ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΣΗΡΑΓΓΑΣ (TUNNELING EFFECT) ΜΕΣΩ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ ΣΕ ΘΕΙΙΚΟ ΑΣΒΕΣΤΙΟ ΜΕ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ ΔΥΣΠΡΟΣΙΟΥ ΚΑΙ ΘΟΥΛΙΟΥ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Τίτλος: ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΣΗΡΑΓΓΑΣ (TUNNELING EFFECT) ΜΕΣΩ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΘΕΡΜΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ ΣΕ ΘΕΙΙΚΟ ΑΣΒΕΣΤΙΟ ΜΕ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ ΔΥΣΠΡΟΣΙΟΥ ΚΑΙ ΘΟΥΛΙΟΥ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: Φίλιππος Οκκαλίδης ΑΕΜ: 13638 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: καθηγητής Γεώργιος Κίτης 1

2

Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή 1.1 Φαινόμενο σήραγγας 1.2 Φωταύγεια 1.2.1 Θερμοφωταύγεια 1.2.2 Καμπύλη Θερμοφωταύγειας και φωτοκορυφές 1.2.3 Μαθηματικό μοντέλο της θερμοφωταύγειας 2. Μέθοδος και υλικά 2.1 Εξοπλισμός 2.1.1 Μετρητής θερμοφωταύγειας Harshaw-Bicron (model 3500). 2.2.2 Διαδικασίες που επαναλαμβάνονται 2.2 Υλικά 2.3 Πειράματα 2.4 Συσχετισμός καταγεγραμμένου φορτίου και αυθαίρετων μονάδων έντασης θερμοφωταύγειας 2.5 Διαδικασία ισοθερμικής εξασθένισης (isothermal decay) με προθέρμανση (Π2) 3. Αποτελέσματα 3.1 Αξιολόγηση του ιστορικού και της ομοιογένειας των δειγμάτων CaSO 4 (Dy) & CaSO 4 (Τ) 3.2 Αξιολόγηση του ιστορικού και της ομοιογένειας του CaF 2 (Dy). 3

3.3 Αξιολόγηση μεταβολής της συμπεριφοράς υλικού μετά από διαφορετική διαδικασία θέρμανσης 3.3.1 Σύγχρονη προθέρμανση και ακτινοβόληση (ΣΠΑ) για το CaF 2 (Dy). 3.3.2 Διαδοχική ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση (ΑΜΠ) για το CaF 2 (Dy). 3.3.3 Σύγχρονη προθέρμανση και ακτινοβόληση (ΣΠΑ) του δείγματος D1 του CaSO 4 (Dy) 3.3.4 Ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση (ΑΜΠ) του δείγματος D2 του CaSO 4 (Dy) 3.3.5 Σύγχρονη θέρμανση και ακτινοβόληση δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). 3.3.6 Ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση (ΑΜΠ) του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). 3.4 Ισοθερμική εξασθένιση (Isothermal decay) 3.4.1 Μετρήσεις στο δείγμα Τ1 του CaSO 4 (T) χωρίς προθέρμανση (Π2) 3.4.2 Μετρήσεις στο δείγμα D1 του CaSO 4 (Dy) με προθέρμανση (Π2) 3.4.3 Μετρήσεις στο δείγμα Τ3 του CaSO 4 (Τ) με προθέρμανση (Π2) 3.5 Μετρήσεις για την διερεύνηση πιθανού φαινόμενου σήραγγας 3.6 Ρυθμός μεταβολής των υπολοίπων σε σχέση με την θερμοκρασία των ισόθερμων εξασθενήσεων (isothermal decay). 4. Συζήτηση 5. Βιβλιογραφία 4

Περίληψη Ο σκοπός αυτής της πτυχιακής είναι η μελέτη του φαινομένου σήραγγος (tunneling effect) μέσω μετρήσεων θερμοφωταύγειας σε θειικό ασβέστιο με προσμίξεις δυσπρόσιου (CaSO4(Dy)) και θειικό ασβέστιο με προσμίξεις θούλιου (CaSO4(T)). Τα πειράματα που έγιναν για να επιτευχθεί αυτός ο σκοπός χωρίστηκαν σε τρεις κατηγορίες που βασίστηκαν στην ακτινοβόληση των δειγμάτων και την θέρμανσή τους. Πρώτα αξιολογήθηκε η ομοιογένεια και η όμοια μεταχείριση των δειγμάτων και βρέθηκε ότι ήταν ικανοποιητικές. Αυτά αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό των δειγμάτων ώστε να μπορέσει να συνεχιστεί η διαδικασία της πτυχιακής. Στην συνέχεια αξιολογήθηκε η σταθερότητα και η ευαισθησία των υλικών, χαρακτηριστικό που δείχνει αν τα δείγματα είναι σε θέση να ξαναχρησιμοποιηθούν. Τέλος έγιναν τα πειράματα της ισόθερμης εξασθένισης (isothermal decay), που είναι το βασικό κομμάτι της πτυχιακής. Μετά από τα πειράματα ακολούθησε η επεξεργασία των δεδομένων που κατέληξε στα κύρια διαγράμματα των καμπυλών θερμοφωταύγειας. Τα βασικά συμπεράσματα είναι ότι η ομοιογένεια της απόκρισης των υλικών θειικού ασβεστίου με προσμίξεις δυσπρόσιου (CaSO4(Dy)) και θειικού ασβεστίου με προσμίξεις θούλιου (CaSO4(T)) ήταν καλή. Επιπλέον, η ευαισθησία των υλικών δεν επηρεάζεται από τη διαδικασίας της επαναλαμβανόμενης θέρμανσης. Μέσα από την τρίτη κατηγορία πειραμάτων επιβεβαιώθηκε το φαινόμενο σήραγγας. 5

1. Εισαγωγή 1.1 Φωταύγεια Η φωταύγεια περιγράφει την διαδικασία εκπομπής ορατής ακτινοβολίας από ένα υλικό. Τα υλικά της φωταύγειας μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια, αποθηκεύοντας ένα κομμάτι της, και μετατρέποντας την σε εκπεμπόμενη οπτική ακτινοβολία. Η φωταύγεια περιέχει πολλά παρόμοια φαινόμενα, που το καθένα μπορείς να το περιγράψεις προσθέτοντας ένα πρόθεμα στην λέξης φωταύγεια. Το πρόθεμα περιγράφει τους τρόπους με τους οποίους λαμβάνει το υλικό την ενέργεια διέγερσης. Η διέγερση του υλικού μέσω φωταύγειας περιλαμβάνει την μεταφορά ενέργειας στα ηλεκτρόνια και στην μετάθεσή τους σε υψηλότερες ενέργειες. Εάν τα ηλεκτρόνια επιστρέψουν στην αρχική ενεργειακή θέση τους με την εκπομπή οπτικής ακτινοβολίας τότε η διαδικασία αυτή ονομάζεται φθορισμός. Η κατάσταση μετάστασης παρουσιάζεται σαν μια ρηχή παγίδα ηλεκτρονίων και τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν σε αυτήν από μια πιο διεγερμένη κατάσταση απαιτούν ενέργεια για να διαφύγουν. Η ενέργεια αυτή μπορεί να δοθεί με την μορφή οπτικής ακτινοβολίας ή θερμότητα. Η πιθανότητα p ένα ηλεκτρόνιο να διαφύγει από την σταθερή κατάσταση της παγίδας σε μια διεγερμένη περιγράφεται με την εξίσωση του Boltzmann. p=s. exp(-δε/kt), (1) Όπου : s είναι μια σταθερά ΔΕ είναι η διαφορά των ενεργειακών σταθμών (αποκαλείται το βάθος της παγίδας) k είναι η σταθερά του Boltzmann και Τ είναι η θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η πιθανότητα να διαφύγει ένα ηλεκτρόνιο αυξάνεται και με αυτόν τον τρόπο επιταχύνεται σημαντικά το φαινόμενο του φωσφορισμού 6

καθώς αυξάνοντας την θερμοκρασία προοδευτικά επηρεάζονται οι πιο βαθιές παγίδες. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται θερμοφωταύγεια. 1.1.1 Θερμοφωταύγεια Ο ακριβής μηχανισμός της θερμοφωταύγειας είναι περίπλοκος, και υπάρχουν πολλά θεωρητικά μοντέλα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Όμως οι δυσκολίες εμφανίζονται όταν αναφερόμαστε σε συγκεκριμένα υλικά για μέτρηση δόσης. Διάγραμμα 1.0: Ο τρόπος με τον οποίο κάποιο υλικό, που έχει προσμίξεις, φορτίζεται από την ακτινοβολία και στην συνέχεια αποφορτίζεται με την θερμότητα. Καθώς περιστρέφονται γύρω από τα άτομα, τα ηλεκτρόνια επιτρέπεται να βρίσκονται σε συγκεκριμένες τροχιές γύρω από τον πυρήνα άρα και σε συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις. Όλες οι διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις είναι απαγορευμένες. Σε ένα στερεό, τα άτομα για να σχηματίσουν δεσμούς, βρίσκονται σε πολύ κοντινές αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι οι ενεργειακά επιτρεπτές καταστάσεις βρίσκονται τόσο κοντά μεταξύ τους, ώστε συνιστούν ένα φαινομενικό συνεχές, το οποίο ονομάζεται ενεργειακή ζώνη (energy band). Σε αντιστοιχία με τις καταστάσεις στα άτομα, υπάρχουν οι επιτρεπτές και οι απαγορευμένες ενεργειακές ζώνες στα στερεά. Όλες οι ενεργειακές ζώνες στις οποίες βρίσκονται τα ηλεκτρόνια των κλειστών τροχιών, είναι πάντοτε πλήρως κατειλημμένες. Η τελευταία ενεργειακή ζώνη που περιέχει τα εξώτερα ηλεκτρόνια, είναι επίσης πλήρως κατειλημμένη και ονομάζεται ζώνη σθένους (valence band). Η αμέσως μεγαλύτερη επιτρεπτή ενεργειακή ζώνη καλείται ζώνη αγωγιμότητας και διαχωρίζεται από την ζώνη σθένους με ένα ενεργειακό κενό, ή χάσμα μια απαγορευμένη ζώνη. Έστω ΕV η μέγιστη δυνατή τιμή ενέργειας που μπορεί να πάρει ένα 7

ηλεκτρόνιο στη ζώνη σθένους και κατά αντιστοιχία ΕC η ελάχιστη δυνατή τιμή ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας. Το ενεργειακό χάσμα Εg (= ΕC ΕV) αποτελεί ουσιαστικά την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για να σπάσει ένας δεσμός του πλέγματος της ύλης και να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να ξεφύγει από το άτομο όπου βρισκόταν και να περιπλανηθεί μέσα στο υλικό. Η κίνηση τέτοιων ηλεκτρονίων, αν συγχρονιστούν, ανιχνεύεται σαν ένα ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα. Το εύρος του ενεργειακού χάσματος ταυτόχρονα αποτελεί και ένα κριτήριο ταξινόμησης των κρυσταλλικών υλικών. Αν η τιμή του Εg είναι σχετικά μεγάλη ( ~ 3 10 ev), το υλικό χαρακτηρίζεται ως μονωτής. Αντίθετα, αν οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους βρίσκονται πολύ κοντά ή αλληλεπικαλύπτονται, τότε το υλικό χαρακτηρίζεται ως αγωγός. Μια ενδιάμεση κατάσταση όπου δεν υπάρχει αλληλοεπικάλυψη αλλά συγχρόνως το Εg είναι μικρό, χαρακτηρίζει έναν ημιαγωγό. 1.1.4 Καμπύλη Θερμοφωταύγειας και φωτοκορυφές Τα βασικά χαρακτηριστικά μιας φωτοκαμπύλης, τα οποία χρησιμοποιούνται παρακάτω είναι: το εμβαδόν, το μέγιστο ύψος και η μέγιστη θερμοκρασία. Επίσης, τα στατιστικά τα οποία χρησιμοποιούνται είναι: η τυπική απόκλιση, η μέση τιμή και το σφάλμα. Τα στατιστικά χαρακτηριστικά υπολογίζονται με τον κλασικό τρόπο από την στατιστική. Το ολοκλήρωμα της καμπύλης ουσιαστικά είναι το εμβαδόν όλης της καταγεγραμμένης φωτοκαμπύλης. Μετέπειτα χρησιμεύει για την απομόνωση τμημάτων της καμπύλης ώστε να υπολογιστεί το ολοκλήρωμα σε αυτά. Για το μέγιστο ύψος της κορυφής λαμβάνεται η μέγιστη τιμή πάνω στο διάγραμμα και αντίστοιχα δείχνει την μέγιστη θερμοκρασία. Παράδειγμα τυχαίας φωτοκαμπύλης ή καμπύλης θερμοφωταύγειας παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 1.1. Έτσι, φαίνεται ο συσχετισμός της πυκνότητας των παγιδευμένων ηλεκτρονίων σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα με το σχήμα της καμπύλης που παράγεται με την θέρμανση του υλικού. 8

Διάγραμμα 1.1: Παράσταση των ενεργειακών ζωνών και της πυκνότητας των παγιδευμένων ηλεκτρονίων σε σχέση με την καμπύλη θερμοφωταύγειας. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα η εμφάνιση των καμπύλων οφείλεται στην απελευθέρωση λόγω θερμότητας των παγιδευμένων ηλεκτρονίων. 1.1.3 Μαθηματικό μοντέλο της θερμοφωταύγειας Διάγραμμα 1.2: Σχηματικό παράδειγμα φωτοκορυφής: Όπως φαίνεται στον άξονα x υπάρχει η θερμοκρασία σε o C και στον άξονα y η ένταση της φωτεινότητας σε T.L. Intensity (a.u.). Είναι προφανές από το σχήμα ποιά είναι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν. 9

Όπως αναφερθήκαμε και προηγουμένως η πιθανότητα,p, να απελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο από μια παγίδα δίνεται από την εξίσωση του Boltzmann (εξίσωση 1). Η μαθηματική εξίσωση η οποία περιγράφει την ένταση ακτινοβολίας I (T.L. Intensity (a.u.)) από τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια δίνεται από την σχέση: I n o c e T T o 1 s e R E k T dt s e E k T Όπου : R = dt/dt n o = s = c = k = E = ρυθμός μεταβολής θερμοκρασίας πλήθος ηλεκτρονίων σε μια παγίδα σε χρονική στιγμή t o και θερμοκρασία Τ ο παράγοντας διαφυγής σταθερά σταθερά Boltzmann Ενεργειακό επίπεδο Αυτό είναι το μοντέλο της έντασης της ακτινοβολίας που προέρχεται από τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια από ένα συγκεκριμένο ενεργειακό επίπεδο. Το διάγραμμα της έντασης της ακτινοβολίας με την θερμοκρασία ονομάζεται φωτοκαμπύλη που στην περίπτωση που έχει ένα ενεργειακό επίπεδο παίρνει το σχήμα μιας μόνο κορυφής. Αρχικά, σε χαμηλές τιμές θερμοκρασίας η καμπύλη αυξάνει εκθετικά και αφού φτάσει το μέγιστο, πέφτει στο μηδέν. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του ενεργειακού επιπέδου και μικρότερη η τιμή του s, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του μέγιστου της κορυφής. 1.2 Φαινόμενο σήραγγας Το φαινόμενο της σήραγγας είναι μια κατεξοχήν κβαντική διαδικασία. Σύμφωνα με την εξίσωση του Σρέντιγκερ ένα σωματίδιο έχει κάποια πιθανότητα να βρεθεί σε μια περιοχή που απαιτεί ενέργεια περισσότερη από αυτήν που διαθέτει, δηλαδή έξω από ένα ενεργειακό 10

«πηγάδι» όπου βρίσκεται παγιδευμένο. Δηλαδή, να διαπεράσει αυτό που ονομάζεται φράγμα δυναμικού. Όταν το φράγμα δυναμικού έχει άπειρο ύψος, τότε η πιθανότητα μηδενίζεται, δηλαδή είναι αδύνατον το σωματίδιο να υπερπηδήσει το φράγμα. Όταν όμως το ύψος είναι πεπερασμένο και από την άλλη μεριά του φράγματος υπάρχει μια περιοχή με χαμηλότερη ενέργεια από το φράγμα δυναμικού, τότε το σωματίδιο έχει πιθανότητα να βρεθεί στην άλλη περιοχή αφού υπερπηδήσει το φράγμα. Η πιθανότητα όμως μειώνεται εκθετικά με το ύψος του φράγματος αλλά αυξάνεται με την θερμοκρασία. Έτσι ανεξάρτητα από το ύψος του φράγματος δυναμικού, αν έχει παγιδευτεί ένας αρκετά μεγάλος αριθμός σωματιδίων, πάντα θα υπάρξει ένας αριθμός που θα καταφέρει να διαπεράσει το φράγμα. Αυτό ονομάστηκε φαινόμενο σήραγγας. Γνωρίζουμε ότι στην Κλασική Μηχανική η αρχή διατήρησης της ενέργειας, για ένα σώμα δηλώνει ότι η συνολική ενέργεια: Ε=(m. υ 2 )/2+V(x) Όπου : m = μάζα U = ταχύτητα V(x) = δυναμική ενέργεια είναι σταθερή. Αυτό, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η κινητική ενέργεια είναι πάντα θετική, ένα σωματίδιο δεδομένης ολικής ενέργειας Ε δεν μπορεί να διεισδύσει σ' εκείνες τις περιοχές του χώρου όπου η δυναμική ενέργεια V(x) είναι μεγαλύτερη της ολικής. Η κίνηση του σωματιδίου θα περιορίζεται μόνο σ' εκείνα τα x για τα οποία είναι V(x)<E, ενώ οι περιοχές του άξονα x όπου ισχύει η V(x)>Ε, θα είναι απαγορευμένες. Έτσι, π.χ. όταν ένα σωματίδιο πλησιάζει από αριστερά το φράγμα δυναμικού του Σχ. 1, θα μπορέσει να φθάσει μόνο μέχρι το σημείο Χ 1, όπου V(Χ 1 )=Ε, στο οποίο η ταχύτητά του θα μηδενιστεί, ενώ αμέσως μετά θα αλλάξει πρόσημο και η κίνηση του σωματιδίου θα αντιστραφεί. Αυτό που σίγουρα αποκλείεται στην Κλασσική Μηχανική είναι να περάσει το κλασικό σωματίδιο από την άλλη μεριά του φράγματος και να συνεχίσει την κίνησή του προς 11

τα δεξιά. Μεταξύ των δύο επιτρεπόμενων περιοχών κίνησης, Χ<Χ 1, και Χ>Χ 2, μεσολαβεί η απαγορευμένη περιοχή Χ 1 <Χ<Χ 2, την οποία κανένα σωματίδιο δεν μπορεί να διαβεί. Η δυνατότητα αυτή πηγάζει από την αρχή της απροσδιοριστίας του Werner Heisenberg όπου ΔΕ. Δt h. Μπορούν τα σωματίδια να "δανειστούν" μια ποσότητα ενέργειας ΔΕ, για να ξεπεράσουν το φράγμα, με τον όρο ότι θα την επιστρέψουν μέσα σε χρόνο Δt h/δε. Αν όμως το φράγμα δυναμικού έχει μεγάλη τιμή, τότε τα σωματίδια δεν θα μπορέσουν να το ξεπεράσουν. Στο Σχ. 2 φαίνεται η καμπύλη της δυναμικής ενέργειας ενός φορτισμένου πυρηνικού σωματιδίου (π.χ. πρωτονίου ή σωματιδίου α) καθώς αυτό πλησιάζει τον πυρήνα από το εξωτερικό του. Λόγω της ηλεκτρικής άπωσης του πυρήνα η καμπύλη είναι αρχικά "ανηφορική", αλλά μετατρέπεται σ' ένα βαθύ ελκτικό πηγάδι μόλις το πυρηνικό σωματίδιο "αγγίξει" τον πυρήνα, οπότε δέχεται την πολύ ισχυρότερη ελκτική επίδραση των πυρηνικών δυνάμεων. Την ίδια καμπύλη δυναμικής ενέργειας 'αισθάνεται', βεβαίως, και ένα σωματίδιο α που ήταν εξ αρχής μέρος ενός βαρέως πυρήνα (λόγω της μεγάλης ευστάθειας των πυρήνων ηλίου, δηλαδή των σωματιδίων α, τα πρωτόνια και τα νετρόνια των βαρύτερων πυρήνων μπορούν να θεωρηθούν ως οργανωμένα σε συσσωματώματα πυρήνων ηλίου). Το φαινόμενο σήραγγας στους πυρήνες εξηγεί και την διαδικασία που επιτρέπει τη σύντηξη. Αυτή συμβαίνει μόνο χάρη στη δυνατότητα που παρέχεται να έρχονται σε επαφή περνώντας μέσα από το φράγμα δυναμικού που «υψώνει» ανάμεσά τους η ηλεκτροστατική άπωση των φορτίων τους. Χωρίς αυτή τη δυνατότητα είναι πολύ αμφίβολο αν θα υπήρχαν άστρα με τη σταθερότητα και μακροβιότητα αυτών που γνωρίζει ο άνθρωπος και ακόμη πιο αμφίβολο αν αυτός θα βρισκόταν εδώ για να τα μελετήσει. Το φαινόμενο όμως της σήραγγας ενέχεται στις προϋποθέσεις της ύπαρξής μας και μ' έναν πολύ πιο άμεσο τρόπο. Τα ηλεκτρόνια που συμμετέχουν στους χημικούς δεσμούς και εξασφαλίζουν την ύπαρξη των μορίων (και τη δική μας), μπορούν να επιτελούν αυτή τη λειτουργία μόνο χάρη στο γεγονός ότι έχουν την ευχέρεια να «μεταπηδούν» από το ένα 12

άτομο στο άλλο, περνώντας διαρκώς μέσα από την ενεργειακά απαγορευμένη περιοχή μεταξύ των δύο ατόμων. Επίσης μπορεί να εξηγήσει το φαινόμενο των ραδιενεργών διασπάσεων στους πυρήνες και την εξάρτηση του χρόνου ζωής ενός ραδιενεργού πυρήνα από την ενέργεια του εκπεμπόμενου σωματίου α. Σ' ένα μακροσκοπικό επίπεδο, το φαινόμενο της σήραγγας είναι υπεύθυνο για τη λεγόμενη ψυχρή εκπομπή ηλεκτρονίων, η οποία παρατηρείται κατά την τοποθέτηση ενός μετάλλου στην κάθοδο ενός σωλήνα κενού του οποίου η άνοδος βρίσκεται σ' ένα πολύ υψηλό δυναμικό. 2. Μέθοδος και υλικά 2.1 Εξοπλισμός 2.1.1 Μετρητής θερμοφωταύγειας Harshaw-Bicron (model 3500). Το Harshaw-Bicron reader είναι ένα μηχάνημα που συνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή και με κατάλληλο λογισμικό. Μπορεί και καταγράφει την καμπύλη θερμοφωταύγειας τοποθετώντας το κατάληλο υλικό στο συρτάρι του. Ο τρόπος που λειτουργεί είναι η αύξηση της θερμοκρασίας στο συρτάρι, δίνοντας στα παγιδευμένα ηλεκτρόνια αρκετή ενέργεια να απελευθερωθούν φτάνοντας στην ζώνη αγωγιμότητας. Στη συνέχεια θα πέσουν σε χαμηλότερη κατάσταση ή ακόμα θα πάνε πίσω στην ζώνη σθένους. Έτσι, με την μετάσταση των ηλεκτρονίων σε χαμηλότερη ενέργεια απελευθερώνεται οπτική ακτινοβολία. O Harshaw- Bicron reader είναι συνδεδεμένος με μια φιάλη αζώτου ώστε όλες οι μετρήσεις του να γίνονται σε αδρανή ατμόσφαιρα. Η εισαγωγή του αζώτου γίνεται μέσω βαλβίδας και σύμφωνα με τις ενδείξεις έτσι ώστε να μην ξεπεράσει το επιθυμητό όριο. Μέσα από το λογισμικό καταγράφεται η καμπύλη της θερμοφωταύγειας σε διάγραμμα και μετά με χρήση άλλου κατάλληλου προγράμματος εξάγονται οι αντίστοιχες τιμές για την επεξεργασία τους. Μέσα από το λογισμικό μπορούν να επιλεγούν διάφορες δυνατότητες για τις μετρήσεις. Αυτές που είναι χρήσιμες για τα παρακάτω πειράματα είναι οι τρεις βασικές: α) ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας, β) η μέγιστη θερμοκρασία που θα φτάσει το μηχάνημα και τέλος γ) ο χρόνος που κάνει το μηχάνημα για να φτάσει στην μέγιστη 13

θερμοκρασία. Οι επιλογές αυτές μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται. Harshaw-Bicron reader (model 3500). Πηγή ακτινοβολίας: Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε πηγή ηλεκτρονίων 90 Sr/ 90 Y (Στρόντιο 90) με ονομαστική δόση 1,72 Grey/min (0,028 Grey/sec) στην συγκεκριμένη γεωμετρία και χρόνο ημιζωής 28,2 χρόνια. Η πηγή ηλεκτρονίων είναι θωρακισμένη κατάλληλα από μόλυβδο και επικοινωνεί με ένα συρτάρι. Ο παράγοντας γεωμετρίας δεν άλλαξε σε κανένα πείραμα. 2.2.2 Διαδικασίες που επαναλαμβάνονται Η διαδικασία της ανόπτησης του δείγματος αφορά την απελευθέρωση ηλεκτρονίων, που είναι παγιδευμένα στις προσμίξεις που περιέχονται στην κρυσταλλική δομή μέσω θέρμανσης. Όπου αναφέρεται ανόπτηση πρέπει να αναφερθεί και η μέγιστη θερμοκρασία που επιτυγχάνεται. Η διαδικασία της ανόπτησης και καταγραφής της καμπύλης θερμοφωταύγειας είναι η ίδια σε κάθε πείραμα που γίνεται και ακολουθεί την εξής διαδικασία: Α) ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας είναι 2 o C /sec, και ξεκινάει από τους 50 ο C Β) μέγιστη θερμοκρασία που φτάνει είναι 350 ο C σε χρόνο 150 sec. Η μεταβολή της θερμοφωταύγειας καταγράφεται μέσω του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Η ανόπτηση και καταγραφή θερμοφωταύγειας θα αναφέρεται στην συνέχεια σαν ΑΚΘ. Στην διαδικασία της σύγχρονης προθέρμανσης και ακτινοβόλησης (ΣΠΑ) τοποθετείται σε μια βάση το κρυσταλλάκι που θα θερμανθεί. Αυτή η βάση είναι 14

συνδεδεμένη με ένα μηχάνημα το οποίο αυξάνει την θερμοκρασία του έως εκεί που έχει επιλεγεί. Έτσι, το μηχάνημα ρυθμίζεται για την επιθυμητή θερμοκρασία και όταν την φτάσει τοποθετείται η πηγή ηλεκτρονίων δίνοντας την επιθυμητή δόση. Μετά, η πηγή αφαιρείται και ταυτόχρονα σβήνεται το μηχάνημα. Μετά από αυτό ακολουθεί η διαδικασία ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή καμπύλης θερμοφωταύγειας) όπως αναφέρεται παραπάνω. Κάθε φορά που αναφέρεται παρακάτω η ΣΠΑ ουσιαστικά έχει γίνει αυτή η διαδικασία. Η διαδικασία της διαδοχικής ακτινοβόλησης και μετά προθέρμανσης (ΑΜΠ) γίνεται στο ίδιο μηχάνημα με πριν. Είναι παρόμοια με μόνη διαφορά ότι πρώτα ακτινοβολείται το δείγμα με την πηγή ηλεκτρονίων και στην συνέχεια θερμαίνεται για ακριβώς την ίδια χρονική περίοδο στην απαιτούμενη θερμοκρασία. Μετά από αυτό,όπως και πριν, γίνεται μια ΑΚΘ. Εκτός από αυτές τις προθερμάνσεις χρησιμοποιείται και μια άλλη διαδικασία η οποία ονομάζεται προθέρμανση (Π2). Αυτή η προθέρμανση γίνεται πριν την διαδικασία του isothermal decay, ως εξής: μεταβολή της θερμοκρασίας 2 o C/sec, Tmax=160 o C και χρόνος 55 sec. Η προθέρμανση (Π2) γινεται στο Harshaw-Bicron reader. Μια ακόμα διαδικασία η οποία εφαρμόζεται κατά την διάρκεια των πειραμάτων που ακολουθούν είναι η διαδικασία της ισόθερμης εξασθένισης (isothermal decay). Η διαδικασία αυτή εκτελείται στο Harshaw-Bicron reader σύμφωνα με το εξής πρωτόκολλο: ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας είναι 2 o C/sec και ο χρόνος μέτρησης είναι 400 sec. Όσον αφορά την μέγιστη θερμοκρασία, αυτή που αλλάζει ανάλογα με αυτό που επιλέγεται. 15

Φούρνος για τις προθερμάνσεις των διαδικασιών ΣΠΑ και ΑΜΠ. 2.2 Υλικά Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα εξής: 1. CaSO 4 (Dy) - Από αυτό υπάρχουν 5 διαφορετικά δείγματα τοποθετημένα σε ξεχωριστές θέσεις. Έτσι, ονομάζονται αντίστοιχα D1,D2, D3, D4, D5 2. CaSO 4 (T) - Από αυτό υπάρχουν 4 διαφορετικά δείγματα τοποθετημένα σε ξεχωριστές θέσεις. Έτσι, ονομάζονται αντίστοιχα T1,T2, T3, T4 3. CaF 2 (Dy) - Από αυτό υπάρχουν 21 διαφορετικά δείγματα τοποθετημένα σε ξεχωριστές θέσεις. Έτσι, ονομάζονται αντίστοιχα F1,F2, F3,. F21 2.3 Πειράματα Τα πειράματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με τον σκοπό τους. Έτσι τα πειράματα γίνονται για την αξιολόγηση: Κατηγορία Α: της ομοιογένειας και της όμοιας μεταχείρισης των δειγμάτων Κατηγορία Β: της σταθερότητας της ευαισθησίας των υλικών και Κατηγορία Γ: της ισόθερμης εξασθένισης (isothermal decay). 16

Πείραμα 1. (Κατηγορία Α) Σε κάθε δείγμα από το υλικό CaSO 4 (Dy) έγινε ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή της καμπύλης θερμοφωταύγειας) ώστε να αδειάσουν οι παγίδες ηλεκτρονίων του δείγματος που βρίσκονταν στην ζώνη αυτή. Στην συνέχεια, το δείγμα ακτινοβολήθηκε με δόση 0,28 Grey (Ir=10 sec) και έγινε ξανά ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή της καμπύλης θερμοφωταύγειας). Η ίδια διαδικασία επαναλήφθηκε για όλα (σύνολο 5) τα δείγματα του υλικού. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων για τα δείγματα D1 D5 περιέχονται στο αρχείο excel «CaKSO4DY arxika!.xls». Πείραμα 2. (Κατηγορία Α) Χρησιμοποιήθηκε το πρώτο δείγμα (Τ1) από το δεύτερο υλικό (CaSO 4 (Τ)) και έγινε ακριβώς η ίδια διαδικασία με το Πείραμα 1. Δηλαδή αρχικά ΑΚΘ για να είναι σίγουρα άδειο το δείγμα, στην συνέχεια το ακτινοβολήθηκε με δόση 0,26 Grey και μετά ξανά ΑΚΘ. Τα πρωτόκολλα και οι δόσεις ήταν ίδιες για τα υπόλοιπα δείγματα. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKSO4T arxika!» Πείραμα 3. (Κατηγορία Β) Αρχικά και τα 21 δείγματα από το CaF 2 (Dy), τοποθετήθηκαν στον φούρνο για μισή ώρα στους 500 o C ώστε να αδειάσουν πλήρως οι παγίδες των ηλεκτρονίων. Στην συνέχεια τα δείγματα τοποθετούνται σε σειρά (F1,F2,F3...F21). Μετά, το πρώτο δείγμα (F1) ακτινοβολείται με δόση 0,28 Grey (Ir=10 sec) και στην συνέχεια μετριέται με ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή τη καμπύλης θερμοφωταύγειας). Στην συνέχεια χρησιμοποιείται το δεύτερο δείγμα (F2) ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey (Ir=20 sec), αλλά ταυτόχρονα το προθερμαίνεται μέχρι τους 40 ο C (ΣΠΑ) και ΑΚΘ. Ακολουθεί ακριβώς η ίδια διαδικασία για άλλα 5 δείγματα (F3, F4,...F6) αυξάνοντας την προθέρμανση της ΣΠΑ για 20 o C και μετά αλλάζει το βήμα σε 10 o C για τα υπόλοιπα δείγματα (F7, F8,...F21) Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaF2Dy arxika!» 17

Πείραμα 4. (Κατηγορία Α) Από το υλικό CaF 2 (Dy) χρησιμοποιούνται ένα-ένα τα δείγματα ακτινοβολώντας τα με δόση 0,56 Grey και στην συνέχεια ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή της καμπύλης θερμοφωταύγειας) για όλα. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaF2Dy2». Πείραμα 5. (Κατηγορία Β) Σε αυτό το κομμάτι του πειράματος χρησιμοποιήθηκαν ένα-ένα όλα τα δείγματα από το CaF 2 (Dy), και έγινε ΑΜΠ (διαδοχική ακτινοβόληση και προθέρμανση), με την μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης να αυξάνει. Μετά από αυτό για κάθε δείγμα έγινε ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή της καμπύλης θερμοφωταύγειας). Για την τελευταία μέτρηση στο πρώτο δείγμα (F1) έγινε η ίδια διαδικασία με δόση 6,88 Grey (Ir=4 min) και η θερμοκρασία της προθέρμανσης ήταν έως 150 ο C. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaF2Dy3». Πείραμα 6. (Κατηγορία Β) Σε αυτό πείραμα χρησιμοποιήθηκε το πρώτο δείγμα (D1) από το υλικό CaS0 4 (Dy). Αρχικά καταγράφηκε η καμπύλη θερμοφωταύγειας με ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή καμπύλης θερμοφωταύγειας). Στην συνέχεα, μετά από δόση 0,56 Grey έγινε ΣΠΑ (σύγχρονη ακτινοβόληση και προθέρμανση) για συγκεκριμένη θερμοκρασία. Μετά από αυτό έγινε επαναλαμβανόμενη καταγραφή της καμπύλης θερμοφωταύγειας με ΑΚΘ με αυξανόμενη την θερμοκρασία της προθέρμανσης της ΣΠΑ με βήμα 10 o C. Αυτό συνεχίστηκε μέχρι η θερμοκρασία του ΣΠΑ να φτάσει τους 240 ο C. Μετά από αυτήν την διαδικασία γινόταν ΑΚΘ χωρίς ΣΠΑ ώστε να είναι σε θερμοκρασία δωματίου. Μετά ακολούθησε η διαδικασία με ΑΜΠ (διαδοχική ακτινοβόλησει και μετά προθέρμανση). Χρησιμοποιήθηκε το δεύτερο δείγμα (D2) του CaSO 4 (Dy) και αφού έγινε ΑΚΘ, ακολούθησε ΑΜΠ με δόση 0,56 Grey (Ir=20 sec). Αυτή η διαδικασία συνεχίστηκε για το ίδιο δείγμα αυξάνοντας την θερμοκρασία της ΑΜΠ μέχρι τους 220 ο C με βήμα 20 o C. Τέλος, όπως και πριν μετρήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKSO4Dy2». 18

Πείραμα 7. (Κατηγορία Γ) Σε αυτό το κομμάτι χρησιμοποιήθηκε το πρώτο δείγμα (Τ1) του CaS0 4 (T). Αρχικά καταγράφηκε η καμπύλη θερμοφωταύγειας με ΑΚΘ και στην συνέχεια αφού ακτινοβολήθηκε με δόση 0,56 Grey (Ir=20 sec) έγινε πάλι ΑΚΘ (ανόπτηση και καταγραφή καμπύλης θερμοφωταύγειας). Στην συνέχεια ακολούθησε η διαδικασία της ισοθερμικές εξασθένισης (isothermal decay) όπου αφού ακτινοβολήθηκε με δόση των 0,56 Grey (Ir=20 sec), η μέγιστη θερμοκρασία ξεκίνησε από Tmax=150 o C και αυξανόταν διαδοχικά με βήμα 10 o C. Μετά από κάθε ισόθερμη εξασθένιση (isothermal decay) ακολουθεί ΑΚΘ και τα αποτελέσματα κάθε τέτοιας μέτρησης ονομάζονται υπόλοιπα. Η διαδικασία συνεχίζει έτσι για το ίδιο δείγμα μέχρι Tmax=220 o C. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKSO4T». Πείραμα 8. (Κατηγορία Γ) Από το υλικό,caso 4 (Dy), χρησιμοποιήθηκε το τρίτο δείγμα(d3) όπου έγινε ΑΚΘ. Μετά ακολούθησε ακριβώς η ίδια διαδικασία της ισόθερμης εξασθένισης (isothermal decay) όπως και πριν μέχρι τους 220 ο C. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKSO4Dy)». Πείραμα 9. (Κατηγορία Β) Από το CaS0 4 (T) χρησιμοποιήθηκε το δεύτερο δείγμα (Τ2) και αφού έγινε ΑΚΘ για να αδειάσουν οι παγίδες ηλεκτρονίων μέσα στην αντίστοιχη ενεργειακή ζώνη, έγινε ΣΠΑ με δόση 0,56 Grey (Ir=20 sec) ξεκινώντας από τους 60 o C. Στην συνέχεια καταγράφηκε η καμπύλη θερμοφωταύγειας με ΑΚΘ. Σε αυτό το πείραμα η παράμετρος που αλλάζει σε κάθε επανάληψη είναι η θερμοκρασία της προθέρμανσης της ΣΠΑ. Αυτό γίνεται για τις πρώτες τρεις φορές με βήμα 20 o C και για τις υπόλοιπες με βήμα 10 ο C μέχρι τους 220 ο C. Μετά ακολούθησε ΑΚΘ σε θερμοκρασία δωματίου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKS04T3)». 19

Πείραμα 10. (Κατηγορία Β) Από το CaS0 4 (T) χρησιμοποιήθηκε το δεύτερο δείγμα (Τ2) και έγινε η διαδικασία της ΑΜΠ για δόση 0,56 Grey (Ir=20 sec) από τους 60 o C μέχρι να φτάσει 220 o C. Στην συνέχεια καταγράφηκε η καμπύλη θερμοφωταύγειας με ΑΚΘ από το δείγμα. Αυτό που αλλάζει σε κάθε μέτρηση είναι η τιμή της μέγιστης προθέρμανσης κατά την ΑΜΠ. Στις πρώτες 2 μετρήσεις το βήμα είναι 20 ο C και μετά για τις επόμενες 6 μετρήσεις το βήμα είναι 15 o C και για τις υπόλοιπες 10 ο C. Τέλος, ακολουθεί μια ΑΚΘ σε θερμοκρασία δωματίου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKS04T4». Πείραμα 11. (Κατηγορία Γ) Εδώ, έγινε αρχικά η ίδια διαδικασία με την ισόθερμη εξασθένιση (isothermal decay) αλλά προστέθηκε ένα ακόμα βήμα. Πριν ξεκινήσει η βασική διαδικασία των μετρήσεων της ισόθερμης εξασθένησης προηγήθηκαν κάποιες μετρήσεις ώστε να χρησιμοποιηθούν αργότερα για την επεξεργασία των δεδομένων. Αρχικά, το πρώτο δείγμα (D1) από το CaSO 4 (Dy), αφού άδειασαν οι παγίδες ηλεκτρονίων μέσω ΑΚΘ, ακτινοβολήθηκε με δόση 0,28 Grey (Ir=10 sec) και καταγράφηκε η καμπύλη θερμοφωταύγειας με ΑΚΘ. Μετά έγινε προθέρμανση (Π2) και ακολούθησε η διαδικασία της ισόθερμης εξασθένησης (isothermal decay) ξεκινώντας από τους 150 ο C. Η διαφορά αυτής της διαδικασία ισόθερμης εξασθένησης με τις άλλες, όπως στα Πειράματα 7,8 είναι ότι έχει προστεθεί το βήμα της προθέρμανσης (Π2). Μετά ακολουθεί η μέτρηση της ισόθερμης εξασθένησης και τέλος ακολουθεί ΑΚΘ για να καταγραφούν τα υπόλοιπα. Αυτό που άλλαζε στο πείραμα ήταν η μέγιστη θερμοκρασία που έφτανε η ισόθερμη εξασθένηση. Το βήμα ήταν 5 ο C και έφτασε μέχρι τους 200 ο C. Έτσι καμπύλες θερμοφωταύγειας που αντιστοιχούν στα υπόλοιπα και καταγράφονται είναι όσες οι διαφορετικές θερμοκρασίες για την ισόθερμη εξασθένηση. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKSO4dy preheatisothermal)». Πείραμα 12. (Κατηγορία Γ) Εδώ, χρησιμοποιήθηκε το τρίτο δείγμα (Τ3) από το CaSO 4 (T), και έγινε ακριβώς η ίδια διαδικασία με το Πείραμα 11. Όπως εκεί, έγιναν κάποιες αρχικές μετρήσεις ώστε να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία των δεδομένων. Πρώτα, με ΑΚΘ άδειασαν οι παγίδες 20

ηλεκτρονίων, στην συνέχεια αφού ακτινοβολήθηκε το δείγμα με 0,26 Grey (Ir=10 sec) μετρήθηκε με ΑΚΘ, μετά έγινε προθέρμανση (Π2) και τέλος μετρήθηκε το υπόλοιπο με ΑΚΘ. Έτσι ακολούθησε η βασική διαδικασία της ισόθερμης εξασθένησης με αρχικό βήμα την προθέρμανση (Π2), ακολούθησε η ισόθερμη εξασθένηση και τέλος ΑΚΘ για να καταγραφούν τα υπόλοιπα. Αυτό που άλλαζε ήταν η μέγιστη θερμοκρασία που έφτανε η ισόθερμη εξασθένηση (isothermal decay) η οποία αυξάνονταν με βήμα 5 ο C μέχρι τους 205 ο C. Στο τέλος αφού ακτινοβολήθηκε το δείγμα με δόση 0,28 Grey έγινε ΑΚΘ. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιέχονται στο αρχείο του excel «CaKSO4Τ preheat-isothermal)». 2.4 Συσχετισμός καταγεγραμμένου φορτίου και αυθαίρετων μονάδων έντασης θερμοφωταύγειας Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω ο μετρητής θερμοφωταύγειας /Harshaw-Bicron/ που χρησιμοποιήθηκε εκτός από την καμπύλη καταγράφει και το συνολικό φορτίο που αντιστοιχεί στην καμπύλη θερμοφωταύγειας που μετρήθηκε με την διαδικασία της ολοκλήρωσης του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος μέσω κάποιου πυκνωτή. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων, όλες οι τιμές των φορτίων από τις καμπύλες καταγράφονταν. Τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν για να υπολογιστεί το φορτίο και από μέρη καμπύλων θερμοφωταύγειας, ως εξής: επιλέχθηκαν κάποιες κατάλληλες καμπύλες θερμοφωταύγειας και όλες οι τιμές των αυθαίρετων μονάδων T.L. Intensity (a.u.) μεταξύ των θερμοκρασιών 50 o C-350 o C αθροίστηκαν. Στην συνέχεια εντοπίστηκαν προς σύγκριση και τα αντίστοιχα φορτία (nc) που κατέγραψε ο μετρητής και οι δύο ομάδες χρησιμοποιήθηκαν για να γίνουν με το EXCEL οι γραφικές παραστάσεις Αθροίσματος Φορτίου που παρουσιάζονται στα Διαγράμματα 2.0 & 2.1. Εκεί, χρησιμοποιώντας το κατάλληλο εργαλείο του EXCEL, πτροσαρμόστηκαν οι ευθείες ελάχιστων τετραγώνων οι οποίες προφανώς έπρεπε να περνούν από την αρχή των αξόνων. Από τις συναρτήσεις της μορφής a. x + b που περιγράφουν τις ευθείες αυτές φαίνεται ότι οι κλίσεις τους a είναι ίδιες επιβεβαιώνοντας ότι η διαδικασία μέτρησης είναι η ίδια και για τα δυο υλικά. Από τις γραμμικές συναρτήσεις βρίσκεται ότι ο συντελεστής μετατροπής μερικού αθροίσματος σε φορτίο (nc) είναι a = 6. 10-5 ενώ το b είναι πολύ κοντά στο μηδέν και μπορεί να αγνοηθεί. 21

Φορτίο (nc) Φορτίο (nc) 250 Γραμμικότητα CaSO4(T) Διάγραμμα 2.0: Γραμμικότητα φορτίου του υλικού 200 150 y = 6E-05x - 0,0574 R 2 = 1 CaSO 4 (Dy). Με την χρήση αυτής της εξίσωσης 100 μπορεί να υπολογιστεί το 50 φορτίο οποιασδήποτε 0-50 0 500000 1E+06 2E+06 2E+06 3E+06 3E+06 4E+06 4E+06 Άθροιση των δεδομένων (SUM) κορυφής ακόμα και κάποιου μέρους της φωτοκαμπύλης. Γραμμικότητα CaSO4(Dy) 250 200 150 y = 6E-05x - 0,0016 R 2 = 1 Διάγραμμα 2.1: Γραμμικότητα φορτίου του υλικού CaSO 4 (Dy). Με την χρήση αυτής της 100 εξίσωσης μπορεί να υπολογιστεί το φορτίο 50 οποιασδήποτε κορυφής ακόμα και κάποιου 0 μέρους της 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 φωτοκαμπύλης. -50 Άθροιση των δεδομένων (SUM) Έτσι έγινε εφικτό να υπολογιστεί το φορτίο που αντιστοιχεί σε μια φωτοκορυφή ή σε οποιαδήποτε άλλη επί μέρους περιοχή της καμπύλης θερμοφωταύγειας. Προσδιορίζοντας τις θερμοκρασίες στις οποίες ξεκινάει και τελειώνει η περιοχή που 22

ενδιαφέρει αθροίζονται όλες οι τιμές T. L. Intensity (a.u.) ανάμεσα σε αυτές τις θερμοκρασίες στο Excel. Αυτό το άθροισμα πολλαπλασιάζεται με 6. 10-5 και δίνει το φορτίο που θα καταγράφονταν αν η μέτρηση γίνονταν μόνο ανάμεσα στις συγκεκριμένες θερμοκρασίες. 2.5 Διαδικασία ισοθερμικής εξασθένισης (isothermal decay) με προθέρμανση (Π2) Η διαδικασία της ισόθερμης εξασθένησης (isothermal decay) γίνεται για τον εντοπισμό πιθανού φαινόμενου σήραγγας. Η διαδικασία αυτή έχει γίνει με προθέρμανση (Π2) και χωρίς προθέρμανση (Π2). Η διαδικασία της ισόθερμης εξασθένησης με προθέρμανση περιλαμβάνει τρεις μετρήσεις: την προθέρμανση (Π2), την ισόθερμη εξασθένηση, που είναι η μέτρηση που αλλάζει κάθε φορά και τέλος την μέτρηση του υπολοίπου. Για να γίνει πιο κατανοητό το τι συμβαίνει με αυτήν την διαδικασία, παρατίθεται ένα σχηματικό διάγραμμα (2.2) με τα τμήματα της καμπύλης που καταγράφονται και ταυτόχρονα ανοπτώνται κάποιου δείγματος που έχει δεχθεί δόση 0,56 Grey. Διάγραμμα 2.2: Τυχαία καμπύλη θερμοφωταύγειας δείγματος CaSO 4 (Dy) με δόση 0,56 Grey. Φαίνονται τα μέρη της καμπύλης που χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια της διαδικασίας. Η προθέρμανση (Π2) δίνει το κομμάτι της κόκκινης σκιαγράφησης, το κίτρινο κομμάτι αφορά την ισόθερμη εξασθένηση (isothermal decay) αφού έχει γίνει η προθέρμανση (Π2) και τέλος η μπλε σκιαγράφηση είναι το υπόλοιπο, αφού έχει γίνει η ανόπτηση μέχρι το isothermal decay;. 23

T.L. Intensity (a.u.) Η ισόθερμη εξασθένιση που παρουσιάζεται στην συνέχεια αφορά την θερμοκρασία των 160 ο C και χρησιμοποιείται το υλικό CaSO 4 (Dy). Οι μετρήσεις εκτελούνται σύμφωνα με το πείραμα 11. Στο παράδειγμα των Διαγράμματος 2.3, 2.4,2.5 και 2.6 εφαρμόστηκε η εξής διαδικασίας ισοθερμικής εξασθένισης (isothermal decay) βήμα-βήμα: Βήμα 1: Αρχικά, έγινε ανόπτηση στο δείγμα (D1) για να αδειάσουν οι παγίδες ηλεκτρονίων μέσα στην συγκεκριμένη ενεργειακή ζώνη 50 o C-350 o C και η καμπύλη που προέκυψε παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 2.3. Ανόπτηση, CaSO4(Dy) 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Θερμοκρασία C Διάγραμμα 2.3: Καμπύλη θερμοφωταύγειας χωρίς ακτινοβόληση. Στο διάγραμμα φαίνεται ότι πριν ξεκινήσει η διαδικασία το δείγμα (D1) που χρησιμοποιείται είναι άδειο από ηλεκτρόνια. Βήμα 2: Μετά την ακτινοβόληση του δείγματος με δόση 0,26 Grey (Ir=10 sec), ακολούθησε η προθέρμανση (Π2), ώστε να καταγραφεί η μικρή κορυφή θερμοφωταύγειας (50 o C-160 o C) που εμφανίζεται στις χαμηλές θερμοκρασίες και η οποία έτσι θα λείπει από τις επόμενες μετρήσεις το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 2.4. 24

T.L. Intensity (a.u.) Προθέρμανση (Π2), CaSO4(Dy) 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Θερμοκρασία C Διάγραμμα 2.4: Καμπύλη θερμοφωταύγειας του δείγματος (D1) με δόση 0,26 Grey. Στο διάγραμμα φαίνεται ότι καταγράφηκε η καμπύλη θερμοφωταύγειας μέχρι τους 160 ο C. Βήμα 3: Μετά ακολουθεί η ισόθερμη εξασθένηση (isothermal decay). Η ισόθερμη εξασθένηση decay έχει σκοπό να κάνει εμφανές το φαινόμενο σήραγγας και παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 2.5 για Tmax=160 ο C και χρόνο μέτρησης 400 sec. Διάγραμμα 2.5: Η ισόθερμη εξασθενηση (isothermal decay) γίνεται χωρίς ακτινοβόληση του δείγματος (D1) και κατευθείαν μετά την προθέρμανση (Π2). Ουσιαστικά γίνεται ανόπτηση του δείγματος (D1) μέχρι θερμοκρασία 160 ο C, και στη συνέχεια διατηρείται σε αυτήν την θερμοκρασία για τον υπόλοιπο χρόνο (σύνολο 400 sec) 25

Βήμα 4: Τέλος, καταγράφεται το υπόλοιπο (residual). Η μέτρηση του υπολοίπου γίνεται κατευθείαν μετά την ισόθερμη εξασθένηση (isothermal decay) και ουσιαστικά είναι μια ακόμα ΑΚΘ το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 2.6. Διάγραμμα 2.6: Καμπύλη θερμοφωταύγειας του υπόλοιπου. Είναι ΑΚΘ μετά από την ισόθερμη εξασθένηση (isothermal decay).. Στο κεφάλαιο των αποτελεσμάτων, παρουσιάζονται τα διαγράμματα όλων των ισόθερμων εξασθενήσεων και για τα δυο υλικά και για διαδοχικά αυξανόμενη μεγίστη θερμοκρασίας της ισόθερμης εξασθένησης. 26

T.L. Intensity (a.u.) 3. Αποτελέσματα 3.1 Αξιολόγηση του ιστορικού και της ομοιογένειας των δειγμάτων CaSO 4 (Dy) & CaSO 4 (Τ) Πριν εκτελεστούν τα πειράματα για τον εντοπισμό πιθανού φαινόμενου σήραγγας, χρειάστηκε να εξεταστεί αν τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν κατάλληλα. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, προκαταρτικό κομμάτι για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Για την αξιολόγηση του ιστορικού τους δηλαδή της όμοιας μεταχείρισης των δειγμάτων χρησιμοποιούνται τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση των Πειραμάτων 1 & 2. Στο Στα Διαγράμματα 3.0 & 3.1 παρατίθονται οι καμπύλες θερμοφωταύγειας του CaSO 4 (Dy) & του CaSO 4 (Τ) αντίστοιχα χωρίς ακτινοβόληση. Στα Διαγράμματα 3.2 & 3.3 παρατίθονται οι καμπύλες θερμοφωταύγειας του CaSO 4 (Dy) & CaSO 4 (Τ) με δόση = 0,28 Grey. Οι τιμές των συνολικών φορτίων που καταγράφηκαν κατά τις μετρήσεις παρουσιάζονται στους Πίνακες 3.0, 3.1, 3.2 και 3.3. 80000 70000 Ομοιογένεια CaSO4(Dy) 0 Grey Ir=0 sec (D1) Ir=0 sec (D2) Ir=0 sec (D4) Ir=0 sec (D5) 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Θερμοκρασία C Διάγραμμα 3.0: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 4 δειγμάτων CaSO 4 (Dy) μέσω ανόπτησης χωρίς ακτινοβόληση. Σ αυτό το διάγραμμα φαίνεται η όμοια προηγούμενη μεταχείριση των δειγμάτων και η ομοιογένεια του υλικού. Πίνακας 3.0: Βασικά στατιστικά χαρακτηριστικά των καμπυλών του Διαγράμματος 3.0 μαζί με τις αντίστοιχες 27

T.L. Intensity (a.u.) μετρήσεις φορτίων. Στατιστικά Ύψος Κορυφής Ολοκλήρωση από EXCEL Φορτίο (nc) 1η 55864 2830396 176,2 2η 65414 3343356 209 3η 57670 2923070 182,7 4η 61508 3147350 196,7 Μέσος όρος 60114 191,15 Τυπική απόκλιση 4245,345 14,65526072 Σφάλμα (%) 7,062158 7,666890252 Από το Διάγραμμα 3.0 προκύπτει πως όλα τα δείγματά είχαν περίπου την ίδια μεταχείριση και είναι ομοιογενή. Η ίδια μεταχείριση φαίνεται γιατί το φορτίο είναι περίπου το ίδιο (σφάλμα 7,7%). Άν τα δείγματα δεν είχαν την ίδια μεταχείριση τότε τα αντίστοιχα φορτία θα ήταν πολύ διαφορετικά, αφού κάποια θα είχαν δεχτεί παραπάνω εξωτερική ακτινοβολία από κάποια άλλα ή ακόμα θα είχαν θερμανθεί στο παρελθόν. Ουσιαστικά τα δείγματα πάρθηκαν από το ίδιο σύνολο παραγωγής και δεν είναι κάποιο δείγμα ξεχωριστό. Επιπλέον, παρατηρείται ότι όλες οι κορυφές των καμπυλών βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία και έχουν παρόμοια ύψη (σφάλμα 7%) και εμβαδά που δείχνουν ότι περιείχαν περίπου το ίδιο πλήθος ηλεκτρονίων στις συγκεκριμένες παγίδες. Η ομοιογένεια μετά από ακτινοβόληση θα αποδειχθεί παρακάτω. Ίδια αποτελέσματα υπήρξαν και για το CaSO 4 (T) όπως παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 3.1 και στον Πίνακα 3.1. 70000 60000 Ομοιογένεια CaSO4(T) 0 Grey Ir=0 sec (T1) Ir=0 sec (T2) Ir=0 sec (T3) Ir=0 sec (T4) 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Θερμοκρασία C Διάγραμμα 3.1: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 4 δειγμάτων CaSO 4 (T) μέσω ανόπτησης χωρίς ακτινοβόληση: Φαίνεται η όμοια προηγούμενη μεταχείριση των δειγμάτων και ομοιογένεια του υλικού. 28

T.L. Intensity (a.u.) Πίνακας 3.1: Βασικά στατιστικά χαρακτηριστικά των καμπυλών του Διαγράμματος 3.1 μαζί με τις αντίστοιχες μετρήσεις φορτίων. Στατιστικά Ύψος Κορυφής Ολοκλήρωση από EXCEL Φορτίο (nc) 1η 64158 3452874 215,8 2η 65386 3493834 218,4 3η 69594 3530796 220,7 4η 64944 3395896 212,2 Μέσος όρος 66020,5 216,775 Τυπική απόκλιση 2435,861 3,648173059 Σφάλμα (%) 3,689552 1,682930716 Έτσι, όπως φάνηκε και πριν για το CaSO 4 (Dy) το ίδιο συμβαίνει και για το CaSO 4 (Τ). Ομοιογένεια CaSO4(Dy) 0,28 Grey 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 Ir=10 sec (D1) Ir=10 sec (D2) Ir=10 sec (D4) Ir=10 sec (D5) 40000 20000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Θερμοκρασία C Διάγραμμα 3.2: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 4 δειγμάτων CaSO 4 (Dy) μέσω ανόπτησης με δόση 0,28 Grey. Φαίνεται η όμοια προηγούμενη μεταχείριση των δειγμάτων, η ομοιογένεια του υλικού και η παρόμια απόκρηση στην ακτινοβολία. 29

T.L. Intensity (a.u.) Πίνακας 3.2: Βασικά στατιστικά χαρακτηριστικά των καμπυλών του Διαγράμματος 3.2 μαζί με τις αντίστοιχες μετρήσεις φορτίων. Στατιστικά Ύψος κορυφής Ολοκλήρωση από Excel Φορτίο nc 1η 161526 12180316 761,3 2η 160989 11289892 705,6 3η 163778 12640220 790 4η 170692 12653654 790,9 Μέσος όρος 164246,25 761,95 Τυπική απόκλιση 4463,794677 40,002708 Σφάλμα (%) 2,717745262 5,2500437 Αφού η δόση σε κάθε δείγμα είναι η ίδια και η καμπύλη θερμοφωταύγειας είναι περίπου ίδια τότε το συμπέρασμα που βγαίνει είναι ότι υπάρχει ομοιογένεια στα δείγματά και στην συμπεριφορά τους στην ακτινοβολία. Πιο σημαντικό χαρακτηριστικό για την απόδειξη του ίδιου συμπεράσματος είναι ότι τα ολοκληρώματα των καμπύλων είναι παρόμοια και αυτό φαίνεται από το μικρό σφάλμα (5,25%). Αυτό δείχνει ξανά ότι η ίδια δόση ακτινοβολίας προκάλεσε την παγίδευση περίπου του ίδιου πλήθους ηλεκτρονίων. Το ίδιο συμπέρασμα βγαίνει και για το CaSO 4 (Τ) από το Διάγραμμα 3.3 και όπου τα αντίστοιχα φορτία έχουν σφάλμα 11,2 % (Πίνακας 3.3). 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 Ομοιογένεια CaSO4(T) 0,28 Grey 0 100 200 300 400 Θερμοκρασία C Ir=10 sec (T1) Ir=10 sec (T2) Ir=10 sec (T3) Ir=10 sec (T4) Διάγραμμα 3.3: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 4 δειγμάτων CaSO 4 (Τ) μέσω ανόπτησης με δόση 0,28 Grey. Φαίνεται η όμοια προηγούμενη μεταχείριση των δειγμάτων, η ομοιογένεια του υλικού και η παρόμοια απόκριση στην ακτινοβολία. 30

T.L. Intensity (a.u.) Πίνακας 3.3: Βασικά στατιστικά χαρακτηριστικά των καμπυλών του Διαγράμματος 3.3 μαζί με τις αντίστοιχες μετρήσεις φορτίων. Στατιστικά Ύψος κορυφής Ολοκλήρωση από Excel Φορτίο nc 1η 150390 13553286 847,1 2η 172828 13776414 861 3η 164196 14000354 875 4η 148176 10874242 679,6 Μέσος όρος 158897,5 815,675 Τυπική απόκλιση 11682,76581 91,42893 Σφάλμα (%) 7,352391203 11,20899 3.2 Αξιολόγηση του ιστορικού και της ομοιογένειας του CaF 2 (Dy). Για την αξιολόγηση του ιστορικού δηλαδή της προηγούμενης μεταχείρισης των δειγμάτων, χρησιμοποιούνται τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του Πειράματος 4. Στο Διαγράμμα 3.4 παρατίθονται καμπύλες θερμοφωταύγειας του CaF 2 (Dy) με δόση 0,56 Grey. 300000 250000 200000 150000 100000 50000 Ανόπτηση CaF2(Dy), 0,56 Grey Ir=20 sec (δείγμα F1) Ολοκλήρωμα 1,044 μc Ir=20 sec (F2) 985,6 nc Ir=20 sec (F3) 1,2 μc Ir=20 sec (F4) 1,165 μc Ir=20 sec (F5) 1,060 μc Ir=20 sec (F6) 1,095 μc Ir=20 sec (F7) 1,059 μc Ir=20 sec (F8) 1,054 μc Ir=20 sec (F9) 987,7 nc Ir=20 sec (F10) 1,027 μc Ir=20 sec (F11) 1,016 μc Ir=20 sec (F12) 1,095 μc Ir=20 sec (F13) 1,023 μc Ir=20 sec (F14) 1,014 μc Ir=20 sec (F15) 1,06 μc Ir=20 sec (F16) 1,135 μc Ir=20 sec (F17) 1,009 μc 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Θερμοκρασία C Ir=20 sec (F18) 1,012 μc Ir=20 sec (F19) 984,6 nc Ir=20 sec (F20) 1,036 μc Ir=20 sec (F21) 998,6 nc Διάγραμμα 3.4: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 21 δειγμάτων CaF 2 (Dy) μέσω ανόπτησης με δόση 0,56 Grey. Φαίνεται η όμοια προηγούμενη μεταχείριση των δειγμάτων, η ομοιογένεια του υλικού και η παρόμοια απόκριση στην ακτινοβολία. Στον πίνακα δεξιά φαίνονται και τα φορτία που αντιστοιχούν σε κάθε καμπύλη, καθώς και η αρίθμηση των δειγμάτων. 31

Από το Διάγραμμα 3.4 και τον Πίνακα 3.4 προκύπτει πως όλα τα δείγματά είχαν την ίδια μεταχείριση και είναι ομοιογενή. Η ίδια μεταχείριση φαίνεται γιατί το φορτίο είναι περίπου το ίδιο (σφάλμα 5,6%). Αν τα δείγματα δεν είχαν την ίδια μεταχείριση τότε τα αντίστοιχα φορτία θα ήταν διαφορετικά, αφού κάποια θα είχαν δεχτεί παραπάνω εξωτερική ακτινοβολία από κάποια άλλα ή ακόμα θα είχαν θερμανθεί. Ουσιαστικά πάρθηκαν από το ίδιο σύνολο παραγωγής και δεν είναι κάποιο δείγμα ξεχωριστό. Επιπλέον, παρατηρούμε ότι όλες οι μέγιστες κορυφές των καμπυλών βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία και έχουν παρόμοια ύψη (σφάλμα 6,6%). Η μικρή διασπορά των φορτίων δείχνει ότι η ίδια δόση ακτινοβολίας προκάλεσε την παγίδευση περίπου του ίδιου πλήθους ηλεκτρονίων στην συγκεκριμένη ενεργειακή περιοχή. Πίνακας 3.4: Βασικά στατιστικά χαρακτηριστικά των καμπυλών του Διαγράμματος 3.4 μαζί με τις αντίστοιχες μετρήσεις φορτίων. Δείγμα Ύψος κορυφής Φορτίο (μc) 1 204470 1,044 2 190740 0,9856 3 249586 1,2 4 242178 1,165 5 207652 1,06 6 218621 1,095 7 211160 1,059 8 219240 1,054 9 214150 0,9877 10 218724 1,027 11 209368 1,016 12 229178 1,095 13 209520 1,023 14 216402 1,014 15 225030 1,06 16 232968 1,135 17 217188 1,009 18 217934 1,012 19 191982 0,9846 20 203734 1,036 21 213598 0,9986 Μέσος όρος 216353,4762 1,0505 Τυπική 14266,22895 0,058867 Σφάλμα (%) 6,593944871 5,6037144 32

Από τα Διαγράμματα 3.0-3.4 και από τους Πίνακες 3.0 3.4 προκύπτει το συμπέρασμα ότι υπάρχει επαρκής ομοιογένεια στα δείγματα και πριν ακτινοβοληθούν αλλά και η απόκρισή τους μετά από δόσεις 0,28 και 0,56 Gy. Έτσι τα δείγματα θεωρήθηκαν κατάλληλα για χρήση στον εντοπισμό πιθανού φαινομένου σήραγγας. 3.3 Αξιολόγηση μεταβολής της συμπεριφοράς υλικού μετά από διαφορετική διαδικασία θέρμανσης 3.3.1 Σύγχρονη προθέρμανση και ακτινοβόληση (ΣΠΑ) για το CaF 2 (Dy). Ο σκοπός που γίνεται αυτή η διαδικασία είναι να παρατηρηθεί άμα επηρεάζεται η απόκριση των δειγμάτων CaF 2 (Dy). Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του Πειράματος 3. Αφού αδειάσουν τα ηλεκτρόνια από τις παγίδες ηλεκτρονίων της συγκεκριμένης ενεργειακής ζώνης και για τα 21 δείγματα CaF 2 (Dy), κάθε δείγμα ξεχωριστά ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey και ακολουθεί η διαδικασία της ΣΠΑ (σύγχρονη προθέρμανση και ακτινοβόληση) με διαδοχικά αυξανόμενη την μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης από 40 ο C έως 250 ο C στην ΣΠΑ όπως φαίνεται στο Διάγραμμα 3.5. Διάγραμμα 3.5: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 21 δειγμάτων CaF 2 (Dy) με δόση 0,56 Grey: Δίπλα στον χρόνο ακτινοβόλησης φαίνεται η θερμοκρασία προθέρμανσης. Το κάθε δείγμα προθερμαίνεται και ακτινοβολείται συγχρόνως και μετά καταγράφεται η καμπύλη θερμοφωταύγειας. 33

Θερμοκρασία πρώτης κορυφής Παρατηρείται ότι κάθε φορά που γίνεται προθέρμανση σε αυξανόμενη μέγιστη θερμοκρασία, το μέγιστο της κορυφής μετατοπίζεται. Δηλαδή, η θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται η κορυφή μετατοπίζεται σε λίγο υψηλότερη θερμοκρασία. Έτσι μετρώντας από τα διαγράμματα τα ύψη των δύο πρώτων κορυφών και της θερμοκρασίας όπου εμφανίζονται, στο Διάγραμμα 3.5 κατασκευάζονται τα Διάγραμμα 3.6 & 3.7. Εκεί φαίνεται πώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία των κορυφών σε σχέση με την αντίστοιχη μέγιστη θερμοκρασία προθέρμανσης. Επειδή το CaF 2 (Dy) είναι υλικό το οποίο εμφανίζει δύο κορυφές, κατασκευάστηκαν δυο διαγράμματα, ένα για την πρώτη κορυφή και ένα για την δεύτερη. Η πρώτη κορυφή (προθέρμανση στους 40 ο C ) ξεκινάει να μετατοπίζεται γύρω στα 142 ο C και η μεταβολή της παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 3.6. Μετατόπιση πρώτης Κορυφή 170 160 150 140 130 120 110 100 0 20 40 60 80 100 120 140 Θερμοκρασία Προθέρμανσης C Διάγραμμα 3.6: Μετατόπιση σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες της πρώτης κορυφής της καμπύλης θερμοφωταύγειας του CaF 2 (Dy) με την αύξηση της θερμοκρασίας προθέρμανσης. Μετά από κάποιες προθερμάνσεις η κορυφή εξαφανίστηκε αφού η ΣΠΑ ξεπέρασε την θερμοκρασία της. 34

Διάγραμμα 3.7: Μετατόπιση της δεύτερης κορυφής της καμπύλης θερμοφωταύγειας του CaF 2 (Dy). Παρατηρείται ξανά ότι η κορυφή μετατοπίζεται σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες και τελικά εξαφανίστηκε αφού η ΣΠΑ ξεπέρασε την θερμοκρασία της. 3.3.2 Διαδοχική ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση (ΑΜΠ) για το CaF 2 (Dy). Όπως και πριν ο σκοπός που γίνεται αυτή η διαδικασία είναι να παρατηρηθεί Αν επηρεάζεται η ευαισθησία των δειγμάτων μετά από την συγκεκριμένη αλληλουχία θερμάνσεων. Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του Πειράματος 5. Αφού οι παγίδες ηλεκτρονίων αδειάσουν, το πρώτο δείγμα (F1) ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey και μετά ακολουθεί ΑΜΠ (ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση). Αυτό που αλλάζει κάθε φορά στην διαδικασία είναι η μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης στην ΑΜΠ. Ξεκινά από την θερμοκρασία 40 ο C και καταλήγει στους 250 ο C. Έτσι προκύπτει το Διάγραμμα 3.8: 35

Θερμοκρασία Πρώτης Κορυφής C Διάγραμμα 3.8: Καμπύλες θερμοφωταύγειας 21 δειγμάτων CaF 2 (Dy) με δόση 0,56 Grey: Δίπλα στον χρόνο ακτινοβόλησης φαίνεται η θερμοκρασία της προθέρμανσης (ΑΜΠ). Το κάθε δείγμα ακτινοβολείται και προθερμαίνεται διαδοχικά και μετά καταγράφεται η καμπύλη θερμοφωταύγειας. Όπως και πριν, στα Διαγράμματα 3.9 & 3.10 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας των κορυφών σύμφωνα με τα αποτελέσματα του διαγράμματος 3.8. μετατόπιση πρώτης κορυφής 170 165 160 155 150 145 140 0 20 40 60 80 100 120 140 Θερμοκρασία Προθέρμανσης C Διάγραμμα 3.9: Μετατόπιση σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες της πρώτης κορυφής της καμπύλης θερμοφωταύγειας του CaF 2 (Dy) με την αύξηση της θερμοκρασίας προθέρμανσης. Μετά από διαδοχικές προθερμάνσεις η κορυφή εξαφανίστηκε αφού η ΑΜΠ ξεπέρασε την θερμοκρασία της. 36

Θερμοκρασία δεύτερης κορυφής C Μετατόπιση της δεύτερης κορυφής 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 0 50 100 150 200 250 300 Θερμοκρασία προθέρμανσης C Διάγραμμα 3.10: Μετατόπιση της δεύτερης κορυφής της καμπύλης θερμοφωταύγειας του CaF 2 (Dy). Παρατηρείται ξανά ότι η κορυφή μετατοπίζεται διαδοχικά σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες και τελικά εξαφανίζεται αφού η ΑΜΠ ξεπέρασε την θερμοκρασία της. 3.3.3 Σύγχρονη προθέρμανση και ακτινοβόληση (ΣΠΑ) του δείγματος D1 του CaSO 4 (Dy) Ο σκοπός που γίνεται αυτή η διαδικασία είναι να παρατηρηθεί Αν επηρεάζεται η απόκριση ενός δείγματος CaSO 4 (Dy) από την διαδικασία επαναλαμβανόμενης θέρμανσής του. Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του Πειράματος 6. Αφού αδειάσουν τα ηλεκτρόνια από τις παγίδες ηλεκτρονίων της συγκεκριμένης ενεργειακής ζώνης του δείγματος D1 του CaSO 4 (Dy), αυτό ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey ενώ συγχρόνως προθερμαίνεται (ΣΠΑ). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται με διαδοχικά αυξανόμενη την μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 3.11. Εκεί φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες θερμοφωταυγειας με προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι παρόμοιες και συνεπώς δεν επηρεάζεται η απόκριση του δείγματος από τις διαδοχικές θερμάνσεις του. 37

T. L. Intensity (a.u.) Σύχρονη προθέρμανση και ακτινοβόληση (D1), CaSO4(Dy) 160000 140000 120000 100000 Δόση 0 Πριν 80000 Μετά 60000 40000 20000 0 0 100 200 300 400 Θερμοκρασία C Ir=0 Σβήσιμο Ir=20 sec Θερμοκρασία δωματίου Ir=20 sec T=20 C Ir=20 sec T=40 C Ir=20 sec T=50 C Ir=20 sec T=60 C Ir=20 sec T=70 C Ir=20 sec T=80 C Ir=20 sec T=90 C Ir=20 sec T=100 C Ir=20 sec T=110 C Ir=20 sec T=120 C Ir=20 sec T=130 C Ir=20 sec T=140 C Ir=20 sec T=150 C Ir=20 sec T=160 C Ir=20 sec T=170 C Ir=20 sec T=180 C Ir=20 sec T=190 C Ir=20 sec T=200 C Ir=20 sec T=210 C Ir=20 sec T=220 C Ir=20 sec T=230 C Ir=20 sec T=240 C Ir=20 sec T θερμοκρασία δωματίου Διάγραμμα 3.11: Καμπύλες θερμοφωταύγειας με ΣΠΑ του δείγματος D1 του CaSO 4 (Dy). Η δόση του κάθε δείγματος είναι 0,56 Grey κάθε φορά. Φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες που αφορούν προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου ίδιες. Η μία καμπύλη είναι η μέτρηση πριν ξεκινήσει όλη η διαδικασία αυτή και η άλλη είναι μετά την διαδικασία. Παρατηρείται ότι μετά από την διαδικασία της επαναλαμβανόμενης ταυτόχρονης θέρμανσης και ακτινοβόλησης η καμπύλη θερμοφωταύγειας ουσιαστικά δεν άλλαξε και συνεπώς δεν επηρεάζει την συμπεριφορά του δείγματος D1. Επιπλέον, ένα ακόμα χαρακτηριστικό το οποίο οδηγεί στο ίδιο συμπέρασμα είναι ότι συγκρίνοντας τα φορτία αυτών των καμπύλων : α) για την πρώτη (θερμοκρασία δωματίου το φορτίο) = 609,1 nc και β) για την δεύτερη (θερμοκρασία δωματίου το φορτίο) = 619,8 nc. Φαίνεται ότι είναι παρόμοια και συνεπώς και ο αντίστοιχος αριθμός των ηλεκτρονίων που είχαν παγιδευτεί με την δόση των 0,56 Grey. Επίσης παρατηρείται ξανά ότι οι κορυφές του δείγματος D1 του CaSO 4 (Dy) μετατοπίζονται σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες καθώς αυξάνεται η μέγιστη θερμοκρασία προθέρμανσης, όπως στο CaF 2 (Dy). Το CaSO 4 (Dy) έχει δύο κορυφές αλλά η πρώτη εμφανίζεται σε χαμηλές θερμοκρασίες και δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψη. Στο Διάγραμμα 38

3.12 παρουσιάζεται η μετατόπιση της κύριας κορυφής που αρχικά βρίσκεται γύρω στους 235 ο C. Διάγραμμα 3.12: Παρουσιάζεται η μετατόπιση της κορυφής της καμπύλης θερμοφταύγειας του δείγματος D1 του CaSO 4 (Dy) σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η κορυφή τελικά εξαφανίζεται όταν η ΣΠΑ ξεπεράσει την θερμοκρασία την θερμοκρασία που εμφανίζεται το μέγιστο της καμπύλης. 3.3.4 Ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση (ΑΜΠ) του δείγματος D2 του CaSO 4 (Dy) Ο σκοπός που γίνεται αυτή η διαδικασία είναι να παρατηρηθεί Αν επηρεάζεται η απόκριση ενός δείγματος CaSO 4 (Dy) από την διαδικασία επαναλαμβανόμενης θέρμανσής του. Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του δεύτερου βήματος του Πειράματος 6. Αφού αδειάσουν τα ηλεκτρόνια από τις παγίδες ηλεκτρονίων της συγκεκριμένης ενεργειακής ζώνης του δείγματος D2 του CaSO 4 (Dy), αυτό ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey και μετά προθερμαίνεται (ΑΜΠ). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται με διαδοχικά αυξανόμενη την μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 3.13. Εκεί φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες θερμοφωταύγειας με προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι παρόμοιες και συνεπώς το δείγμα D2 δεν επηρεάζεται από την ΑΜΠ. Το ίδιο φαίνεται και από τα αντίστοιχα φορτία που καταγράφηκαν κατά την αρχική και την τελική μέτρηση σε θερμοκρασία δωματίου : α) στην πρώτη μέτρηση το φορτίο = 593,8 nc και β) στην δεύτερη μέτρηση μετά από ολόκληρη την διαδικασία το φορτίο = 581,6 nc. 39

Θερμοκρασία Κορυφής C Διάγραμμα 3.13: Καμπύλες θερμοφωταύγειας με ΑΜΠ του δείγματος D2 του CaSO 4 (Dy). Η δόση του δείγματος είναι 0,56 Grey κάθε φορά. Φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες που αφορούν προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου ίδιες. Η μία καμπύλη είναι η μέτρηση πριν ξεκινήσει όλη η διαδικασία αυτή και η άλλη είναι μετά την διαδικασία. Όπως και πριν, στο Διάγραμμα 3.14 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας της κορυφής χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του διαγράμματος 3.13. μετατόπιση κορυφής 265 260 255 250 245 240 235 230 0 50 100 150 200 250 Θερμοκρασία προθέρμανσης C Διάγραμμα 3.14: Παρουσιάζεται η μετατόπιση της θερμοκρασίας που εμφανίζεται η κορυφή της καμπύλης του δείγματος D2 του CaSO 4 (Dy). Η κορυφή τελικά εξαφανίζεται όταν η ΑΜΠ ξεπεράσει την θερμοκρασία που εμφανίζεται το μέγιστο αυτής της καμπύλης. 40

3.3.5 Σύγχρονη θέρμανση και ακτινοβόληση δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). Ο σκοπός που γίνεται αυτή η διαδικασία είναι να παρατηρηθεί Αν επηρεάζεται η απόκριση ενός δείγματος CaSO 4 (Τ) από την διαδικασία επαναλαμβανόμενης θέρμανσής του. Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του Πειράματος 9. Αφού αδειάσουν τα ηλεκτρόνια από τις παγίδες ηλεκτρονίων της συγκεκριμένης ενεργειακής ζώνης του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ), αυτό ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey ενώ συγχρόνως προθερμαίνεται (ΣΠΑ). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται με διαδοχικά αυξανόμενη την μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 3.15. Εκεί φαίνεται ξανά ότι οι δύο καμπύλες θερμοφωταύγειας με προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι παρόμοιες και συνεπώς δεν επηρεάζεται η απόκριση του δείγματος από τις διαδοχικές θερμάνσεις του. Διάγραμμα 3.15: Καμπύλες θερμοφωταύγειας με ΣΠΑ του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). Η δόση του δείγματος είναι 0,56 Grey κάθε φορά. Φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες που αφορούν προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου ίδιες. Η μία καμπύλη είναι η μέτρηση πριν ξεκινήσει όλη η διαδικασία αυτή και η άλλη είναι μετά την διαδικασία. Αυτό που παρατηρείται είναι ότι πριν και μετά την διαδικασία δεν άλλαξαν σημαντικά οι καμπύλες θερμοφωταύγειας του δείγματος Τ2 για θερμοκρασία δωματίου. Συνεπώς το δείγμα Τ2 δεν επηρεάστηκε από τις διαδοχικές ΣΠΑ. Το ίδιο φαίνεται και από τα 41

Θερμοκρασία Κορυφής C αντίστοιχα φορτία που καταγράφηκαν κατά την πρώτη και την τελευταία μέτρηση σε θερμοκρασία δωματίου : α) στην πρώτη μέτρηση το φορτίο = 613,6 nc και β) στην δεύτερη μέτρηση μετά από ολόκληρη την διαδικασία το φορτίο = 635,5 nc. Όπως και με το CaSO 4 (Dy), το CaSO 4 (Τ) εμφανίζει μια κορυφή στις χαμηλές θερμοκρασίες αλλά δεν χρειάζεται να εξεταστεί η μεταβολή της γιατί εξαφανίζεται πολύ γρήγορα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η κύρια κορυφή εμφανίζεται γύρω στους 240 ο C και στο Διάγραμμα 3.16 παρουσιάζεται η μεταβολή της θερμοκρασίας της αυτής κορυφής. Μετατόπιση κορυφής 270 265 260 255 250 245 240 235 230 0 50 100 150 200 250 Θερμοκρασία προθέρμανσης C Διάγραμμα 3.16: Παρουσιάζεται η μετατόπιση σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες της κορυφής της καμπύλης θερμοφωταύγειας του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). Η κορυφή τελικά εξαφανίζεται όταν η ΣΠΑ ξεπεράσει την θερμοκρασία στην οποία εμφανίζεται αυτή η κορυφή. 3.3.6 Ακτινοβόληση και μετά προθέρμανση (ΑΜΠ) του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). Ο σκοπός που γίνεται αυτή η διαδικασία είναι να παρατηρηθεί αν επηρεάζεται η απόκριση του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Dy) από την διαδικασία επαναλαμβανόμενης θέρμανσής του. Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που παράγονται με την εκτέλεση του δεύτερου βήματος του Πειράματος 10. Αφού αδειάσουν τα ηλεκτρόνια από τις παγίδες ηλεκτρονίων της συγκεκριμένης ενεργειακής ζώνης του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ), αυτό 42

ακτινοβολείται με δόση 0,56 Grey και μετά προθερμαίνεται (ΑΜΠ). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται με διαδοχικά αυξανόμενη την μέγιστη θερμοκρασία της προθέρμανσης και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 3.17. Εκεί φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες θερμοφωταύγειας με προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι παρόμοιες και συνεπώς το δείγμα Τ2 δεν επηρεάζεται από την ΑΜΠ. Το ίδιο φαίνεται και από τα αντίστοιχα φορτία που καταγράφηκαν κατά την πρώτη και την τελευταία μέτρηση σε θερμοκρασία δωματίου : α) στην πρώτη μέτρηση το φορτίο = 613 nc και β) στην δεύτερη μέτρηση μετά από ολόκληρη την διαδικασία το φορτίο = 630,9nC. Διάγραμμα 3.17: Καμπύλες θερμοφωταύγειας με ΑΜΠ του δείγματος Τ2 του CaSO 4 (Τ). Η δόση του δείγματος είναι 0,56 Grey κάθε φορά. Φαίνεται ότι οι δύο καμπύλες που αφορούν προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου ίδιες. Η μία καμπύλη είναι η μέτρηση πριν ξεκινήσει όλη η διαδικασία αυτή και η άλλη είναι μετά την διαδικασία. Όπως και πριν, στο Διάγραμμα 3.18 παρουσιάζεται η σταδιακή μεταβολή της θερμοκρασίας της κορυφής καθώς αυξάνει η θερμοκρασία προθέρμανσης. 43