Fenomeni di luminescenza e tecniche

Il fenomeno della luminescenza si osserva in seguito a stimolazione luminosa o termica di materiali precedentemente esposti a radiazioni ionizzanti. Si tratta per lo più di solidi isolanti in grado di mantenere traccia del passaggio della radiazione ionizzante attraverso fenomeni di intrappolamento di cariche in difetti del reticolo cristallino (Figura 1).

Figura 1: Il fenomeno della luminescenza stimolata in un cristallo di quarzo: nella struttura del cristallo sono presenti difetti (vacanze di ossigeno, impurezze di alluminio) dove rimangono intrappolate le cariche liberate dalla radiazione ionizzante. La stimolazione ottica o termica fornisce l'energia necessaria per liberare le cariche e ripristinare le condizioni iniziali. Il processo di ricombinazione delle cariche intrappolate avviene con emissione di luce.

Le trasformazioni radio-indotte nella struttura del materiale sono stabili e possono permanere a lungo nel tempo e sono, in genere, reversibili. Il solido può tornare nel suo stato iniziale a patto di ricevere l'energia necessaria per liberare le cariche intrappolate. L'energia di attivazione delle trappole può essere fornita sotto forma di radiazione ottica o di calore; i processi di ricombinazione delle cariche attraverso i quali il solido (gli atomi e/o le molecole) ritorna nel suo stato fondamentale sono accompagnati da emissione di luce (luminescenza stimolata). Nel caso in cui l’energia di attivazione venga fornita dalla radiazione ottica si parla di luminescenza otticamente stimolata (Optically Stimulated Luminescence - OSL) o fotostimolata (Photo-Stimulated Luminescence - PSL), quando il solido viene riscaldato si parla invece di termoluminescenza (Thermically-Stimulated Luminescence - TL).

Con questa tecnica si misura l'intensità della luce emessa durante il riscaldamento del campione. Durante la misura il campione viene riscaldato in modo controllato fino alla temperatura desiderata, generalmente inferiore a 500°C, diversa a seconda del tipo di materiale e degli scopi della misura. L'intensità della luce emessa viene riportata in funzione della temperatura che, normalmente, durante la misura cresce linearmente con il tempo. Nella figura 1 seguente è mostrata la curva di termoluminescenza o glow curve, di alcuni materiali; la forma della curva, il numero e la posizione dei picchi dipendono dal tipo di difetti presenti nella struttura del materiale e dalla loro energia di attivazione.

Figura 1: Esempi di glow curve di materiali diversi: a) sale marino da cucina, b) dosimetro a fluoruro di litio (TLD100).

L'integrale della curva dipende dall’energia rilasciata dalle radiazioni ionizzanti nel materiale, e consente di risalire alla dose assorbita (energia rilasciata per unità di massa). La tecnica può essere utilizzata nella dosimetria delle radiazioni ionizzanti, per le analisi sugli alimenti irradiati (metodo CEN EN 1788) e per studi di difetti indotti nei solidi dalle radiazioni ionizzanti.

Con questa tecnica si misura l'intensità della luce emessa dal campione sotto stimolazione con radiazione infrarossa. L'apparato di misura che si utilizza è, per esempio, il lettore per fotoluminescenza realizzato dalla SUERC (Scozia) progettato per analisi su alimenti irradiati. L'apparato è stato progettato per l’identificazione di alimenti irradiati (metodo CEN EN 13751) ma può essere applicato anche ad altri materiali per scopi diversi (dosimetria delle radiazioni ionizzanti). Per le analisi sugli alimenti normalmente la misura prevede 60 impulsi della durata di un secondo. Il dato che si utilizza per la classificazione del campione è il numero totale di conteggi registrato in 60 secondi, che viene confrontato con due valori di soglia, T₁ (soglia inferiore) e T₂ (soglia superiore), il che permette di classificare il campione come negativo (non irradiato), positivo o intermedio (probabilmente o possibilmente irradiato, con esito da confermare con altra procedura di analisi). L'analisi non distrugge completamente il segnale PSL che può essere quindi misurato ancora una volta; bisogna, comunque, tener presente che l'intensità del segnale decresce se lo stesso campione viene misurato più volte.

Con questa tecnica si misura l'intensità della luce emessa dal campione sotto stimolazione con radiazione visibile (blu o verde). Durante la misura viene registrata la curva di emissione di luminescenza in funzione del tempo. L'integrale della curva di decadimento risulta proporzionale all'energia rilasciata dalle radiazioni ionizzanti nel materiale, e consente di risalire alla dose assorbita (energia rilasciata per unità di massa). La tecnica può essere utilizzata nella dosimetria delle radiazioni ionizzanti, per le analisi sugli alimenti irradiati e per studi di difetti indotti nei solidi dalle radiazioni ionizzanti.

Figura 2: Esempio di curva di decadimento OSL.