασκευή των δειγμάτων έγινε στο εργαστήριο Φωταύγειας στο Τμήμα Φυσικής του Αριστοτελείου πανεπιστημίου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο «Αθηνά», στην Ξάνθη. Το όργανο καταμέτρησης που χρησιμοποιήθηκε είναι το Risö TL/OSL (model TL/OSL (DA-15)) της Δανίας. Κάθε μέθοδος χαρακτηρίζεται από πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το πρωτόκολλο SAR εφαρμόζεται σε ένα δείγμα, επομένως συχνά απαιτείται διόρθωση λόγω της ευαισθητοποίησης. Το πρωτόκολλο MAAD απαιτεί μεγαλύτερο αριθμό δειγμάτων (περισσότερα από 10 ), αίροντας το πρόβλημα της ευαισθητοποίησης. Παρόλα ταύτα με αυτή τη διαδικασία εισάγεται το ζήτημα της επαναληψιμότητας, όπου τα δείγματα πρέπει να έχουν όσο το δυνατόν όμοιες μάζες και κατανομή. 6

7 ABSTRACT Fired ceramics are used as everyday objects like tiles, bricks and plates. Because of the development of pottery art, they were also used in ancient world as vessels, amphorae and cookware. The absolute age of a historical or archaeological ceramic object is the most significant and useful piece of information, since this can be used to assist the characterization of the site, as well as a crosscheck of the age of a building, structure, or settlement. Among the various dating techniques, luminescence stands as the most effective and well-established one towards the age assessment of heated/burnt materials In the present study, an integrated approach towards the comparison between the different types of luminescence dating is attempted. Namely, are compared results from thermoluminescence (TL), optically stimulated luminescence (OSL) and infrared Stimulated Luminescence, (IRSL). Specifically, the comparative study includes the Single Aliquot Regeneration Method (SAR), the multiple aliquot additive dose method (MAAD) and the very deep traps (VDT) method. The preparation of the samples took place in the laboratory of Luminescence in Physics Department of Aristotle University of Thessaloniki. Aliquots were prepared under the fine grain technique. Measurements were carried out using a Risö TL/OSL reader (model TL/OSL (DA-15)), in the laboratory Athena, in Xanthi. Generally, both protocols, SAR and MAAD, have advantages and disadvantages. SAR protocol includes measurements with a single aliquot. In this case, a correction for samples with sensitization is necessary. On the other hand, MAAD protocol requires measurements on different samples (more than 10 aliquots). This procedure erases the problem of sensitization but initiates a new one concerning the mass reproducibility. 7

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής αφορά τη συγκριτική μελέτη των διαφόρων φωταυγειακών μεθόδων και τεχνικών που χρησιμοποιούνται ευρέως με στόχο τη χρονολόγηση αντικειμένων. Η έρευνα επικεντρώθηκε σε κεραμικά υλικά, εφόσον πρόκειται για ένα είδος που εντοπίζεται σε όλες τις χρονολογικές περιόδους, ως αναπόσπαστο χαρακτηριστικό των κοινωνιών της αρχαίας περιόδου αλλά και ως αντικείμενο της καθημερινότητας σε παγκόσμια κλίμακα. Στην πρώτη ενότητα περιγράφεται το φαινόμενο της φωταύγειας και δίνονται τα χαρακτηριστικά των μεθόδων που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία καθώς και τα θεωρητικά μοντέλα που εξηγούν το φαινόμενο. Στην επόμενη ενότητα γίνεται η θεωρητική περιγραφή των τεχνικών που χρησιμοποιούνται στην χρονολόγηση με τη φωταύγεια, ενώ στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ιδιότητες, η σύσταση και ο τρόπος επιλογής γενικότερα των κεραμικών και ειδικότερα του υλικού που χρησιμοποιήθηκε. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται η οργανολογία που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διαδικασία των πειραματικών μετρήσεων και ακριβέστερα γίνεται λεπτομερής περιγραφή του συστήματος Risö TL/OSL. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία παρασκευής των δειγμάτων, που βασίζεται στην Fine grain technique (τεχνική λεπτών κόκκων). Στις δύο τελευταίες ενότητες παρουσιάζονται η επεξεργασία των πειραμάτων και τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από αυτά, καθώς και τα συμπεράσματα και η γενική εικόνα που δημιουργείται έπειτα από τη συνολική διαδικασία. 8

9 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΦΩΤΑΥΓΕΙΑ 1.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Φωταύγεια καλείται η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με τη μορφή φωτός, κατά την αποδιέγερση ατόμων ή μορίων ενός υλικού, τα οποία αρχικά είχαν διεγερθεί με την προσφορά μη θερμικής ενέργειας. Θα μας απασχολήσει μόνο η φωταύγεια που επάγεται από ιονιστική (ραδιενεργό) ακτινοβολία. Το μήκος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι χαρακτηριστικό του υλικού και ανεξάρτητο του είδους της ιονιστικής ακτινοβολίας. Η εκπομπή μπορεί να συμβεί στις περιοχές της υπέρυθρης, του ορατού φάσματος και της υπεριώδους. Η φωταύγεια καλείται με διάφορες ονομασίες που χαρακτηρίζουν το είδος της διέγερσης του υλικού. Κάποια από αυτά τα είδη είναι τα εξής : Φωτοφωταύγεια, διέγερση με ορατό ή υπεριώδες φως. Ραδιοφωταύγεια, διέγερση με ιονίζουσα ακτινοβολία. Καθοδοφωταύγεια, διέγερση από δέσμη ηλεκτρονίων. Τριβοφωταύγεια, διέγερση μέσω τριβής (μηχανική ενέργεια). Χημειοφωταύγεια, παροχή ενέργειας από χημικές αντιδράσεις. Βιοφωταύγεια, παροχή ενέργειας από βιοχημικές αντιδράσεις. Ηχοφωταύγεια, διέγερση μέσω ηχητικών κυμάτων. Ηλεκτροφωταύγεια, διέγερση λόγω ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, μπορούμε να διακρίνουμε τη φωταύγεια από τον τρόπο σκανδαλισμού αποδιέγερσης του υλικού. Για παράδειγμα, μπορεί ένα υλικό να έχει διεγερθεί από ιονιστική ακτινοβολία, όμως μπορεί να χαρακτηρίζεται ως : Θερμοφωταύγεια, η αποδιέγερση συμβαίνει με θέρμανση του υλικού. Οπτικώς Προτρεπόμενη Φωταύγεια, η αποδιέγερση συμβαίνει με πρόσπτωση συγκεκριμένου μήκους κύματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ο χαρακτηριστικός χρόνος τ c που μεσολαβεί από τη στιγμή της δράσης της επάγουσας ακτινοβολίας ως την εκπομπή του φωτός, αποτελεί κριτήριο διάκρισης δύο φαινομένων. Αν τ c 10-8 sec τότε υφίσταται το φαινόμενο του φθορισμού όπου η διέγερση και η εκπομπή γίνονται σχεδόν ταυτόχρονα και υπάρχει άμεση εξάρτηση από τη 10

11 θερμοκρασία. Αν τ c > 10-8 sec τότε υφίσταται το φαινόμενο του φωσφορισμού όπου μεταξύ διέγερσης και εκπομπής μεσολαβεί κάποια καθυστέρηση και το φαινόμενο δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Η καθυστέρηση αυτή οφείλεται στις προσμίξεις ή ατέλειες του πλέγματος του υλικού. Το φαινόμενο της φωταύγειας οφείλεται στο φωσφορισμό κάποιον υλικών. Επομένως, εξαρτάται άμεσα από τη δομή του κάθε υλικού, τις προσμίξεις και τις ατέλειες που εμπεριέχει, το ιστορικό θέρμανσής του και την έκθεση στο ηλιακό φως. 1.2 ΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Ως θερμοφωταύγεια (Thermoluminescence, TL) ορίζεται η θερμικά προτρεπόμενη εκπομπή φωτός από μονωτές ή ημιαγωγούς, οι οποίοι αρχικά διεγείρονται από ιονιστική ή υπεριώδη ακτινοβολία και έπειτα αποδιεγείρονται λόγω θέρμανσης. Οι προυποθέσεις που πρέπει να πληρούνται ώστε να εμφανιστεί θερμοφωταύγεια είναι οι ακόλουθες : Το υλικό πρέπει να είναι μονωτής ή ημιαγωγός. Το υλικό πρέπει να έχει απορροφήσει ενέργεια μετά από έκθεσή του σε ιονιστική ακτινοβολία. Το φως εκπέμπεται αποκλειστικά μετά τη θέρμανση του υλικού. Μετά την εκπομπή φωτός με τη θέρμανση, η άμεση θέρμανση του υλικού αφού πρώτα έχει ψυχθεί δεν εκπέμπει θερμοφωταύγεια. Κατά τη διάρκεια μετρήσεων θερμοφωταύγειας, μία συγκεκριμένη ιδιότητα του εξεταζόμενου υλικού μελετάται συναρτήσει της θερμοκρασίας του. Το δείγμα θερμαίνεται με σταθερό ρυθμό θέρμανσης β, από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ως μία μέγιστη θερμοκρασία Τmax. Κατά τη θέρμανση, υπάρχει καταγραφή της έντασης του εκπεμπόμενου φωτός συναρτήσει της θερμοκρασίας, παρέχοντας ένα φάσμα το οποίο καλείται φωτοκαμπύλη (glowcurve). Σε κάθε φωτοκαμπύλη θα πρέπει να είναι καθορισμένες οι εξής δύο παράμετροι : ο ρυθμός θέρμανσης β και η μέγιστη θερμοκρασία Τmax. Έπειτα, από τις φωτοκαμπύλες, μπορούμε να εξάγουμε συμπεράσματα για τις τιμές παραμέτρων όπως η ενέργεια ενεργοποίησης (activation energy,[ev]) και ένας προεκθετικός παράγοντας (pre-exponential factor, [s -1 ]), που ονομάζεται και συντελεστής συχνότητας (frequence factor). 11

12 1.3 ΒΑΣΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Η εκπομπή θερμοφωταύγειας από ένα υλικό ακολουθεί τα εξής στάδια : Ιονισμός και παγίδευση ηλεκτρονίων. Αποθήκευση. Επανασύνδεση ηλεκτρονίων και οπών με εκπομπή φωτονίων. Ο ιοντικός κρύσταλλος αποτελείται από ένα πλέγμα θετικών και αρνητικών ιόντων. Μέσα σε αυτό το πλέγμα πολλές φορές υπάρχουν προσμίξεις, οι οποίες δημιουργούν ατέλειες. Οι ατέλειες δρουν ως παγίδες ηλεκτρονίων ή οπών, δημιουργώντας έτσι μετασταθείς στάθμες στο ενεργειακό χάσμα του υλικού. Το ενεργειακό χάσμα είναι το κενό μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους. Όταν προσπίπτει ιονιστική ακτινοβολία πάνω στο άτομο, αποσπά ηλεκτρόνια (ιονισμός), τα οποία κινούνται ελεύθερα στο πλέγμα. Όταν ένα ηλεκτρόνιο παγιδευτεί σε μία από τις μετασταθείς στάθμες, παραμένει εκεί έως ότου αποκτήσει την απαιτούμενη ενέργεια για να απελευθερωθεί. Η απαιτούμενη ενέργεια του δίνεται από τις δονήσεις του πλέγματος, οι οποίες γίνονται εντονότερες με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το ηλεκτρόνιο όταν απελευθερωθεί από την παγίδα, μπορεί να επαναπαγιδευτεί σε μία βαθύτερη παγίδα ή να επανασυνδεθεί με μία οπή εκπέμποντας φωτόνια. Τα άτομα ή μόρια στα οποία λαμβάνει χώρα η επανασύνδεση ηλεκτρονίων και οπών ονομάζονται κέντρα φωταύγειας. Κάθε κέντρο φωταύγειας διακρίνεται από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι ανάλογη του αριθμού των παγιδευμένων ηλεκτρονίων και κατά συνέπεια ανάλογη της έντασης της πυρηνικής (ιοντίζουσας) ακτινοβολίας που διεγείρει τον κρύσταλλο. Οι παγίδες εγκλωβίζουν ηλεκτρόνια που προέρχονται από τη ζώνη αγωγιμότητας και συμβολίζονται με T i. Όσο πιο βαθιά είναι μία παγίδα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή της απόσταση από την ενέργεια της ζώνης αγωγιμότητας. Τα κέντρα φωταύγειας εγκλωβίζουν οπές, συμβολίζονται με L i και η ενεργειακή τους απόσταση υπολογίζεται από την ενέργεια της ζώνης σθένους. Ακολουθεί ένα σχήμα στο οποίο περιγράφεται το φαινόμενο φωταύγειας. 12

13 ΣΧΗΜΑ : Αναπαράσταση του φαινομένου της θερμοφωταύγειας. Οι μαύροι κύκλοι παραστούν ηλεκτρόνια ενώ οι λευκοί κύκλοι τις οπές. Στο σχήμα μπορούμε να δούμε πως η παγίδα T s είναι πιο ρηχή από την παγίδα T d, οπότε η πρώτη είναι περισσότερο ευσταθής. Ηλεκτρόνιο δύναται να επανασυνδεθεί με οπή σε μη φωταυγειακό κέντρο με αποτέλεσμα την μη εκπομπή φωτός. Η απελευθέρωση ενέργειας εμφανίζεται με άλλες μορφές, κυρίως θερμική. 1.4 ΟΡΙΣΜΟΣ ΟΠΤΙΚΑ ΠΡΟΤΡΕΠΟΜΕΝΗΣ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Οπτικά Προτρεπόμενη Φωταύγεια ( Optical Stimulated Luminescence, OSL) ονομάζεται η εκπομπή φωτός από μονωτές ή ημιαγωγούς έπειτα από σκανδαλισμό του υλικού με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος. Η ενέργεια διέγερσης παρέχεται από ιονιστική ακτινοβολία. Πρακτικά, το φαινόμενο παρουσιάζει ομοιότητες με τη θερμοφωταύγεια, η οποία αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, με βασική διαφορά την αιτία αποδιέγερσης. 13

14 Η μέτρηση οπτικά προτρεπόμενης φωταύγειας το δείγμα αποδιεγείρεται με ακτινοβόληση συγκεκριμένου μήκους κύματος ενώ ταυτόχρονα καταγράφεται η ένταση της εκπεμπόμενης από το δείγμα ακτινοβολίας συναρτήσει του χρόνου έκθεσης στην ακτινοβολία σκανδαλισμού. Το «φως» που προσπίπτει στο δείγμα για να του παρέχει την απαραίτητη ενέργεια αποδιέγερσης διαφέρει σε μήκος κύματος από το εκπεμπόμενο από το δείγμα «φως» ώστε να μπορεί να διαχωριστεί με κατάλληλα φίλτρα. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως OSL ή ωςirsl (Infra-Red Stimulated Luminescence), ανάλογα με την πηγή σκανδαλισμού όπου στην πρώτη περίπτωση είναι ορατού μήκους κύματος ενώ στη δεύτερη έχει μήκος κύματος που ανήκει στην περιοχή του υπερύθρου. Η πηγή ακτινοβόλησης για σκανδαλισμό του δείγματος επιτρέπει την μεταβολή ισχύος της με αποτέλεσμα να διακρίνονται οι ακόλουθες περιπτώσεις σκανδαλισμού : Α. Οπτικά Προτρεπόμενη Φωταύγεια με σταθερή ένταση σκανδαλισμού. (Continuous Wave OSL, CW OSL). Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σκανδαλισμού διατηρεί σταθερή ένταση ισχύος σε όλη τη διάρκεια της μέτρησης, όπου γίνεται καταγραφή της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Η καμπύλη που προκύπτει από τη μέτρηση καλείται καμπύλη διάσπασης ( OSL decay curve) και περιγράφει τη βαθμιαία μείωση της έντασης του εκπεμπόμενου φωτός με την αύξηση του χρόνου έκθεσης, λόγω της εκκένωσης των παγίδων. Β. Φωταύγεια γραμμικά αυξανόμενης οπτικής προτροπής. (Linearly Modulated OSL, LM OSL). Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής έντασης σκανδαλισμού αυξάνει γραμμικά με το χρόνο, δηλαδή με ένα σταθερό ρυθμό, από μηδενική τιμή της ισχύος της έως μία μέγιστη τιμή της ισχύος που καθορίζεται από το εκάστοτε πείραμα. Εφόσον ο ρυθμός απελευθέρωσης ηλεκτρονίων εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας, το φάσμα θα διαφέρει από αυτό της CW OSL. Αρχικά η ένταση που καταγράφεται είναι μικρή εφόσον η μικρής ισχύος ακτινοβολία σκανδαλισμού δεν φέρει αρκετή ενέργεια ώστε να απελευθερώσει μεγάλο πλήθος ηλεκτρονίων. Η σταδιακή αύξηση της ισχύος, επιφέρει ταυτόχρονα αύξηση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας που καταγράφεται, μέχρι κάποια μέγιστη τιμή η οποία θεωρητικά αντιστοιχεί σε πλήρη εκκένωση των παγίδων. Κατόπιν η καμπύλη υφίσταται απότομη πτώση. Ο χρόνος στον οποίο αντιστοιχεί η κάθε κορυφή εξαρτάται από το είδος των παγίδων και το ρυθμό αύξησης της ισχύος της ακτινοβολίας σκανδαλισμού. 14

15 Γ. Παλμική οπτικά προτρεπόμενη φωταύγεια. (Pulsed OSL, P - OSL). Το φως σκανδαλισμού εκπέμπεται υπό μορφή παλμών σταθερής χρονικής διάρκειας. Το εκπεμπόμενο φως καταμετράται ανάμεσα στους παλμούς, οπότε ο διαχωρισμός με το φως σκανδαλισμού γίνεται με κριτήριο το χρόνο και όχι το μήκος κύματος με αποτέλεσμα να μην είναι απαραίτητη η χρήση φίλτρων. 1.5 ΦΩΤΟΚΑΜΠΥΛΗ (GLOW CURVE) Φωτοκαμπύλη καλείται η γραφική παράσταση της έντασης του εκπεμπόμενου φωτός από ένα δείγμα το οποίο διεγέρθηκε από ιονιστική ακτινοβολία, συναρτήσει της θερμοκρασίας θέρμανσης. Η φωτοκαμπύλη παρουσιάζει κάποιες κορυφές, οι οποίες αντιστοιχούν στις παγίδες του υλικού. Τυπική μορφή φωτοκαμπύλης παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. ΣΧΗΜΑ : Φωτοκαμπύλη κεραμικού που δέχτηκε β-ακτινοβολία 20 Gy. Όσο η θερμοκρασία είναι χαμηλή, δεν παρέχεται στα ηλεκτρόνια η απαραίτητη ενέργεια ώστε να διαφύγουν από την παγίδα ενέργειας Ε a. Επομένως, η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός είναι χαμηλή. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, αυξάνει η ενέργεια των παγιδευμένων ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα όλο και περισσότερα να διαφεύγουν από την παγίδα. Κατ αυτόν τον τρόπο παρατηρείται αύξηση του εκπεμπόμενου φωτός μέχρι μία μέγιστη τιμή. Η τιμή αυτή αντιστοιχεί σε εκκένωση 15

16 της παγίδας. Εφόσον δεν υπάρχουν άλλα παγιδευμένα ηλεκτρόνια, η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός υφίσταται πτώση. Αν το υλικό διαθέτει και άλλες βαθύτερες παγίδες, θα παρατηρηθούν και άλλες φωτοκορυφές σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Επίσης, σε όσο πιο υψηλή δόση ιονίζουσας ακτινοβολίας εκτίθεται το υλικό, τόσο πιο βαθιές παγίδες δύναται να γεμίσουν, εφόσον υπάρχουν στο υλικό. Μετά από κάποια θερμοκρασία, παρατηρείται απότομη αύξηση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, η οποία αντιστοιχεί σε εκπομπή μέλανος σώματος και οφείλεται στην ερυθροπύρωση του υλικού. Σε αυτήν την περίπτωση συνήθως, λαμβάνεται και μια δεύτερη μέτρηση (χωρίς επανακτινοβόληση) ώστε να αφαιρεθεί από την πρώτη και να λάβουμε το «καθαρό» σήμα του δείγματος. 1.6 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ-ΔΟΣΙΜΕΤΡΩΝ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ, (TLDs) Για να κριθεί ένα υλικό κατάλληλο για δοσίμετρο πρέπει να πληροί κάποιες χαρακτηριστικές ιδιότητες, οι κυριότερες των οποίων είναι οι εξής : Υψηλή συγκέντρωση παγίδων και υψηλή αποδοτικότητα σε εκπεμπόμενο φως σχετιζόμενο με τη διαδικασία της επανασύνδεσης. Καλή αποθηκευτική σταθερότητα των παγιδευμένων φορτίων ως συνάρτηση του χρόνου αποθήκευσης και της θερμοκρασίας. Παρουσίαση απλής φωτοκαμπύλης, που να επιτρέπει την ερμηνεία των αποτελεσμάτων όσο πιο απλά γίνεται. Ένα φάσμα εκπεμπόμενου TL φωτός στο οποίο πρέπει να είναι ευαίσθητο το ανιχνευτικό σύστημα (συνήθως σε μήκος κύματος Å). Η κύρια κορυφή πρέπει να παρουσιάζει ένα μέγιστο περίπου στην περιοχή των ο C. Τα υλικά θα πρέπει να παρουσιάζουν σχετικά μεγάλη αντίσταση στους ανεπιθύμητους περιβαλλοντικούς παράγοντες ( υγρασία, φως). Δεν πρέπει να υφίστανται καταστροφή από την ακτινοβολία (Radiation Damage) στην κλίμακα των δόσεων που χρησιμοποιούνται. Μικρή διακύμανση να εμφανίζεται για κάθε ενεργειακή τιμή φωτονίων. Γραμμική απόκριση (Dose Response) δόσεων για όλη την κλίμακα των δόσεων που χρησιμοποιούνται. Μη τοξικότητα στην περίπτωση κλινικής χρήσης. Η απόκριση στις δόσεις να είναι ανεξάρτητη από το ρυθμό με τον οποίον αυτές δόθηκαν. Εμφάνιση όσο το δυνατόν χαμηλότερου ορίου ανίχνευσης δόσεων, εξαρτώμενο από το σκοπό χρήσης του δοσιμέτρου. Όσο το δυνατόν μικρότερη «αυτό ακτινοβόληση» αν το υλικό περιέχει φυσικά ραδιενεργά. 16

17 1.7 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΚΩΝ ΔΟΣΙΜΕΤΡΩΝ Τα βασικά χαρακτηριστικά που διέπουν τα θερμοφωταυγειακά δοσίμετρα είναι η ευαισθησία και η απόκριση δόσης, τα οποία αναλύονται εκτενώς στις παραγράφους που ακολουθούν Ευαισθησία (Sensitivity). Ως ευαισθησία ορίζεται η ποσότητα σήματος φωταύγειας που εκπέμπεται ανά μονάδα απορροφούμενης δόσης. Για το ίδιο δοσίμετρο, η ευαισθησία μπορεί να διαφέρει με το είδος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (α, β ή γ). Η ευαισθησία δίνεται από τον παρακάτω τύπο, όπου m η μάζα, D η απορροφούμενη δόση και TL ή OSL η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός. Λόγω των διαφορετικών ειδών ακτινοβολίας μπορούμε να ορίσουμε για ένα υλικό τις αντίστοιχες ευαισθησίες S α, S β, S γ. Μια δόση α- ακτινοβολίας προκαλεί μικρότερη ένταση εκπεμπόμενου φωτός από την ίδια δόση προερχόμενη από β ή γ ακτινοβολία, λόγω της μικρότερης διεισδυτικότητας της πρώτης. Στα συνθετικά υλικά, η ευαισθησία μπορεί να αυξηθεί με κατάλληλες προ κατεργασίες ακτινοβόλησης και θέρμανσης. Η αύξηση της ευαισθησίας ενός υλικού καλείται ευαισθητοποίηση (sensitization) Απόκριση Δόσης (Dose Response). Ως απόκριση δόσης ορίζεται η συναρτησιακή εξάρτηση της έντασης του μετρούμενου σήματος φωταύγειας, από τη δόση που αυτό απορροφά. Το δοσίμετρο που εμφανίζει γραμμική απόκριση δόσης σε ένα μεγάλο φάσμα δόσεων καλείται ιδανικό δοσίμετρο και το σήμα φωταύγειας του αυξάνει γραμμικά με τη δόση. Τα πραγματικά δοσίμετρα παρουσιάζουν διάφορα μη γραμμικά φαινόμενα απόκρισης. Για ένα πραγματικό δοσίμετρο, η γραμμικότητα απόκρισης δόσης ενδιαφέρει για τις ενδιάμεσες τιμές δόσεων (που είναι και το κυρίως φάσμα μελέτης). Σε υψηλότερες δόσεις από αυτήν την περιοχή, πολλές φορές εμφανίζεται το φαινόμενο της υπογραμμικότητας (sublinearity), όπου όλες οι παγίδες έχουν πλέον γεμίσει με αποτέλεσμα περαιτέρω αύξηση της δόσης να αντιστοιχεί σε σταθερό σήμα φωταύγειας ( κατάσταση κόρου). Συχνά, σε πολλά υλικά, εμφανίζεται στις χαμηλές δόσεις το φαινόμενο της υπεργραμμικότητας (supralinearity), όπου το δοσίμετρο χαρακτηρίζεται από χαμηλή ευαισθησία και το σήμα που παρατηρείται δεν αυξάνει γραμμικά με την δόση σε εκείνη την περιοχή. 17

18 1.8 ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ (ΚΙΝΗΤΙΚΕΣ) Σκοπός των θεωρητικών μοντέλων είναι η εξαγωγή μιας αναλυτικής σχέσης που θα περιγράφει την φωτοκαμπύλη και θα συσχετίζει την ένταση της θερμοφωταύγειας συναρτήσει της θερμοκρασίας Μοντέλο Randall-Wilkins (Πρώτης τάξης κινητική) Το 1945, οι Randall και Wilkins χρησιμοποίησαν εκτεταμένα μία μαθηματική αναπαράσταση για κάθε κορυφή σε μία φωτοκαμπύλη, ξεκινώντας από μελέτες στο φωσφορισμό. Η μαθηματική τους αντιμετώπιση του προβλήματος βασίστηκε στο μοντέλο των ενεργειακών ζωνών. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από την ταινία αγωγιμότητας (ΤΑ), την ταινία σθένους (ΤΣ) και δύο μετασταθείς στάθμες που βρίσκονται εντός της απαγορευμένης ζώνης. Η μία στάθμη ενεργεί ως παγίδα (Τ) και η άλλη ως κέντρο επανασύνδεσης ( R ). Η απόσταση ανάμεσα στην παγίδα Τ και τον πυθμένα της ταινίας αγωγιμότητας ΤΑ ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης (activation energy) ή βάθος της παγίδας, Ε. Αυτή είναι και η ενέργεια που απαιτείται ώστε να απελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο που είναι παγιδευμένο στην παγίδα Τ. Η πιθανότητα απελευθέρωσης ενός ηλεκτρονίου από την παγίδα Τ δίνεται από την εξίσωση Arrhenius : όπου k η σταθερά Boltzmann, s ο παράγοντας συχνότητας και Τ η θερμοκρασία. Η σχέση ( ) που ακολουθεί δίνει την ένταση του φωτός Ι από παγιδευμένα ηλεκτρόνια σε ένα επίπεδο παγίδευσης Ε. όπου n 0 ο αριθμός των ηλεκτρονίων που υπάρχουν στην παγίδα σε χρόνο t 0 και σε θερμοκρασία Τ 0, k η σταθερά του Boltzmann, s ένας παράγοντας συχνότητας που σχετιζεται με την ειδική πλεγματική ατέλεια, C μια σταθερά που σχετίζεται με τη φωταυγειακή απόδοση και R ο ρυθμός θέρμανσης του υλικού. 18

19 ΣΧΗΜΑ : Εξάρτηση της έντασης από το n 0. ΣΧΗΜΑ : Εξάρτηση της έντασης από το βάθος της παγίδας Ε. ΣΧΗΜΑ : Εξάρτηση από το ρυθμό θέρμανσης R. 19

20 1.8.2 Μοντέλο Garlick-Gibson (Δεύτερης τάξης κινητική) Το 1948, οι Garlick και Gibson στις μελέτες τους για το φωσφορισμό θεώρησαν την περίπτωση στην οποία ένας φορτισμένος φορέας έχει πιθανότητα είτε να παγιδευτεί είτε να επανασυνδεθεί σε ένα κέντρο επανασύνδεσης. Υπέθεσαν πως η απόδραση ενός ηλεκτρονίου από την παγίδα παρουσιάζει την ίδια πιθανότητα για επανα παγίδευση (Re trapping) ή επανα-σύνδεση ( Re combination) με μία οπή σε ένα κέντρο επανασύνδεσης. Σε αυτήν την περίπτωση, η ένταση του φωτός θα περιγράφεται από τη σχέση ( ) που ακολουθεί. όπου, n 0 ο αριθμός των ηλεκτρονίων που υπάρχουν στην παγίδα σε χρόνο t 0 και σε θερμοκρασία Τ 0, k η σταθερά του Boltzmann, s ένας παράγοντας συχνότητας που σχετιζεται με την ειδική πλεγματική ατέλεια, C μια σταθερά που σχετίζεται με τη φωταυγειακή απόδοση και R ο ρυθμός θέρμανσης του υλικού Μοντέλο May-Patridge (Γενικής τάξης κινητική). Ενδιάμεσες περιπτώσεις που δεν ικανοποιούνται από την πρώτη ή τη δεύτερη κινητική, περιγράφονται από την γενικής τάξης κινητική, η οποία αναπτύχθηκε το 1964 από τους May και Patridge. Πρόκειται για μια εμπειρική έκφραση που βασίστηκε στην παραδοχή πως τα ενεργειακά επίπεδα των παγίδων είναι απλά. Η ένταση Ι (Τ) θα περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση : Τα σύμβολα είναι τα ίδια με αυτά των δύο προηγούμενων κινητικών. Παρατηρούμε πως η ένταση περιγράφεται από δύο παράγοντες : Τον εκθετικό παράγοντα που αυξάνει σταθερά με την αύξηση της θερμοκρασίας. 20

21 Τον παράγοντα εντός των αγκυλών που μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι περιγράφεται η φωτοκαμπύλη όπου σε μικρές θερμοκρασίες υπερισχύει ο εκθετικός όρος, έπειτα οι δύο όροι εξισώνονται δημιουργώντας ένα μέγιστο (φωτοκορυφή) και στη συνέχεια υπερισχύει ο δεύτερος όρος οδηγώντας σε πτώση της έντασης. Η έκφραση της γενικής τάξης κινητικής, αν θέσουμε b=2, ταυτίζεται με την έκφραση της δεύτερης τάξης κινητικής. Αν θέλουμε μέσω της ( ) να οδηγηθούμε στην έκφραση της πρώτης τάξης κινητικής θα πρέπει να πάρουμε το όριο b 1 εφόσον για b=1 παρουσιάζεται ασυνέχεια. 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΧΡΟΝΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑ 2.1 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Η φωταύγεια αποτελεί χρήσιμο εργαλείο σε διάφορες εφαρμογές της δοσιμετρίας, οι οποίες κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες ενότητες. Οπισθοβατική δοσιμετρία (retrospective dosimetry). Αφορά τον υπολογισμό των δόσεων των υλικών, λόγω της έκθεσης τους σε ακτινοβολία σε παρελθοντικό χρόνο. Ατομική δοσιμετρία (personal dosimetry). Αφορά τον υπολογισμό απορροφούμενης δόσης από το ανθρώπινο σώμα και τα ζωτικά του όργανα. Μεγαλύτερη έμφαση δίνεται στους εργαζόμενους ακτινοβολίας. Δοσιμετρία περιβάλλοντος (environmental dosimetry). Πραγματεύεται τις επιπτώσεις που προέρχονται από τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (αντιδραστήρες, πυρηνικά απόβλητα, πυρηνική βιομηχανία) Η οπισθοβατική δοσιμετρία διακρίνεται σε δύο υποκατηγορίες : Δοσιμετρία ατυχημάτων. Χρονολόγηση. 2.2 ΧΡΟΝΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑ Η χρονολόγηση με θερμοφωταύγεια είναι μία απόλυτη μέθοδος, δηλαδή δεν προϋποθέτει την ύπαρξη υλικών γνωστής ηλικίας για εξακρίβωση (calibration). Επιπλέον, πρόκειται για άμεση μέθοδο χρονολόγησης, όπου μετράται το αποτέλεσμα, δηλαδή η ένταση εκπεμπόμενου φωτός, η οποία αυξάνει με την πάροδο του χρόνου. Οι πρώτες χρονολογήσεις με θερμοφωταύγεια έγιναν σε ελληνικά αγγεία τη δεκαετία του 1960 από τους Kennedy και Knopff. Έπειτα η χρήση αυτής της μεθόδου χρονολόγησης επεκτάθηκε σε καμένα υλικά (κεραμικά, πέτρες, ιζήματα, κλιβάνους) αλλά και σε μη καμένα υλικά ( ωκεάνια και ποτάμια ιζήματα). 22

23 Η χρονολόγηση με TL βασίζεται στην ύπαρξη κρυσταλλικών υλικών στο προς μελέτη δείγμα, το οποίο εκτίθεται διαρκώς στα φυσικά ραδιενεργά και στην κοσμική ακτινοβολία και σε κάθε ακτινοβολία του περιβάλλοντος του, συμβάλλοντας στη φυσική θερμοφωταύγεια (natural thermoluminescence, NTL). Με τη μέθοδο αυτή μπορεί να μετρηθεί το χρονικό διάστημα από την δημιουργία των πετρωμάτων (για ορυκτά και πετρώματα) ή το χρονικό διάστημα από την κατασκευή των υλικών. Για τα κεραμικά το διάστημα αυτό είναι από την τελευταία φορά θέρμανσης τους. Εφόσον το κεραμικά είναι ανοπτημένα, δηλαδή ψήθηκαν κατά την κατασκευή τους, η NTL έχει μηδενιστεί και αρχίζει να αυξάνει από εκείνη τη χρονική στιγμή και έπειτα. Αν δεν μεσολαβήσει κάποια επαναθέρμανση (πχ πυρκαγιά) με τη μέθοδο αυτή μπορούμε να εκτιμήσουμε το χρόνο που παρήλθε. Η ηλικία ορίζεται ως ο λόγος της ισοδύναμης ολικής δόσης προς την ετήσια δόση. Ο προσδιορισμός της ηλικίας t γίνεται μέσω της παρακάτω σχέσης : όπου, NTL η φυσική θερμοφωταύγεια, S η ευαισθησία και DR ο ετήσιος ρυθμός απορροφούμενης δόσης. Ο ετήσιος ρυθμός είναι αποτέλεσμα τεσσάρων συνιστωσών, του ρυθμού από α- ακτινοβολία DR α, της β- ακτινοβολίας DR β και της γ- ακτινοβολίας DR γ. Η τελευταία συνιστώσα αφορά το ρυθμό από την κοσμική ακτινοβολία, DR CR, ο οποίος συνήθως έχει μικρή τιμή. Ορίζουμε το λόγο των ευαισθησιών S α /S β = k a. Η τιμή του συνήθως είναι μικρότερη του 0.1. Τότε η ηλικία μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση : Ο αριθμητής είναι ισοδύναμος με τη βήτα τεχνητή δόση (δηλαδή την εργαστηριακή), η οποία επάγει θερμοφωταύγεια ίση με την φυσική και ονομάζεται ισοδύναμη βήτα δόση ED β. Η χρονολόγηση λαμβάνει χώρα σε συνθήκες φωτογραφικού θαλάμου σε κρυστάλλους, οι οποίοι βρίσκονται υπό μορφή σκόνης και έχουν αφαιρεθεί από το αρχικό υλικό μετά από θραύση, τριβή και επίδραση διαλύματος οξέων. 23

24 Αναμενόμενη είναι η ύπαρξη μόνο των βαθύτερων παγίδων, μετά τους 250 ο C περίπου, εφόσον οι ρηχές παγίδες έχουν πολύ μικρό χρόνο ημιζωής, που σημαίνει πως τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να παραμείνουν σε αυτές για μεγάλο χρονικό διάστημα. 2.3 ΧΡΟΝΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕ ΟΠΤΙΚΑ ΠΡΟΤΡΕΠΟΜΕΝΗ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑ Αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο με ορατό όσο και με υπέρυθρο φως και γι αυτό διακρίνεται ως OSL (Optical Stimulated Luminescence) ή IRSL (Infra-Red Stimulated Luminescence), όπως ειπώθηκε και σε προηγούμενη ενότητα. Η οπτικά προτρεπόμενη φωταύγεια καθορίζει το χρονικό διάστημα που παρήλθε από τότε που οι κρύσταλλοι του υλικού εκτέθηκαν για τελευταία φορά στο ηλιακό φως. Η παρατεταμένη έκθεση στο ηλιακό φως τείνει να αδειάσει τις παγίδες του υλικού, φαινόμενο που καλείται λεύκανση (bleaching). Έτσι μπορεί να μηδενιστεί η Natural OSL (NOSL) ή η Natural IRSL (NIRSL). Χρησιμοποιείται για χρονολόγηση σε γεωλογικά ιζήματα και αρχαιολογικά ευρήματα, όπως κεραμικά, κλιβάνους, εστίες και βραχογραφίες. Η μέθοδος OSL εφαρμόζεται κυρίως με δύο τεχνικές, οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω. 2.4 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΩΝ TL & OSL ΤΕΧΝΙΚΩΝ Οι δύο βασικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τον σχεδιασμό πρωτοκόλλων βασισμένων στις τεχνικές TL, OSL και IRSL είναι η Single Aliquot Regeneration Method και η Multi Aliquot Additive Dose Method. Επιπλέον, έχουν δημιουργηθεί και κάποια πρωτόκολλα τα οποία συνδυάζουν τις τεχνικές και τις μεθόδους που αναφέρθηκαν με μία μέθοδο η οποία καλείται Very Deep Traps (VDT) και όπως θα περιγραφή, αφορά την ανάγνωση σήματος από παγίδες, βαθύτερες από αυτές που μπορούν να αναγνωσθούν με την απλή εκδοχή των τεχνικών TL, OSL και IRSL Μέθοδος Αναγέννησης Σήματος ενός μοναδικού Δείγματος (Single Aliquot Regeneration Method, SAR) Η μέθοδος SAR στην ελληνική γλώσσα αποδίδεται με τον όρο «Μέθοδος Αναγέννησης Σήματος ενός μοναδικού Δείγματος». Όπως φαίνεται και από το όνομα 24

25 της τεχνικής αυτής, περιλαμβάνει ένα και μοναδικό δισκίο, το οποίο και μετράται χωρίς να έχει λάβει εργαστηριακή δόση ώστε να ληφθεί η φυσική ένταση εκπεμπόμενου φωτός. Έπειτα το ίδιο δισκίο (και αφού πλέον έχει «σβηστεί») ακτινοβολείται με διάφορες δόσεις ώστε να βρεθεί η απόκριση δόσης του δείγματος. Η μέθοδος παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα όπως και μειονεκτήματα. Το κυριότερο μειονέκτημα της μεθόδου είναι οι τυχόν διορθώσεις που απαιτούνται λόγω του φαινομένου της ευαισθητοποίησης. Εφόσον το ίδιο δισκίο επαναχρησιμοποιείται δεν μπορούμε να αγνοήσουμε την αύξηση της ευαισθησίας όταν αυτή υφίσταται. Όμως δεν υπεισέρχονται σφάλματα επαναληψιμότητας μάζας (εφόσον πρόκειται για μοναδικό δισκίο) και σε περίπτωση ελάχιστης ποσότητας δείγματος είναι εύκολο να μελετηθεί με αυτή τη μέθοδο γιατί δεν υπάρχει ζήτηση πολλών δισκίων Μέθοδος Πρόσθετων Δόσεων Πολλαπλών Δειγμάτων (Multi Aliquot Additive Dose Method, MAAD) Πρόκειται για τη «Μέθοδο Πρόσθετων Δόσεων Πολλαπλών Δειγμάτων» όπου χρησιμοποιούνται πολλά δισκία, στα οποία προστίθεται στη φυσική δόση και μία εργαστηριακή δόση, διαφορετική για κάθε δείγμα. Επομένως, πριν την λήψη της εργαστηριακής δόσης το σήμα δεν έχει «σβηστεί» οπότε η δόση του κάθε δισκίου θα είναι Φυσική Δόση συν Εργαστηριακή Δόση. Η καμπύλη της απόκρισης δόσης που προκύπτει, προεκτείνεται ώστε να τέμνει τον άξονα των τετμημένων. Τότε η τετμημένη του σημείου τομής θα αντιστοιχεί στην ισοδύναμη δόση (Equivalent Dose, ED). Το βασικότερο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν υφίσταται το φαινόμενο της ευαισθητοποίησης των δειγμάτων, αφού το κάθε δισκίο χρησιμοποιείται μόνο για μία μέτρηση. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αφορά την επαναληψιμότητα της μάζας, εφόσον έστω και μικρή διαφοροποίηση στη μάζα των δειγμάτων μπορεί να επιφέρει διαφορετικές εκτιμήσεις. Ακόμα, για την παρασκευή τόσο πολλών δειγμάτων απαιτείται και περισσότερη αρχική μάζα δείγματος Μέθοδος Βαθύτερων Παγίδων (Very Deep Traps Method, VDT) Οι μέθοδοι TL, OSL και IRSL δύναται να διεγείρουν ηλεκτρόνια μόνο από τις ρηχές παγίδες του υλικού, καθώς με τον όρο «ρηχές» νοούνται οι παγίδες των οποίων τα ηλεκτρόνια μπορούν να διεγερθούν θερμικά με θερμοκρασία κάτω των 500 ο C και επομένως στη φωτοκαμπύλη παρουσιάζουν κορυφή σε θερμοκρασίες κάτω από αυτό το όριο. Εάν το υλικό περιέχει βαθύτερες παγίδες, τότε υπάρχουν ηλεκτρόνια 25

26 παγιδευμένα σε αυτές, τα οποία απαιτούν μεγαλύτερα ποσά ενέργειας ώστε να διεγερθούν. Οι βαθύτερες παγίδες καλούνται Very Deep Traps (VDT) και προκαλούν ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις περιπτώσεις χρονολογήσεων και δοσιμετρίας λόγω του πλεονεκτήματος που παρουσιάζουν έναντι των ρηχών παγίδων, το οποίο αφορά το μεγάλο χρόνο ημιζωής που τις χαρακτηρίζει. Επομένως, το σήμα που παγιδεύεται σε αυτές μπορεί να διατηρηθεί αναλλοίωτο για πολύ μεγάλο διάστημα συγκριτικά με αυτό των ρηχότερων παγίδων και επιπλέον, εφόσον απαιτείται μεγαλύτερη ενέργεια για τη διέγερσή τους, δεν είναι τόσο ευαίσθητα στις περιβαλλοντικές συνθήκες και στην έκθεση τους σε αυτές. Η μελέτη των VDT παρά το επιστημονικό ενδιαφέρων που τις χαρακτηρίζει, αποτελεί ένα δύσκολο αντικείμενο λόγω των παρακάτω περιπτώσεων : Πιθανότητα θερμικής απόσβεσης Ύπαρξη υψηλού υποβάθρου λόγω της εκπομπής μέλανος σώματος σε θερμοκρασίες άνω των 500 ο C Ανθεκτικότητα υλικών που συνήθως είναι απαγορευτική για θέρμανση άνω των 500 ο C Χαμηλή ενεργός διατομή φωτοδιέγερσης των VDT σε περιβάλλουσες θερμοκρασίες Περιορισμός των οργάνων όσον αφορά το θερμοκρασιακό όριο ανοχής Η μέθοδος VDT μπορεί να αποτελέσει συνδυασμό με τις μεθόδους MAAD ή SAR καθώς επίσης και με τις IRSL, OSL και TL, με αποτέλεσμα πολλές μέθοδοι και τακτικές να μπορούν να εφαρμοστούν, με σκοπό την μεταφορά σε ρηχότερες παγίδες, των ηλεκτρονίων που βρίσκονται παγιδευμένα στις βαθιές παγίδες. 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 3.1 ΣΥΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Τα κεραμικά κατασκευάζονται από διαφόρων ειδών πηλό και περιέχουν ποικίλα στοιχεία ανάλογα από την πηγή του πηλού. Τα βασικότερα στοιχεία που περιέχουν τα κεραμικά είναι τα εξής : ασβέστιο (Ca), μαγγάνιο (Mn), σίδηρος (Fe), κάλιο (K), πυρίτιο (Si), νάτριο (Na), μαγνήσιο (Mg), χρώμιο (Cr), νικέλιο (Ni), αλουμίνιο (Al), τιτάνιο (Ti), κοβάλτιο (Co), ευρώπιο (Eu), θόριο (Th), χάφνιο (Hf), σκάνδιο (Sc), ταντάλιο (Ta), καίσιο (Cs), ουράνιο (U) και δυσπρόσιο (Dy). Ο πηλός είναι ένα κοίτασμα μικρότερων σωματιδίων που παράγονται από την εξαλλοίωση ορισμένων πετρωμάτων και ορισμένα από τα σωματίδια μπορεί να έχουν διάμετρο μεγαλύτερη από mm. Το κύριο συστατικό του πηλού είναι ο καολίνης που δίνεται από τον χημικό τύπο (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O). Η προέλευσή του οφείλεται στη φυσική και χημική κατάρρευση των ορυκτών αστρίου, όταν τα οξείδια του καλίου και νατρίου προσβάλλονται και γίνονται διαλυτά από οξέα του εδάφους. Ο καολίνης λόγω της προέλευσης του δεν βρίσκεται σχεδόν ποτέ σε καθαρή μορφή στη φύση αλλά μαζί με άλλα ορυκτά. Ο καθαρός καολίνης έχει σημείο τήξης γύρω στους 1770 ο C, όμως οι διάφορες φυσικές ή τεχνητές προσμίξεις έχουν την ιδιότητα να χαμηλώνουν το σημείο τήξης. Το κυριότερο ορυκτό που συναντάται στα κεραμικά είναι ο χαλαζίας και αυτό επιβεβαιώνεται από την φωτοκαμπύλη που παράγεται λόγω θερμοφωταύγειας, όπου οι φωτοκορυφές ταυτίζονται επαρκώς με τις φωτοκορυφές του καθαρού χαλαζία. 3.2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Καθόλη την διάρκεια της κεραμικής τέχνης η κατασκευή των κεραμικών αποτελείται από 5 στάδια. Εξαγωγή πηλού Προετοιμασία Σχηματισμός Στέγνωμα Ψήσιμο 27

28 Αρχικά εντοπίζονται τα κοιτάσματα του πηλού και γίνεται η εξαγωγή του με σκάψιμο. Ο πηλός σε αυτό το στάδιο είναι ακατέργαστος και επομένως ακατάλληλος για κατασκευή κεραμικού. Συνεπώς ακολουθεί η προετοιμασία του ώστε να γίνει ένα ομοιόμορφο σώμα χωρίς σβόλους και ανομοιογένειες. Σε αυτό συμβάλει η έκθεση του πηλού στις καιρικές συνθήκες για κάποιο χρονικό διάστημα (ξίνισμα) ή η προσθήκη στερεών υλικών (φίλερς) που τροποποιούν την υφή του. Στη συνέχεια αφού του δοθεί κάποιο συγκεκριμένο σχήμα (πήλινο αντικείμενο) αφήνεται να στεγνώσει οπότε το αντικείμενο γίνεται πιο σκληρό και μη πλαστικό και αλλάζει χρώμα. Τέλος, το κεραμικό ψήνεται (ανοπτημένο κεραμικό) σε κάποια θερμοκρασία ώστε να λάβει την τελική σταθερή μορφή του. 3.3 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΨΗΣΙΜΑΤΟΣ Το ψήσιμο των κεραμικών έχει σκοπό να τα κάνει πιο σκληρά και ανθεκτικά και λαμβάνει χώρα στους κλιβάνους (ή καμίνια). Σημαντικό είναι το σημείο ωρίμανσης, που αφορά τη θερμοκρασία εκείνη που το κεραμικό αποκτά την ισχυρότερη δομή που θα μπορούσε, χωρίς να υποστεί μεταβολή στο σχήμα του, θραύση ή τήξη. Στην πράξη, είναι η μέγιστη θερμοκρασία που μπορεί να ψηθεί ο πηλός. Το σημείο ωρίμανσης εξαρτάται από την ποιότητα του χρησιμοποιούμενου πηλού, τις προσμίξεις του και το μέγεθος των κόκκων του. Καλύτερη ωρίμανση μειώνει το πορώδες οπότε το κεραμικό γίνεται αδιαπέραστο στα υγρά. Η θερμοκρασία καθορίζεται σε συνδυασμό με την ατμόσφαιρα που επικρατεί εντός του κλιβάνου ( υγρασία, αυξημένη ροή αέρα, ). Πριν το ψήσιμο, υπάρχει το στάδιο του στεγνώματος κατά το οποίο εξατμίζεται το νερό πλαστικότητας. Σε αντίθετη περίπτωση, απότομη αύξηση της θερμοκρασίας κατά το ψήσιμο θα οδηγούσε σε δημιουργία ατμού, ο οποίος θα επέφερε ρωγμές και θραύση. Κατά το ψήσιμο, η θερμοκρασία ανεβαίνει σταδιακά ως το σημείο βρασμού του νερού και διατηρείται σταθερή εκεί για αρκετές ώρες ώστε να εξατμιστεί το υπόλοιπο νερό πλαστικότητας του πηλού. Έπειτα, επίσης βαθμιαία, η θερμοκρασία αγγίζει τους 400 ο C περίπου οπότε απομακρύνεται το νερό που συνδέεται χημικά με τον καολίνη. Σημαντική είναι και η θερμοκρασία των 573 ο C όπου οι κόκκοι χαλαζία που εμπεριέχονται στο κεραμικό διαστέλλονται. Τελικά, η θερμοκρασία φτάνει στο σημείο ωρίμανσης οπότε διατηρείται σταθερή για αρκετή ώρα. Η ψύξη θα πρέπει και πάλι να γίνει σταδιακά. 28

29 3.4 ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΟΥ Τα κεραμικά χρησιμοποιούνται ευρέως από την αρχαιότητα ως σήμερα ως οικοδομικά υλικά, όπως είναι τα τούβλα, τα κεραμίδια και τα πλακάκια καθώς και ως μαγειρικά σκεύη, όπως πιάτα και βάζα. Αποτελούν κομμάτι του κάθε πολιτισμού χρονικά και χωρικά. Επομένως είναι ένα υλικό που μπορεί να βρεθεί σε πολλαπλά σημεία, από τα σπίτια μας έως σημεία αρχαιολογικών εκσκαφών. Αποτελούνται κυρίως από κρυστάλλους χαλαζία και για αυτό το λόγο πρόκειται για δοσιμετρικό υλικό, που παρέχει τόσο TL, όσο και OSL σήμα. Επίσης, πρόκειται για ένα υλικό που έχει μελετηθεί αρκετά και έχει χρονολογηθεί, χωρίς όμως να έχει μια σύγκριση κατά πόσο όλες οι μέθοδοι χρονολόγησης ανταποκρίνονται εξίσου ικανοποιητικά σε αυτό. Επίσης, εκτός από την μελέτη των μεθόδων καθ εαυτών, μια ανάλυση συνιστωσών μπορεί να αποκαλύψει πτυχές του υλικού και των μεθόδων φωταύγειας. Για μία τέτοια σύγκριση, θεωρήθηκε σωστό να χρησιμοποιηθεί ένα υλικό που έχει ήδη γνωστές φωταυγειακές ιδιότητες και επιπροσθέτως, χρησιμοποιείται τακτικά για χρονολογήσεις και δοσιμετρικές εφαρμογές, δίνοντας μια επιπλέον χρησιμότητα στην παρούσα μελέτη. ΕΙΚΟΝΑ : Σχηματισμός (επάνω αριστερά), ψήσιμο (επάνω δεξιά) και τελική μορφή (κάτω) των κεραμικών. 29

30 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ Η διεξαγωγή των πειραμάτων της παρούσας πτυχιακής εργασίας έλαβαν χώρα στο εργαστήριο Αρχαιομετρίας στο Ινστιτούτο Πολιτιστικής και Εκαπαιδευτικής Τεχνολογίας (Ι.Π.Ε.Τ.) που στεγάζεται στα Κιμμέρια Ξάνθης. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε είναι το σύστημα μέτρησης TL / OSL του Risø. 4.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ TL / OSL ΤΟΥ RISØ Πρόκειται για το σύστημα TL / OSL του Risø του εργαστηρίου της Δανίας και συγκεκριμένα τα πειράματα διεξήχθησαν στο μοντέλο TL/OSL DA 15. Το σύστημα αυτό επιτρέπει τη λήψη φασμάτων θερμοφωταύγειας και οπτικά προτρεπόμενης φωταύγειας, ενώ επιτρέπει την ανεξάρτητη διαχείριση έως 48 δειγμάτων. Οι δυνατότητες που παρέχει ονομαστικά είναι οι εξής : Θέρμανση σε οποιαδήποτε θερμοκρασία από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ως τους 700 ο C. Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σκανδαλισμού, διαφόρων μηκών κύματος. β- ακτινοβόληση από πηγή ( 90 Sr / 90 Y). Ανίχνευση του εκπεμπόμενου φωτός. Ακολουθούν δύο εικόνες που αφορούν τη σχηματική αναπαράσταση και την πραγματική εικόνα του συστήματος Risø. 31

32 ΕΙΚΟΝΑ : Σχηματική αναπαράσταση του συστήματος Risø, TL/OSL DA 15. ΕΙΚΟΝΑ : Πραγματική εικόνα του συστήματος Risø, TL/OSL DA 15. Τα επιμέρους τμήματα του συστήματος που διακρίνονται είναι τα εξής : Ο υποδοχέας των δειγμάτων Το σύστημα συλλογής φωτός Η πηγή σκανδαλισμού Το σύστημα θέρμανσης Η πηγή ακτινοβόλησης 32

33 4.1.1 Ο υποδοχέας των δειγμάτων Τα προς μέτρηση υλικά κονιορτοποιούνται και στη συνέχεια επιλέγεται συγκεκριμένο μέγεθος κόκκων για τη σύσταση των δειγμάτων. Συνήθως, επιλέγονται είτε οι πολύ λεπτοί κόκκοι διαμέτρου έως 10 mm είτε μεσαίου μεγέθους με διάμετρο γύρω στα 100 mm. Στην πρώτη περίπτωση η σκόνη τοποθετείται στην επιφάνεια δισκίων αλουμινίου διαμέτρου 9.7 mm και πάχους 0.5 mm με τη μέθοδο των διλέπτων εικοσαλέπτων ( 5.2) ενώ στη δεύτερη περίπτωση τοποθετούνται σε κυπελλάκια ιδίων περίπου διαστάσεων τα οποία είναι κατασκευασμένα από φύλλα νικελίου πάχους 0.1 mm. Για το λόγο αυτό υπάρχουν δύο ειδών υποδοχείς (carousels), ένα για δισκία και ένα για κυπελλάκια. Τα δείγματα τοποθετούνται στον κατάλληλο υποδοχέα, ο οποίος είναι στρογγυλός και φέρει 48 ελλειψοειδείς οπές υποδοχές, οι οποίες είναι αριθμημένες και ισαπέχουσες. Κάθε οπή έχει τις κατάλληλες διαστάσεις έτσι ώστε να χωράει ακριβώς είτε ένα δισκίο είτε ένα κυπελλάκι. Επομένως, κάθε οπή αποτελεί τον χώρο υποδοχής ενός δείγματος. Ένας υποδοχέας τη φορά τοποθετείται σε ειδικό χώρο, ο οποίος μπορεί είτε να διαρρέεται από καθαρό άζωτο, είτε να εκκενώνεται με σκοπό τη παραγωγή υψηλού κενού. Ο υποδοχέας, δύναται να περιστρέφεται μηχανικά εντός του χώρου αυτού, με ελεγχόμενη ταχύτητα περιστροφής. Η τελευταία είναι ιδιαίτερα σημαντική στην περίπτωση που οι κόκκοι δεν κατέχουν σταθερή θέση επάνω στο δισκίο ή στο κυπελλάκι. Η περιστροφή πραγματοποιείται με βήματα, όπου κάθε βήμα αντιστοιχεί και σε διαφορετικό δείγμα και ελέγχεται μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή, επιτρέποντας έτσι την αναγνώριση της θέσης των δειγμάτων. Η οποιαδήποτε μέτρηση για το δείγμα που καταλαμβάνει τη θέση i θα ξεκινήσει όταν το αντίστοιχο δείγμα, κατά τη περιστροφή του υποδοχέα μεταφερθεί στη θέση μέτρησης. Αυτή είναι σταθερή και βρίσκεται ακριβώς κάτω από το σύστημα ανίχνευσης φωτός, το οποίο είναι επίσης ακλόνητο. Η αναγνώριση της θέσης γίνεται με τη βοήθεια ενός συστήματος οπτο ηλεκτρονικών, καθώς και μιας διόδου εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αυτή βρίσκεται ακριβώς κάτω από τον υποδοχέα, και τίθεται σε λειτουργία κατά την περιστροφή του. Όταν ο υποδοχέας ακινητοποιηθεί, φέρνοντας το δείγμα στη θέση μέτρησης, το τελευταίο ανυψώνεται από τη θέση οπή του υποδοχέα με τη βοήθεια ειδικού «ανυψωτικού» συστήματος, το οποίο φέρει ταυτόχρονα και το θερμαντικό σύστημα. Με το τέλος της ανύψωσης το δείγμα βρίσκεται πλέον σε κατάσταση μέτρησης. Στην κατάσταση αυτή είναι εφικτή τόσο η θέρμανσή του όσο και η έκθεσή του σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σκανδαλισμού. 33

34 ΕΙΚΟΝΑ : Υποδοχέας δειγμάτων (Carousel) Το σύστημα συλλογής φωτός Το σύστημα συλλογής φωτός αποτελείται από τον φωτοπολλαπλασιαστή και το απαραίτητο σύστημα οπτικών φίλτρων. Η εκπεμπόμενη φωταύγεια ανιχνεύεται από τον φωτοπολλαπλασιαστή. Τα οπτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται ως θωράκιση από το σκεδαζόμενο φως σκανδαλισμού και για τον προσδιορισμό της φασματικής περιοχής ανίχνευσης που ενδιαφέρει την εκάστοτε μελέτη Φωτοπολλαπλασιαστής Ο φωτοπολλαπλασιαστής είναι το όργανο εκείνο που μετατρέπει το φωτεινό σήμα που φτάνει σε αυτόν και συνήθως αποτελείται από περιορισμένο αριθμό φωτονίων, σε ισχυρό ηλεκτρικό παλμό. Αποτελείται κυρίως από δύο στοιχεία: τη φωτοκάθοδο και τη φωτοπολλαπλασιαστική στήλη. Η φωτοκάθοδος αποτελεί το φωτο ευαίσθητο στοιχείο του φωτοπολλαπλασιαστή. Αποτελείται από κράμα μικρού έργου εξόδου που αποτίθεται με εξάχνωση σε κάποιο υλικό διαφανές στη φασματική περιοχή του ανιχνεύσιμου φωτός, όπως CsSb. Ένα μέρος των φωτονίων που προσπίπτουν επάνω της μετατρέπεται σε ηλεκτρόνια, τα οποία και ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια. Τυπικά, για δέκα φωτόνια στη περιοχή του ορατού παράγονται ένα με τρία φωτοηλεκτρόνια. Ο φωτοπολλαπλασιαστής λοιπόν 34

35 συλλέγει τα φωτοηλεκτρόνια αυτά, αλλά επειδή είναι λίγα, δεν συνιστούν ανιχνεύσιμο παραγόμενο ηλεκτρικό σήμα. Η φωτοπολλαπλασιαστική στήλη αποτελείται από μια σειρά δυνόδων, ηλεκτροδίων δηλαδή που διατηρούνται σε υψηλότερο δυναμικό σε σχέση με τη φωτοκάθοδο, καθώς και σε σχέση με τις προηγούμενες δυνόδους. Με ειδικό ηλεκτρόδιο εστίασης, τα φωτοηλεκτρόνια οδηγούνται στη πρώτη δύνοδο, από εκεί στη δεύτερη και ούτω καθεξής, μέχρι την άνοδο. Σε κάθε στάδιο τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται, αφού κάθε δύνοδος βρίσκεται σε χαμηλότερο δυναμικό από ότι η επόμενη, ώστε με την πρόσπτωσή τους στο επόμενο ηλεκτρόδιο, που επίσης αποτελείται από υλικό με μικρό έργο εξόδου, να εξάγουν περισσότερα ηλεκτρόνια. Ανάλογα με το υλικό της δυνόδου, για κάθε αρχικό ηλεκτρόνιο που προσπίπτει επάνω της, εκπέμπονται γύρω στα τρία ηλεκτρόνια. Το φορτίο συλλέγεται στην άνοδο ή στο ηλεκτρόδιο εξόδου του φωτοπολλαπλασιαστή. Εκείνο που επιδιώκεται στις περισσότερες περιπτώσεις είναι η ενίσχυση να είναι γραμμική, με αποτέλεσμα το φορτίο του παλμού στην έξοδο να είναι ανάλογο του αρχικού αριθμού των φωτοηλεκτρονίων. Μετά τον πολλαπλασιασμό ένας τυπικός παλμός περιέχει ηλεκτρόνια, αριθμός ικανός να δώσει ένα ισχυρό σήμα. Ο φωτοπολλαπλασιαστής με τον οποίο είναι εξοπλισμένο το σύστημα μέτρησης TL / OSL του RISØ είναι του τύπου ΕΜΙ 9235 QA, ο οποίος παρουσιάζει μέγιστη φασματική απόκριση περίπου στα 400 nm. Επιπλέον λειτουργεί σε κατάσταση «καταμέτρησης φωτονίων» (photon counting mode), στην οποία καταμετράται κάθε παλμός που φτάνει στην άνοδο ξεχωριστά Φίλτρα ανίχνευσης Η ένταση του φωτός σκανδαλισμού είναι περίπου τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την ένταση της εκπεμπόμενης φωταύγειας. Προφανώς, αν φως τέτοιας έντασης εισέλθει στον φωτοπολλαπλασιαστή, τότε ο τελευταίος είναι πολύ πιθανό να καταστραφεί. Επιπλέον, η εισαγωγή στον φωτοπολλαπλασιαστή και καταμέτρηση έστω και ενός απειροελάχιστού μέρους του φωτός σκανδαλισμού, αλλοιώνει την αξιοπιστία των μετρήσεών μας, μιας και ο σήμα που αποδίδεται σε αυτό είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το εκπεμπόμενο σήμα. Συνεπώς, τόσο η σωστή λειτουργία του φωτοπολλαπλασιαστή, όσο και η αξιοπιστία των μετρήσεων επιβάλλουν τον σαφή διαχωρισμό των φασματικών περιοχών φωτός σκανδαλισμού και φωταύγειας. Για τον λόγο αυτό απαιτείται η χρήση των κατάλληλων φίλτρων, τα οποία ενώ θα απορροφούν οποιοδήποτε φωτόνιο σκανδαλισμού σκεδάζεται και έχει την τάση να εισέλθει στον φωτοπολλαπλασιαστή, θα επιτρέπουν την είσοδο όλων των φωτονίων φωταύγειας σε αυτόν. Το σύστημα είναι εφοδιασμένο με ένα φίλτρο Hoya U 340 (μπλε), το οποίο εμφανίζει μέγιστο 35

36 εκπομπής γύρω στα 340 nm, με πλήρες πλάτος στο μισό του μεγίστου (FWHM) περίπου τα 80 nm. Φίλτρα όμως χρειάζονται και για τις μετρήσεις θερμοφωταύγειας. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, τόσο το δείγμα όσο και το θερμαντικό σώμα εκπέμπουν ακτινοβολία μέλανος σώματος. Με σκοπό την αποφυγή της μόλυνσης της θερμοφωταύγειας από το φως αυτό, χρησιμοποιείται συνδυασμός φίλτρων κυανού και απορρόφησης θερμότητας. Το σύστημα μέτρησης του RISØ χρησιμοποιεί ένα φίλτρο κυανού Corning 7-59 σε συνδυασμό με ένα φίλτρο θερμότητας Pilkington HA Το σύστημα οπτικού σκανδαλισμού Στο σύστημα μέτρησης TL / OSL του RISØ υπάρχει η δυνατότητα επιλογής δύο πηγών φωτονίων σκανδαλισμού: Διόδων εκπομπής υπερύθρων (IR LEDs) και διόδων εκπομπής κυανού φωτός. Η χρήση διόδων φωτοεκπομπής συγκεντρώνει μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως χαμηλό κόστος, μικρό μέγεθος, μικρούς χρόνους απόκρισης και κυρίως ηλεκτρονικό έλεγχο λειτουργίας. Ειδικότερα, ο ηλεκτρονικός έλεγχος της λειτουργίας τους, δίνει τη δυνατότητα σκανδαλισμού ρυθμίζοντας κατά βούληση την ένταση της ακτινοβολίας συναρτήσει του χρόνου σκανδαλισμού. Με τον τρόπο αυτό οι δίοδοι μπορούν να εκπέμπουν σε οποιαδήποτε σταθερή τιμή έντασης απο τη μηδενική μέχρι μια μέγιστη τιμή, ή και να μεταβάλλουν την έντασή τους συναρτήσει του χρόνου σκανδαλισμού. Οι δίοδοι είναι διατεταγμένες σε συστοιχίες των 7, και βρίσκονται τοποθετημένες επάνω σε ένα κυλινδρικό υποδοχέα, ο οποίος μπορεί να φιλοξενήσει μέχρι και 7 συστοιχίες, δηλαδή 49 διόδους. Ο κυλινδρικός υποδοχέας τοποθετείται σε μια θέση ανάμεσα στο θερμαντικό σύστημα και το φωτοπολλαπλασιαστή. Σε κάθε συστοιχία, οι δίοδοι είναι τοποθετημένες κυκλικά, έτσι ώστε να εστιάζουν στο δείγμα, το οποίο απέχει από αυτές απόσταση περίπου 20 mm. Το σύστημα περιλαμβάνει 21 διόδους εκπομπής υπερύθρων, διατεταγμένες σε τρεις συστοιχίες των 7 διόδων η κάθε μια. Αυτές εκπέμπουν υπέρυθρες ακτίνες μήκους κύματος 875 nm, πάρα πολύ κοντά στα 870 nm που απαιτούνται για την αποδιέγερση των αστρίων. Η μέγιστη ισχύς και από τις 21 λυχνίες υπολογίζεται περίπου στα 135 mw/ cm 2 στη θέση του δείγματος. Ακριβώς στην αντιδιαμετρική ως προς το δείγμα θέση, βρίσκονται οι δίοδοι φωτοεκπομπής κυανού φωτός. Πρόκειται για λυχνίες τύπου NISHIA NSPB 500, οι οποίες παρουσιάζουν μέγιστο εκπομπής στα 470 nm, με πλήρες πλάτος στο μισό του μεγίστου (FWHM) τα 20 nm. Η ένταση λειτουργίας τους είναι τα 20 ma, αποδίδοντας περίπου 2 καντέλες και μεταφέροντας περίπου 1.9 mw / cm 2 η κάθε μια στη θέση μέτρησης. Το σύστημα περιέχει 4 συστοιχίες των 7 διόδων η κάθε μια. Η μέγιστη συνολική ισχύς που φτάνει στη θέση της μέτρησης είναι λίγο μεγαλύτερη από 40 mw / cm 2. 36

37 Ένα μεγάλο μειονέκτημα της χρήσης των διόδων εκπομπής κυανού φωτός αποτελεί το φάσμα εκπομπή τους, το οποίο παρουσιάζει μια σημαντική «ουρά» εντός του παραθύρου ανίχνευσης. Για την ελαχιστοποίηση της μόλυνσης της φωταύγειας από το σκεδαζόμενο φως των διόδων αυτών, ένα πράσινο φίλτρο (GG 420) έχει προσαρμοσθεί μπροστά από κάθε συστοιχία φωτοδιόδων. Στον υποδοχέα των 48 θέσεων, η απόσταση των κέντρων δύο διαδοχικών θέσεων υπολογίζεται στα 17 mm. Εξαιτίας της μικρής αυτής απόστασης, ένα πολύ μικρό ποσοστό της ακτινοβολίας σκανδαλισμού που προορίζεται για ένα δείγμα συγκεκριμένης θέσης φτάνει στα γειτονικά του. Το ποσοστό αυτό είναι εξαιρετικά μικρό, της τάξης του 0.006%. Παρόλα αυτά, για δείγματα με ιδιαίτερη ευαισθησία, αντιμετωπίζεται με τοποθέτηση δειγμάτων αφήνοντας άδεια κάθε δεύτερη θέση. ΕΙΚΟΝΑ : Σχηματική αναπαράσταση του συστήματος οπτικού σκανδαλισμού του συστήματος μέτρησης Risø,TL/OSL DA Το σύστημα θέρμανσης Το σύστημα θέρμανσης βρίσκεται προσαρμοσμένο στο σύστημα ανύψωσης του δείγματος στη θέση μέτρησης. Πρόκειται για ένα συρμάτινο έλασμα, κατασκευασμένο από ειδικό κράμα (Kanthal), ιδιαίτερα ανθεκτικό σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Το σχήμα του ελάσματος θυμίζει το γράμμα π της ελληνικής αλφαβήτου. Το οριζόντιο στέλεχος έχει ικανοποιητική επιφάνεια, ώστε και να ανυψώνει το δείγμα χωρίς κινδύνους πτώσης του τελευταίου, αλλά και να βρίσκεται σε άμεση θερμική επαφή με αυτό. 37

38 Η θέρμανση επιτυγχάνεται διοχετεύοντας στο έλασμα ηλεκτρικό ρεύμα, η ένταση του οποίου ρυθμίζεται κατά βούληση μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας πραγματοποιείται με τη βοήθεια θερμοζεύγους, το οποίο βρίσκεται τοποθετημένο κάτω ακριβώς από το έλασμα. Το σύστημα έχει τη δυνατότητα θέρμανσης του δείγματος σε οποιαδήποτε θερμοκρασία μέχρι και τους 700 ºC, με γραμμικούς ρυθμούς θέρμανσης από 0.1 μέχρι και 30 ºC ανά δευτερόλεπτο. Η ψύξη του ελάσματος γίνεται με ροή αζώτου, το οποίο προφυλάσσει επίσης το έλασμα αλλά και το δείγμα από οξείδωση στις υψηλές θερμοκρασίες Ακτινοβολητής β Ο ακτινοβολητής βρίσκεται τοποθετημένος πάνω από τον υποδοχέα των δειγμάτων, αλλά σε θέση μακριά από το σύστημα ανίχνευσης του φωτός. Ο ακτινοβολητής περιέχει μια πηγή 90 Sr / 90 Y, η οποία εκπέμπει σωματίδια β μέγιστης ενέργειας 2.27 MeV. Η ισχύς της είναι περίπου 40 mci, παρέχοντας στο δείγμα 0.075Gy ανά δευτερόλεπτο κατά το έτος των μετρήσεων. Η πηγή βρίσκεται επάνω σε έναν περιστρεφόμενο τροχό από ανοξείδωτο ατσάλι. Η περιστροφή του τροχού αυτού γίνεται με τη βοήθεια ενός πνευματικού συστήματος ροής αζώτου. Κατά την ακτινοβόληση, η πηγή βρίσκεται όπως φαίνεται στο σχήμα, σε απόσταση περίπου 5 mm από το δείγμα. Ανάμεσά τους παρεμβάλλεται ένα λεπτό φύλλο βηρυλλίου πάχους mm, με σκοπό τη φραγή του χώρου υποδοχής των δειγμάτων για τη διατήρηση του κενού. Με το τέλος της ακτινοβόλησης, ο τροχός περιστρέφεται κατά 180, φέρνοντας τη πηγή στην αντιδιαμετρική από τη θέση ακτινοβόλησης. Στη θέση αυτή η πηγή ακτινοβολεί στη κατεύθυνση ενός απορροφητή από άνθρακα. Η πηγή και το σύστημα περιστροφής βρίσκεται εντός θαλάμου, ο οποίος αποτελείται από μόλυβδο, για λόγους θωράκισης. Στον υποδοχέα των 48 θέσεων, η απόσταση των κέντρων δύο διαδοχικών θέσεων υπολογίζεται στα 17 mm. Αυτό έχει σαν συνέπεια τα δείγματα να απορροφούν μια μικρή δόση όταν ακτινοβολείται ένα από τα δύο άμεσα γειτονικά τους. Ποσοτικά, υπολογίζεται ότι για κάθε Gy ακτινοβόλησης σε κάποια θέση, οι αμέσως γειτονικές απορροφούν περίπου 60 μgy και οι μεθεπόμενες 6 μgy. Για μακρόχρονες ακτινοβολήσεις ενδείκνυται η τοποθέτηση των δειγμάτων, όχι σε διαδοχικές θέσεις, αλλά αφήνοντας ανάμεσα σε δύο διαδοχικά δείγματα μια θέση κενή. 38

39 ΕΙΚΟΝΑ : Ακτινοβολητής β στο σύστημα μέτρησης Risø,TL/OSL DA 15. Η πηγή βρίσκεται σε θέση ακτινοβόλησης Ηλεκτρονικός υπολογιστής Λογισμικό Όλα τα επιμέρους εξαρτήματα του συστήματος επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Αυτός είναι υπεύθυνος για μια σειρά από εργασίες όπως την μέτρηση του ρεύματος σκότους πριν από την εκκίνηση κάθε ακολουθίας μετρήσεων, τη συλλογή των δεδομένων, τον έλεγχο οποιονδήποτε λαθών, κτλ. Ο υπολογιστής είναι εφοδιασμένος με μια οθόνη υγρών κρυστάλλων, στην οποία μπορούν με ψηφιακά στοιχεία να καταγράφονται μια σειρά από πληροφορίες, όπως η προσωρινή κατάσταση του συστήματος και η εντολή που εκτελείται κάθε στιγμή. Επιπλέον, στην οθόνη εμφανίζονται και μηνύματα σφαλμάτων καθώς και αδυναμίας εκτελέσεως εντολών. Το σύστημα συνοδεύεται από τρία προγράμματα λογισμικού. Το ένα χρησιμοποιείται για τον πλήρως αυτοματοποιημένο καθορισμό της διαδικασίας των μετρήσεων. Το δεύτερο σχεδιάστηκε για την ευέλικτη διαχείριση των μετρήσεων, με εφαρμογές στα πλέον δημοφιλή πρωτόκολλα υπολογισμού ισοδύναμης δόσης. Τέλος το τρίτο αποσκοπεί στον συστηματικό έλεγχο όλων των λειτουργιών, τόσο μηχανικών όσο και ηλεκτρονικών, του συστήματος. 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ 5.1 ΑΠΟΦΛΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΟΝΙΟΡΤΟΠΟΙΗΣΗ Η αποφλοίωση είναι η αρχική διαδικασία επεξεργασίας του κεραμικού. Κατά τη διάρκεια αυτής, λαμβάνει χώρα η απομάκρυνση του εξωτερικού στρώματος του δείγματος, πάχους περίπου 2 mm. Στόχος αυτής της επεξεργασίας είναι η απομάκρυνση του στρώματος που έχει εκτεθεί σε ηλιακό φως και γενικά τις περιβαλλοντικές συνθήκες και φέρει «μολυσματικά στοιχεία» δηλαδή ξένα σώματα που έχουν επικαθίσει σε αυτό και πιθανόν να επηρεάσουν το σήμα φωταύγειας. Η αποφλοίωση πραγματοποιείται με την ήπια τριβή του δείγματος σε μια (τραχιά επιφάνεια). Η διαδικασία πρέπει να γίνει προσεκτικά και ήπια ώστε να μην αυξηθεί η θερμοκρασία στο υλικό λόγω τριβής με αποτέλεσμα την απώλεια σήματος (τριβοφωταύγεια) και σε συνθήκες σκοτεινού δωματίου (ερυθρό φως χαμηλής έντασης) ώστε να μην επανεκτεθεί το εξωτερικό στρώμα σε φως. Όλη η διαδικασία από εδώ και στο εξής λαμβάνει χώρα στις ίδιες συνθήκες. Κατόπιν έπεται το στάδιο της κονιορτοποίησης, κατά το οποίο το υλικό μετατρέπεται σε σκόνη κόκκων μικρής διαμέτρου. Αρχικά λαμβάνει χώρα ο θρυμματισμός του κεραμικού με τη χρήση μέγγενης, με την οποία το υλικό καταπονείται όσο το δυνατόν λιγότερο εφόσον ασκείται πίεση χωρίς ανάπτυξη τριβής και θερμοκρασίας. Οι κόκκοι που δημιουργούνται από αυτή τη διαδικασία είναι διαφόρων διαστάσεων και κυρίως μεγάλης διαμέτρου. Στη συνέχεια, περαιτέρω διάσπαση πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός ανοξείδωτου ατσάλινου γουδιού και με ήπια ένταση και πάλι για να μην αλλοιωθεί το φωταυγειακό σήμα λόγω τριβής και ανάπτυξης θερμοκρασίας. Στη συνέχεια η διαφορετικής κοκκομετρίας σκόνη, διαχωρίζεται με τη βοήθεια του κοσκινίσματος σε ομάδες διαφορετικής διαμέτρου. Το κόσκινο που χρησιμοποιήθηκε διαχωρίζει τη σκόνη σε κόκκους διαμέτρου άνω των 40 μm και διαμέτρου κάτω των 40μm. 40

41 5.2 Τεχνική λεπτών κόκκων (Fine Grain Technique) Η παρασκευή των δειγμάτων πραγματοποιείται με την τεχνική λεπτών κόκκων (Fine grain technique), η οποία εισήχθη από τον Zimmermann. Κατά αυτό τον τρόπο γίνεται ο διαχωρισμός των απαιτούμενων κόκκων (4 12 μm) για την παρασκευή των δειγμάτων για τις μετρήσεις φωταύγειας. Η τεχνική αυτή καλείται τεχνική διλέπτων εικοσαλέπτων διότι οι δύο κύριες διαδικασίες διαρκούν 2 λεπτά και 20 λεπτά. Τα βήματα που αποτελούν την fine grain technique είναι τα ακόλουθα : i. Τοποθετούμε σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα, ακετόνη ύψους περίπου 6 cm. Στη συνέχεια προσθέτουμε μια ποσότητα από τη σκόνη κεραμικού που δημιουργήσαμε. Αναμιγνύουμε το διάλυμα και το αφήνουμε να ηρεμίσει για 2 λεπτά. ii. Εφόσον παρέλθει το απαιτούμενο χρονικό διάστημα, αποστραγγίζουμε το εναιώρημα (ωφέλιμο) και απορρίπτεται το ίζημα, το οποίο αποτελείται από τους κόκκους διαμέτρου άνω των 12 μm. iii. Εφόσον συγκεντρωθεί μια ικανοποιητική ποσότητα εναιωρήματος, ισομοιράζεται σε δοκιμαστικούς σωλήνες, οι οποίοι ηρεμούν για 20 λεπτά. iv. Έπειτα αποστραγγίζεται ξανά το εναιώρημα το οποίο αποτελείται από κόκκους μικρότερους από 4 μm και απορρίπτεται. Το ίζημα είναι το ωφέλιμο υλικό γιατί πλέον αποτελείται από κόκκους μεγαλύτερους από 4 μm αλλά μικρότερους από 12 μm. Οι χρόνοι καθίζησης που απαιτούνται για κάθε βήμα έχουν υπολογιστεί από το νόμο του Stokes για κίνηση μικρών σφαιρών σε υγρό με ιξώδες. Στη συνέχεια πραγματοποιείται η παρασκευή των δειγμάτων. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιούνται τα δισκία αλουμινίου τα οποία θα επιστρωθούν με τη σκόνη του κεραμικού που αποκτήθηκε από την τεχνική λεπτών κόκκων και αποτελείται από κόκκους διαμέτρου 4-12 μm. Η τεχνική του στρωσίματος περιγράφεται από τα ακόλουθα βήματα : i. Τοποθέτηση των δισκίων σε γυάλινους σωλήνες (μικρού ύψους και ευθείας βάσης). ii. Πλήρωση των σωλήνων με 2 ml ακετόνης. iii. Ανάμειξη της σκόνης με ακετόνη εντός ογκομετρικού δοχείου με αναλογία 2:1, δηλαδή a ml καθαρής ακετόνης αντιστοιχούν σε 2a mg σκόνης. iv. Κατανομή του διαλύματος με χρήση πιπέτας στα σωληνάκια. Σε κάθε ένα τοποθετείται 1 ml διαλύματος. 41

42 v. Αποθήκευση των σωλήνων στο ξηραντήριο σε σταθερή θερμοκρασία ως 50 ο C για 24 ώρες με σκοπό την άμεση εξάτμιση της ακετόνης. vi. Αφαίρεση των δισκίων από τους σωλήνες, όταν έχουν στεγνώσει, με τη βοήθεια λαβίδας. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η εναπόθεση 2 mg σκόνης σε κάθε δισκίο, έχοντας τελικά δισκία ίσης μάζας, χαρακτηριστικό που υποστηρίζει την ανάγκη επαναληψιμότητας. 42

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ & ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε παραγράφους που η κάθε μία αφορά διαφορετικό πρωτόκολλο που εφαρμόστηκε επί του κεραμικού. Να τονιστεί πως το κάθε πρωτόκολλο μπορεί να είναι MAAD ή SAR και να αφορά μία από τις μεθόδους TL, OSL ή IRSL. Σε κάποια από τα πρωτόκολλα εφαρμόζεται επίσης ανάλυση των συνιστωσών που αποτελούν την καμπύλη. Το κεραμικό για τυπικούς λόγους θα καλείται κεραμικό Α. Ονομαστικά, τα πρωτόκολλα που εφαρμόστηκαν στο κεραμικό Α είναι τα εξής : MAAD_TL MAAD_LM _OSL SAR_TL SAR_LM_OSL SAR_LM_IRSL SAR_CW_OSL SAR_CW_IRSL VDT_Additive_OSL VDT_Regeneration_(TL & OSL) Για να υπενθυμίσουμε τη σημασία των συντομογραφιών που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα πρωτόκολλα : MAAD : Multi Aliquot Additive Dose SAR : Single Aliquot Regeneration dose VDT : Very Deep Traps LM : Linear Modulated CW : Continuous wave TL : ThermoLuminescence OSL : Optical Stimulated Luminescence IRSL : Infra - Red Stimulated Luminescence 43

44 TL Intensity (a.u.) 6. 1 MAAD _ TL Με αυτό το πρωτόκολλο κάθε φορά χρησιμοποιείται ένα νέο δείγμα ώστε η μετρούμενη ένταση θερμοφωταύγειας να προέρχεται από τη φυσική δόση συν την εργαστηριακή δόση που προσθέσαμε. Παρατηρείται πως για τον παραπάνω λόγο τα δείγματα που απαιτούνται είναι περισσότερα από ότι στο πρωτόκολλο SAR, παρόλα αυτά δεν υπεισέρχεται το πρόβλημα της ευαισθητοποίησης. Η «ανάγνωση» του σήματος γίνεται μέσω της θερμοφωταύγειας (ΤL). Το πρωτόκολλο που εφαρμόστηκε είναι το ακόλουθο : 1. TL μέτρηση με παραμέτρους Τ max = 500 ο C και ρυθμό θέρμανσης 1 ο C/sec για την καταγραφή της φυσικής δόσης, ΝΤL. (D o = 0 Gy) 2. Ακτινοβόληση με δόση Di επί της NTL, (NTL+D i ) 3. TL μέτρηση με παραμέτρους Τ max = 500 ο C και ρυθμό θέρμανσης 1 ο C/sec 4. Επανάληψη βημάτων 2 και 3, σε καινούριο δείγμα με διαφορετική δόση D i. Όπου D i παίρνει τις τιμές 10, 20, 30 Gy. Κάθε δόση εφαρμόζεται σε 3 δείγματα για στατιστικούς λόγους. Επίσης, κάθε διαφορετική δόση εφαρμόζεται σε διαφορετικό δείγμα και επί της φυσικής δόσης. 1,2E+05 MAAD_TL_Glow curves 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 4,0E+04 2,0E+04 NTL NTL + 10 Gy NTL + 20 Gy NTL + 30 Gy 0,0E Temperature ( C) Σχήμα : TL glow curves από το πρωτόκολλο MAAD TL. Στο σχήμα, ενδεικτικά παρουσιάζονται οι καμπύλες για το δείγμα B, ενώ ανάλογη συμπεριφορά έχουν και τα δείγματα Α και C. 44

45 Στο σχήμα διακρίνεται στις καμπύλες που αντιστοιχούν σε φυσική συν εργαστηριακή δόση, μία επιπλέον κορυφή σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, η οποία δεν εμφανίζεται στα δείγματα με μοναδική δόση την φυσική διότι ο χρόνος ημιζωής της κορυφής αυτής είναι πολύ μικρός και μπορεί να σβηστεί ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Η βαθύτερη κορυφή παρουσιάζεται στην ίδια περιοχή θερμοκρασιών για όλες τις καμπύλες ανεξάρτητα από την αντίστοιχη δόση. Για να υπολογιστεί η ισοδύναμη δόση που προκύπτει βάση αυτής της μεθόδου, ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία : Έχοντας τις στήλες της έντασης της κάθε δόσης Ι i, δημιουργούνται οι στήλες C i = (I i I NTL ) / D i και έπειτα οι στήλες I NTL / C i. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται αυτές οι καμπύλες σε ένα διάγραμμα συναρτήσει της θερμοκρασίας, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Οι καμπύλες πλέον, θα πρέπει να συμπίπτουν και στην περιοχή θερμοκρασιών όπου υπήρχαν οι κορυφές, τώρα θα πρέπει να δημιουργείται ένα πλατώ, το οποίο αντιστοιχεί στην ισοδύναμη δόση Ισοδύναμη δόση MAAD_TL NTL + 20 Gy NTL + 30 Gy plateau 25 NTL / cf i ED = 9.64 ± 1.30 Gy Temperture ( C) Σχήμα : Ισοδύναμη δόση από το πρωτόκολλο MAAD TL. Η δόση αυτή είναι η τομή του plateau με τον κατακόρυφο άξονα. Στο παρόν σχήμα παρουσιάζεται η ανάλυση για το δείγμα C. Οι τιμές που βρέθηκαν για τα δείγματα B και C, είναι αντίστοιχα ± 1.12 Gy και 9.64 ± 1.30 Gy. Οπότε μπορεί να εξαχθεί μία ισοδύναμη δόση από αυτό το πρωτόκολλο, ως η μέση τιμή των δύο. Επομένως, για το MAAD TL, ED = 9.89 ±0.25 Gy. 45

46 LM _ OSL Intensity (a.u.) 6.2 MAAD_LM_OSL Το πρωτόκολλο αυτό αποτελείται από τα εξής βήματα : 1. ΝOSL μέτρηση σε θερμοκρασία Τ = 125 ο C για χρόνο t = 1000 sec με ισχύ των μπλε λυχνιών να αυξάνεται γραμμικά από 0 έως 90% της μέγιστης ισχύος. 2. Ακτινοβόληση με δόση D i επί της φυσικής δόσης 3. Pre heat σε θερμοκρασία Τ = 280 ο C για χρόνο t = 10 sec 4. LM OSL σε θερμοκρασία Τ = 125 ο C για χρόνο t = 1000 sec με ισχύ των μπλε λυχνιών να αυξάνεται γραμμικά από 0 έως 90% της μέγιστης ισχύος. 5. Residual TL μέτρηση με μέγιστη θερμοκρασία Τ max = 500 ο C και ρυθμό θέρμανσης 1 ο C/sec 6. Επανάληψη των βήματων 2-5 για D i = 10, 20, 30 Gy. Κάθε δόση εφαρμόζεται σε 3 δείγματα για στατιστικούς λόγους. Επίσης, κάθε διαφορετική δόση εφαρμόζεται σε διαφορετικό δείγμα και επί της φυσικής δόσης. Τα τρία δείγματα παρουσιάζουν επαναληψιμότητα για τη φυσική δόση όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Λόγω της ομοιότητας τους, οι παρακάτω αναλύσεις και διαγράμματα θα αναφέρονται σε ένα μόνο από αυτά MAAD_LM_NOSL Aliq A Aliq B Aliq C Time (sec) Σχήμα 6.2.1: Επαναληψιμότητα των δειγμάτων για την NOSL στο πρωτόκολλο MAAD_LM. Οι καμπύλες που λαμβάνονται από αυτό το πρωτόκολλο φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα, για ένα από τα τρία δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν. Λόγω της γραμμικής αύξησης της έντασης του φωτός που χρησιμοποιούνται για τη διέγερση των ηλεκτρονίων, παρατηρείται αύξηση της έντασης της φωταύγειας αρχικά, έως ένα μέγιστο, ενώ έπειτα ξεκινά η πτώση της καμπύλης. 46

47 LM _ OSL Intensity (a.u.) MAAD_LM_OSL NOSL NOSL + 10 Gy NOSL + 20 Gy NOSL + 30 Gy Time (sec) Σχήμα 6.2.2: Καμπύλες έντασης δόσης για το πρωτόκολλο MAAD_LM. Οι καμπύλες αφορούν το δείγμα Α. Στο πρωτόκολλο αυτό δεν μπορούν να αναλυθούν οι καμπύλες ως ενιαίες αλλά θα πρέπει να γίνει ανάλυση συνιστωσών ανάλογα με την τάξη κινητικής τους. Οι καμπύλες που απεικονίζονται στο σχήμα αποτελούν υπέρθεση των συνιστωσών που αναζητούμε. Για την ανάλυση αυτή, χρησιμοποιείται γενική τάξη κινητικής ή αλλιώς όπως είναι γνωστό, Μοντέλο Garlick & Gibson (Βλέπε 1.8.2). Παρόλα ταύτα, είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία πως τα κεραμικά αφορούν πρώτη τάξη κινητικής (λόγω του χαλαζία που περιέχουν). Έτσι, μπορούν να προσδιοριστούν οι συνιστώσες για την κάθε καμπύλη του σχήματος Η ανάλυση των καμπυλών πραγματοποιείται μέσω ενός αρχείου Excel το οποίο περιλαμβάνει τις εξισώσεις κινητικής, οπότε με την εισαγωγή των πειραματικών δεδομένων και την επιλογή του αριθμού των συνιστωσών, αναπαράγει μια αναλυτική καμπύλη, η οποία περιγράφει τα πειραματικά δεδομένα. Σε αυτό το πρωτόκολλο, η αναλυτική καμπύλη περιγράφεται από 4 συνιστώσες, 3 κορυφές και μία καμπύλη που αντιστοιχεί στο υπόβαθρο. Από αυτές υπολογίζεται ισοδύναμη δόση μόνο από τις καμπύλες κορυφών, εκ των οποίων η τελευταία δεν θεωρείται αξιόπιστη λόγω την «συγχώνευσης» της με το υπόβαθρο. Μια εικόνα του φύλλου Excel που χρησιμοποιήθηκε για αυτό το σκοπό, φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, ενώ στο διάγραμμα που έπεται, παρουσιάζεται ενδεικτικά ένα από τα διαγράμματα ανάλυσης. Οι χρόνοι όπου παρουσιάζονται οι διάφορες συνιστώσες είναι τ 1 = ± 0.90 sec, τ 2 = ± 2.99 sec, τ 3 = ± sec. Οι χρόνοι αυτοί υποχρεωτικά παραμένουν οι ίδιοι περίπου (εντός του σφάλματος που εμφανίζεται) λόγω της μη εξάρτησης τους από τη δόση που δίνεται. 47

48 LM_OSL Intensity (a.u) Εικόνα : Φύλλο Excel για την ανάλυση συνιστωσών των καμπυλών του πρωτοκόλου MAAD_LM_OSL OSL Intensity (a.u.) C1 C2 C3 Background Σ OSL , Stimulation Time (sec) Σχήμα 6.2.4: Ανάλυση συνιστωσών για το πρωτόκολλο MAAD_LM_OSL, δείγμα Α, δόση NOSL + 30 Gy. Από αυτά τα σχήματα υπολογίστηκαν τα ολοκληρώματα των καμπυλών. Για κάθε διαφορετική δόση, υπολογίστηκαν τα εξής μεγέθη : Cf i = (I i - I NOSL )/ D i, NOSL / Cf i και έπειτα ο μέσος όρος από το μέγεθος NOSL / Cf i, για τις δόσεις 10, 20 και 30 Gy. Ο μέσος όρος αυτός αντιστοιχεί στην ισοδύναμη δόση για τη κάθε συνιστώσα. Οι τιμές για την ισοδύναμη δόση καθώς και ο χρόνος που απαντάται η κάθε συνιστώσα είναι οι εξής: 48

49 Συνιστώσα Ισοδύναμη δόση ED C ± 0.36 Gy C ± 1.30 Gy C ± 1.38 Gy Πίνακας 6.2.Α : Ισοδύναμη δόση για κάθε συνιστώσα. 6.3 SAR _ TL Το πρωτόκολλο αυτό αφορά τη θερμοφωταυγειακή μελέτη μέσω της μεθόδου Single Aliquot Regeneration. Τα βήματα που εφαρμόστηκαν είναι τα ακόλουθα : 1. Ακτινοβόληση με δόση D i 2. ΤL μέτρηση έως 500 ο C με ρυθμό θέρμανσης 1 ο C / sec [L i ] 3. Ακτινοβόληση με προκαθορισμένη δόση DT = 5 Gy 4. TL μέτρηση έως 500 ο C με ρυθμό θέρμανσης 1 ο C / sec [Τ i ] 5. Το D i παίρνει τις τιμές 0 (NTL) 10, 20, 30, 0, 10 Gy και επαναλαμβάνονται τα βήματα 1-4. Το πρωτόκολλο αυτό εφαρμόστηκε σε τρία δείγματα για στατιστικούς λόγους. Εφόσον, επιβεβαιώθηκε η επαναληψιμότητα των διαγραμμάτων τα διαγράμματα που εμφανίζονται μόνο για επεξηγηματικούς ή εποπτικούς λόγους θα αφορούν μόνο ένα εκ των δειγμάτων. Παρακάτω εμφανίζονται τα διαγράμματα των εντάσεων θερμοφωταύγειας των εργαστηριακών δόσεων (Lab Dose) και της Test Dose για όλες τις δόσεις συναρτήσει της θερμοκρασίας, για το δείγμα Α. Παρατηρείται πως η πρώτη κορυφή δεν εμφανίζεται στη καμπύλη φυσικής δόσης, διότι πρόκειται για ρηχές βραχύβιες παγίδες που αδειάζουν ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Επίσης, όπως ήταν αναμενόμενο, η μορφή των καμπυλών παραμένει ανεξάρτητη της δόσης και εμφανίζει δύο κορυφές, μία μεγάλης έντασης και μικρού θερμοκρασιακού εύρους και μία βαθύτερη αλλά μικρότερης έντασης που καλύπτει μεγαλύτερο θερμοκρασιακό εύρος. Αν δοθεί μεγαλύτερη έμφαση στη δεύτερη κορυφή, διαπιστώνεται πως πρόκειται για μια υπέρθεση κορυφών που απέχουν λίγο μεταξύ τους. 49

50 TD TL Intensity (a.u.) LD TL intensity (a.u.) 2,5E+05 2,0E+05 1,5E+05 SAR _ TL _ Lab Dose natural 10 Gy 20 Gy 30 Gy 0 Gy 10 reg Gy 1,0E+05 5,0E+04 0,0E Temperature ( C ) Σχήμα : SAR_TL glow curves. Tα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν σε διαφορετικές δόσεις (δείγμα Α). 1,6E+05 1,4E+05 1,2E+05 SAR _ TL _ Test Dose natural 10 Gy 20 Gy 30 Gy 0 Gy 1,0E reg Gy 8,0E+04 6,0E+04 4,0E+04 2,0E+04 0,0E Temperature ( C ) Σχήμα : TL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν στην ίδια test dose στον κύκλο επανάληψης της δόσης που φαίνεται σε κάθε καμπύλη (δείγμα Α). Για να βρεθεί η ισοδύναμη δόση από αυτό το πρωτόκολλο, αθροίζουμε τις στήλες για κάθε καμπύλη των lab dose και των test dose για τις θερμοκρασίες 150 έως 400 ο C, δηλαδή την περιοχή που αντιστοιχεί στη δεύτερη κορυφή. Τα αθροίσματα αυτά καλούνται L i και T i αντίστοιχα. Έπειτα, υπολογίζεται το μέγεθος L i / T i όπου i η κάθε διαφορετική δόση, συμπεριλαμβανομένου και της άγνωστης φυσικής δόσης. Στη συνέχεια, σχεδιάζεται το διάγραμμα L i / T i συναρτήσει της δόσης D i. Εφαρμόζουμε γραμμή τάσης και μέσω αυτής υπολογίζουμε την ισοδύναμη δόση. 50

51 SAR TL _Equivalent Dose 3 2,5 2 L i /T i 1,5 1 0,5 y = 0,0938x + 0,0212 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα 6.3.3: Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης για το δείγμα Α. Το κόκκινο σημείο αντιστοιχεί στην ED όπως υπολογίστηκε από την γραμμή τάσης του σχήματος. Από αυτή τη μέθοδο υπολογίστηκαν οι ισοδύναμες δόσεις για τα τρία δείγματα : ED A = Gy, ED B = Gy, ED C = Gy από τα οποία υπολογίζεται η τελική ισοδύναμη δόση από το μέσο όρο τους. Εντέλει, από το πρωτόκολλο SAR _ TL προκύπτει η ισοδύναμη δόση ED = ± 0.32 Gy. 6.4 SAR _ LM_ OSL Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο SAR με φως διέγερσης γραμμικά αυξανόμενης έντασης (linear modulated). Όπως και στα περισσότερα πρωτόκολλα οπτικώς προτρεπόμενης φωταύγειας, χρησιμοποιείται ορατό φως ( μπλε ) ή υπέρυθρο. Στην ενότητα αυτή περιγράφεται η διαδικασία με το ορατό φως. Το πρωτόκολλο αυτό αποτελείται από τα εξής βήματα : 1. Ακτινοβόληση με δόση D i 2. Pre heat στους 220 ο C για 10 sec 3. OSL μέτρηση στους 125 ο C για 1000 sec με ισχύ των μπλε λυχνιών να αυξάνεται γραμμικά από 0 έως 90% της μέγιστης ισχύος [L i ] 4. Ακτινοβόληση με προκαθορισμένη δόση DT = 5 Gy 5. OSL μέτρηση στους 125 ο C για 1000 sec με ισχύ των μπλε λυχνιών να αυξάνεται γραμμικά από 0 έως 90% της μέγιστης ισχύος [Τ i ] 6. Το D i παίρνει τις τιμές 0 (NOSL), 10, 20, 30, 0, 10 Gy και επαναλαμβάνονται τα βήματα

52 LD OSL Intensity (a.u.) Τη δεύτερη φορά με τη δόση 10 Gy θα χαρακτηρίζεται ως 10reg (regeneration) ώστε να υπάρχει διαχωρισμός των δύο καμπυλών. Η επανάληψη αυτή λαμβάνει χώρα για να διαπιστωθεί η ύπαρξη ευαισθητοποίησης του υλικού και να υπάρξουν οι ανάλογες διορθώσεις. Ένα μόνο δείγμα χρησιμοποιήθηκε για αυτό το πρωτόκολλο. Για να βρεθεί η ισοδύναμη δόση από αυτό το πρωτόκολλο, αθροίζονται οι στήλες της έντασης για όλες τις lab dose και test dose καμπύλες για το χρόνο 0 έως 1000 sec. Τα δύο αυτά μεγέθη αντιστοιχούν ξανά στα L i και T i αντίστοιχα. Έπειτα, υπολογίζεται το μέγεθος L i / T i όπου i η κάθε διαφορετική δόση, συμπεριλαμβανομένου και της άγνωστης φυσικής δόσης. Στη συνέχεια, δημιουργείται το διάγραμμα L i / T i σε συνάρτηση με τη δόση D i. Εφαρμόζεται γραμμή τάσης και μέσω αυτής υπολογίζεται η φυσική δόση ή όπως αλλιώς ονομάζεται η ισοδύναμη δόση. Στα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζονται οι εντάσεις των Lab dose -διαφορετικές δόσεις που εφαρμόστηκαν- (σχήμα 6.4.1) καθώς και οι εντάσεις των Test dose (σχήμα 6.4.2). Όπως φαίνεται, η ένταση των καμπυλών αυξάνει με την αύξηση της δόσης και παρουσιάζεται ένα μέγιστο, το οποίο οφείλεται στην γραμμική αύξηση της έντασης του φωτός διέγερσης. Οι καμπύλες μετά από την test dose αντιστοιχούν περίπου στην ίδια ένταση όπως είναι αναμενόμενο. Τέλος, παρουσιάζεται το διάγραμμα L i / T i συναρτήσει της δόσης D i. Με κόκκινο σύμβολο επισημαίνεται η ισοδύναμη δόση, όπως υπολογίστηκε από την γραμμή τάσης και αντιστοιχεί στην τιμή ED = Gy SAR_ LM _ OSL_ Lab Dose NOSL 10 Gy 20 Gy 30 Gy 0 Gy 10 reg Gy Time (sec) Σχήμα : LM_OSL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν σε διαφορετικές δόσεις. 52

53 TD OSL Intensity (a.u.) SAR_ LM _ OSL _ Test Dose NOSL 10 Gy 20 Gy 30 Gy Gy 10 reg Gy Time (sec) Σχήμα : OSL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν στην ίδια test dose στον κύκλο επανάληψης της δόσης που φαίνεται σε κάθε καμπύλη. Σχήμα 6.4.3: Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης μέσω του πρωτοκόλλου SAR_LM_OSL. Το κόκκινο σημείο αντιστοιχεί στην ED όπως υπολογίστηκε από την γραμμή τάσης που φαίνεται στο σχήμα. 53

54 LD IRSL Intensity (a.u.) 6.5 SAR _ LM_ IRSL Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζεται το ίδιο πρωτόκολλο με αυτό της ενότητας 6.4, με μόνη διαφορά το φως διέγερσης, το οποίο τώρα είναι υπέρυθρο (IR). Τα βήματα που εφαρμόστηκαν είναι τα παρακάτω : 1. Ακτινοβόληση με δόση D i 2. Pre heat στους 220 ο C για 10 sec 3. OSL μέτρηση στους 50 ο C για 1000 sec με ισχύ των IR λυχνιών να αυξάνεται γραμμικά από 0 έως 90% της μέγιστης ισχύος [L i ] 4. Ακτινοβόληση με προκαθορισμένη δόση DT = 5 Gy 5. OSL μέτρηση στους 50 ο C για 1000 sec με ισχύ των IR λυχνιών να αυξάνεται γραμμικά από 0 έως 90% της μέγιστης ισχύος [Τ i ] 6. Το D i παίρνει τις τιμές 0 (NIRSL) 10, 20, 30, 0, 10 Gy και επαναλαμβάνονται τα βήματα 1-5. Τη δεύτερη φορά με τη δόση 10 Gy χαρακτηρίζεται και πάλι ως 10reg (regeneration) ώστε να υπάρχει διαχωρισμός των δύο καμπυλών. Και σε αυτό το πρωτόκολλο χρησιμοποιήθηκε μόνο ένα δείγμα, ενώ η διαδικασία υπολογισμού της ισοδύναμης δόσης είναι η ίδια με αυτή της ενότητας 6.4 (υπολογισμός L i / T i και γραμμή τάσης). Η ισοδύναμη δόση από το πρωτόκολλο SAR _ LM _ IRSL υπολογίστηκε ίση με ED = Gy SAR _ LM _ IRSL_ Lab Dose NIRSL 10 Gy 20 Gy 30 Gy 0 Gy 10 reg Gy Time (sec) Σχήμα : LM_IRSL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν σε διαφορετικές δόσεις. 54

55 TD IRSL Intensity (a.u.) SAR_LM _ IRSL _ Test dose NIRSL 10 Gy 20 Gy 30 Gy Gy 10 reg Gy Time (sec) Σχήμα : IRSL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν στην ίδια test dose στον κύκλο επανάληψης της δόσης που φαίνεται σε κάθε καμπύλη. Σχήμα 6.5.3: Διάγραμμα L i / T i συναρτήσει της δόσης Di και υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης μέσω του πρωτοκόλλου SAR_CW_IRSL. Το κόκκινο σημείο αντιστοιχεί στην ED όπως υπολογίστηκε από την γραμμή τάσης του σχήματος. 55

56 LD OSL Intensity (a.u.) 6.6 SAR_CW_OSL Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο SAR ενώ αυτή τη φορά είναι CW (continuous wave) το φως διέγερσης. Όπως και στα προηγούμενα πρωτόκολλα οπτικώς προτρεπόμενης φωταύγειας, χρησιμοποιείται ορατό φως ( μπλε ) ή υπέρυθρο. Στην ενότητα αυτή περιγράφεται η διαδικασία με το ορατό φως. Το πρωτόκολλο αυτό αποτελείται από τα εξής βήματα : 1. Ακτινοβόληση με δόση D i 2. Pre heat στους Τ ο C για 10 sec 3. OSL μέτρηση στους 125 ο C για 100 sec [L i ] 4. Ακτινοβόληση με προκαθορισμένη δόση DT = 5 Gy 5. Θέρμανση στους 160 ο C 6. OSL μέτρηση στους 125 ο C για 100 sec [Τ i ] 7. Το D i παίρνει τις τιμές 0 (NOSL), 10, 20, 30, 0, 10 Gy και επαναλαμβάνονται τα βήματα Επαναλαμβάνω τα βήματα 1 7, για διαφορετικά pre heat, όπου Τ = C με βήμα 20 C, σε διαφορετικά δείγματα. Τη δεύτερη φορά με τη δόση 10 Gy θα χαρακτηρίζεται ως 10reg (regeneration) ώστε να υπάρχει διαχωρισμός των δύο καμπυλών. Η επανάληψη αυτή λαμβάνει χώρα για να διαπιστωθεί η ύπαρξη ευαισθητοποίησης του υλικού και να υπάρξουν οι ανάλογες διορθώσεις. Δύο δείγματα χρησιμοποιήθηκαν για το ίδιο πρωτόκολλο και διαπιστώθηκε η ίδια συμπεριφορά σε όλα. Για την απλότητα των διαγραμμάτων, περιέχονται οι καμπύλες από ένα μόνο δείγμα και για ένα pre-heat. 2,5E+05 2,0E+05 1,5E+05 SAR_CW_OSL _ Lab Dose natural 10 Gy 20 Gy 30 Gy 0 Gy 10 reg Gy 1,0E+05 5,0E+04 0,0E Time (sec) Σχήμα : CW_OSL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν σε διαφορετικές δόσεις (δείγμα Α, pre-heat 200 o C). 56

57 TD OSL Intensity (a.u.) 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 SAR_CW_OSL_ Test Dose natural 10 Gy 20 Gy 30 Gy 0 Gy 10 reg Gy 4,0E+04 2,0E+04 0,0E Time (sec) Σχήμα : OSL glow curves για το πρωτόκολλο SAR, τα διαφορετικά χρώματα των καμπυλών αντιστοιχούν στην ίδια test dose στον κύκλο επανάληψης της δόσης που φαίνεται σε κάθε καμπύλη (δείγμα Α, pre-heat 200 o C). Από τα δύο προηγούμενα διαγράμματα διαπιστώνεται πως για διαφορετικές δόσεις, η καμπύλη ξεκινά από διαφορετικό μέγιστο (αύξηση της δόσης δίνει μεγαλύτερη ένταση) ενώ στο δεύτερο σχήμα όλες οι καμπύλες ξεκινούν από το ίδιο σχεδόν σημείο αφού κάθε προηγούμενο σήμα έχει ήδη σβηστεί και η test dose είναι κάθε φορά η ίδια. Επιπλέον, γίνεται αντιληπτό πως οι καμπύλες για CW_OSL παρουσιάζουν το μέγιστο σε χρόνο 0 εφόσον η ισχύς το φωτός διέγερσης είναι σταθερή και δεν αυξάνει γραμμικά. Για να βρεθεί η ισοδύναμη δόση από αυτό το πρωτόκολλο, αθροίζονται οι στήλες για όλες τις καμπύλες εντάσεως των Lab Dose και Test Dose για το χρόνο 0 έως 100 sec. Έπειτα, υπολογίζεται το μέγεθος L i / T i όπου i η κάθε διαφορετική δόση, συμπεριλαμβανομένου και της άγνωστης φυσικής δόσης. Στη συνέχεια, δημιουργείται το διάγραμμα L i / T i με την αντίστοιχη δόση D i. Εφαρμόζεται γραμμή τάσης και μέσω αυτής υπολογίζεται η φυσική δόση ή όπως αλλιώς ονομάζεται η ισοδύναμη δόση. Στη συνέχεια, ακολουθείται η παραπάνω διαδικασία για όλα τα διαφορετικά pre heat για τα οποία εφαρμόστηκε το πρωτόκολλο και αφού δημιουργηθούν όλα τα διαγράμματα L i / T i συναρτήσει της δόσης D i, εξάγονται τιμές για την ισοδύναμη δόση για κάθε ένα από αυτά. Τα διαγράμματα έως αφορούν ακριβώς αυτή τη διαδικασία, το κάθε ένα για διαφορετικό pre heat καθώς αναγράφεται η ευθεία ελαχίστων τετραγώνων σε κάθε περίπτωση. Σε κάθε ένα από αυτά, το κόκκινο σημείο αντιστοιχεί στην ED όπως υπολογίστηκε από την γραμμή τάσης που φαίνεται στο αντίστοιχο σχήμα. 57

58 SAR_CW_OSL _preheat 200_Equivalent Dose 2 1,8 1,6 1,4 1,2 L i / T i 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y = 0,0448x + 0,4631 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα : Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης για το δείγμα Α μέσω του πρωτοκόλλου SAR_CW_OSL για pre heat 200 o C. SAR_CW_OSL _preheat 220_Equivalent Dose 2 1,8 1,6 1,4 1,2 L i /T i 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y = 0,0438x + 0,4318 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα : Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης για το δείγμα Α μέσω του πρωτοκόλλου SAR_CW_OSL για pre heat 220 o C. 58

59 SAR_CW_OSL_preheat 240_Equivalent Dose L i / T i 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y = 0,0402x + 0,4231 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα : Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης για το δείγμα Α μέσω του πρωτοκόλλου SAR_CW_OSL για pre heat 240 o C. SAR_CW_OSL _preheat 260_Equivalent Dose 1,6 1,4 1,2 1 L i /T i 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y = 0,0332x + 0,3831 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα : Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης για το δείγμα Α μέσω του πρωτοκόλλου SAR_CW_OSL για pre heat 260 o C. 59

60 SAR_CW_ OSL _preheat 280_Equivalent Dose 1,4 1,2 1 L i /T i 0,8 0,6 0,4 0,2 y = 0,0291x + 0,3438 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα : Υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης για το δείγμα Α μέσω του πρωτοκόλλου SAR_CW_OSL για pre heat 280 o C. Στον παρακάτω πίνακα απεικονίζεται ο μέσος όρος της ισοδύναμης δόσης από τα δύο δείγματα για το κάθε pre heat. pre heat ED 200 C ± 0.66 Gy 220 C ± 0.46 Gy 240 C ± 0.45 Gy 260 C ± 0.57 Gy 280 C ± 0.42 Gy Πίνακας 6.6.A : Ισοδύναμη δόση για κάθε pre- heat του πρωτοκόλλου SAR _CW_OSL. Στη συνέχεια, αφού έχει υπολογισθεί ο μέσος όρος των δύο δειγμάτων για κάθε θερμοκρασία που χρησιμοποιήθηκε στο pre heat, κατασκευάζεται το διάγραμμα 6.9.8, το οποίο παριστάνει τη μέση ισοδύναμη δόση ED συναρτήσει του pre heat. Όπως διακρίνεται από αυτό το διάγραμμα, στο εύρος θερμοκρασιών C, οι υπολογιζόμενες ισοδύναμες δόσεις βρίσκονται σε συμφωνία μεταξύ τους, ενώ μετά από αυτό το εύρος παρουσιάζεται αύξηση. Η παρατήρηση αυτή συμβαδίζει με τη θεωρία κατά την οποία, αξιόπιστα αποτελέσματα υπάρχουν όταν η θερμοκρασία του pre heat κυμαίνεται από C, ενώ έπειτα από αυτό το όριο παρατηρείται αύξηση που ενδεχομένως να οφείλεται στο φαινόμενο θερμικής μεταφοράς (thermal transfer). Η τελική ισοδύναμη δόση υπολογίσθηκε ED = ± 0.13 Gy. 60

61 ED (Gy) Pre-heat test_sar_cw_osl Temperature of pre - heat ( C) Σχήμα 6.6.8: Preheat test. Με μαύρη γραμμή συμβολίζεται το μέσο ED στο εύρος C. Στη συνέχεια, αναλύονται οι καμπύλες του πρωτοκόλλου για κάθε pre heat με εφαρμογή ανάλυσης συνιστωσών για την εξαγωγή της ισοδύναμης δόσης προερχόμενη από αυτές. Ο τρόπος ανάλυσης συνιστωσών είναι παρόμοιος με αυτόν της ενότητας 6.2, δηλαδή μέσω ενός αρχείου Excel το οποίο περιλαμβάνει τις εξισώσεις κινητικής, οπότε με την εισαγωγή των πειραματικών δεδομένων, την επιλογή του αριθμού των συνιστωσών και τον καθορισμό κάποιον παραμέτρων, αναπαράγει μια αναλυτική καμπύλη, η οποία περιγράφει τα πειραματικά δεδομένα. Στην προκειμένη περίπτωση οι συνιστώσες είναι δύο εκ των οποίων η μία είναι το υπόβαθρο, από το οποίο δεν μπορεί να παραχθεί κάποιο αξιοποιήσιμο συμπέρασμα σχετικά με την ισοδύναμη δόση. Επομένως, η ισοδύναμη δόση υπολογίζεται μόνο από την πρώτη συνιστώσα, η οποία καλείται για τυπικούς λόγους C1. Ο υπολογισμός της ισοδύναμης δόσης από την συνιστώσα, γίνεται με την ίδια διαδικασία όπως και για όλη την καμπύλη, δηλαδή υπολογίζονται τα L i και T i για κάθε δόση D i, δημιουργείται το διάγραμμα L i /T i συναρτήσει της δόσης και με την ευθεία ελαχίστων τετραγώνων υπολογίζεται το ED. Στο παρακάτω διάγραμμα (6.6.9) απεικονίζεται το φύλλο excel της διαδικασίας ανάλυσης συνιστωσών για μια ενδεικτική δόση και ένα τυχαίο pre heat. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα διαγράμματα L i /T i συναρτήσει της δόσης για κάθε ένα pre - heat (σχήματα έως ). Τα κόκκινα σημεία συμπίπτουν με την ισοδύναμη δόση. Το pre heat για 280 ο C παραλείπεται εφόσον όπως διατυπώθηκε παραπάνω, δεν συμπίπτει με τις υπόλοιπες τιμές (επισημαίνεται επίσης και στην αντίστοιχη βιβλιογραφία). 61

62 Σχήμα : Φύλλο του Excel για ανάλυση συνιστωσών μέσω κινητικών γενικής τάξης για δόση 30 Gy και preheat 200 ο C. 6 ED_Ανάλυση συνιστωσών_preheat L i /T i y = 0,2x - 1,2282 R² = 0, Dose (Gy) Σχήμα : Υπολογισμός ED μέσω της συνιστώσας C1 για pre heat 200 o C. 62