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Articolo pubblicato il 17-09-2005
di Claudio Furetta
Universidad Nacional Autonoma de Mexico - UNAM
Mexico D.F.
Numero 20 - Anno 2
17 Settembre 2005
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 Luminescenza Stimolata Otticamente (OSL)
Introduzione
A partire dagli anni '50, si e' sviluppata una nuova tecnica dosimetrica a stato solido, chiamata Luminescenza Stimolata Otticamente, meglio nota nella dizione inglese Optically Stimulated Luminescence (OSL). Tale tecnica fu usata inizialmente da Huntley e coll. (1), nel 1985, nel settore della datazione di reperti archeologici e di materiali geologici. Al contrario, il suo uso nel campo della dosimetria personale, per quanto suggerito gia' nel 1955 (2), non ha ancora trovato una larga applicazione a causa, principalmente, (i) della mancanza di materiali aventi un buona efficienza del segnale luminescente stimolato otticamente, (ii) aventi un numero atomico, Z, simile a quello del tessuto umano, Z=7.3, e che abbiano, infine, (iii) una buona stabilita' del segnale stesso alla temperatura ambiente, vale a dire una bassa perdita temporale del segnale, fenomeno noto con il termine inglese fading. Queste tre caratteristiche sono fondamentali per la realizzazione di un buon dosimetro da usare per dosimetria personale. Vari materiali sono stati studiati per la specifica applicazione in dosimetria personale, ma nessuno di essi presentava tutte e tre le caratteristiche sopra indicata.
Tornando alla principale applicazione della tecnica OSL, quella della datazione, i materiali usati sono il quarzo e i feldspati, minerali che sono contenuti sia nei reperti archeologici che nei materialii geologici e dai quali vengono estratti per la misura OSL. Campioni dei detti minerali vengono esposti ad una sorgente di luce di appropriata intensita' e lunghezza d'onda e la luminescenza cosi' stimolata e' misurata in funzione del tempo di stimulazione. La quantita' totale della luminescenza emessa risulta essere proporzinale alla dose di radiazione ionizzante ricevuta nel tempo dai diversi reperti. Con una opportuna calibrazione eseguita in laboratorio si puo' risalire infine all'eta' del campione: una procedura simile a quella utilizzata nella datazione a termoluminescenza e di cui si e' parlato in questa Rivista ( vedi scienza on line N.2).
In generale, la tecnica OSL presenta alcuni vantaggi rispetto a quella della termoluminescenza. La prima riguarda il metodo di lettura che e' generalmente unicamente ottico, al contrario di quello della termoluminescenza che richiede il riscaldamento del campione e che puo provocare vari problemi relativi alla efficienza dell'emissione termoluminescente. Inoltre, la mancanza di un ciclo termico durante la fase di lettura del segnale permette la realizzazione di dosimetri in cui il materiale luminescente e' unito ad una matrice plastica, ad esempio politetrafluoroetilene (PTFE), ottenedo cosi' dosimetri molto robusti e la possibilita' di realizzare dosimetri per fasci neutronici (interazione dei neutroni con atomi di idrogeno contenuti nella matrice plastica). Altro vantaggio risiede nella possibilta' di "letture" multiple di uno stesso dosimetro, tecnica che permette la verifica della dose misurata e che non e' di facile applicazione nella dosimetria a termoluminescenza.
Sorgenti e metodi di stimolazione
Vediamo ora quali sono le sorgenti luminose usate e i modi con i quali si ottine la luminescenza stimolata otticamente.
L'usuale descrizione della OSL, come pure quella della termoluminescenza, si basa sull'assorbimento dell'energia di una radiazione ionizzante da parte di un materiale isolante o semiconduttore. Tale assorbimento provoca la liberazione, all'interno del materiale, di cariche negative e positive, ovvero di elettroni e di lacune che, successivamente, vengono intrappolati in difetti reticolari del materiale stesso (chiamati stati metastabili). Affinche' si abbia un segnale luminescente e' necessario che le cariche intrappolate siano liberate e si possano ricombinare, dando luogo ad una emissione di luce visibile.
Nella tecnica OSL le cariche intrappolate sono liberate tramite una cessione di energia ottenuta otticamente: in pratica, il materiale precedentemente irradiato viene esposto ad un certo tipo di luce e questa fornisce l'energia necessaria per liberare le cariche dalle trappole e permettere la loro ricombinazione, con conseguente emissione di luce, detta emissione luminescente. In genere, l'eccitazione ottica e' effettuata in modo continuo (Continuous Wave = CW) (1) ed e' ottenuta con lampade ad arco di elevata potenza o con un fascio di luce laser. La luminescenza che si ottiene a seguito dell'eccitazione ottica viene monitorata in modo continuo durante l'eccitazione ed il segnale OSL segue una legge di decadimento, ovvero decresce come il tempo di eccitazione aumenta, indicando che le trappole vengono mano a mano svuotate. Il decadimento del segnale OSL non sempre segue la legge tipica di un decadimento esponenziale. In ogni caso, l'area sottesa dalla curva risulta essere proporzionale alla dose di radiazione ionizzante precedentemente assorbita dal materiale.
Le sorgenti luminose di stimolazione sono sostanzialmente:
- luce infrarossa (infrared stimulated luminescence, IRSL) centrata sugli 850 nm, e
- luce avente uno spettro verde esteso sino al blu (green light stimulated luminescence, GLSL). Ad esempio, si usa un laser ad argon che fornisce una singola linea verde di 514.5 nm.
Le sorgenti IRSL sono primcipalmente usate con i feldspati, mentre le sorgenti tipo GLSL con il quarzo, le ceramiche, materiali sintetici come Al2O3:C ed anche con i feldspati.
Entrambe le sorgenti vengono usate in modo CW
I metodi di stimulazione sono invece:
- Quello tradizionale, gia' accennato, cioe' la CW (Continuous Wave): l'illuminazione del campione avviene con una sorgente di luce di intensita' costante ed il segnale luminescente viene monitorato allo stesso tempo.
- La pulsed optically stimulated luminescence, POSL. La stimulazione avviene con luce pulsata ad una particolare modulazione di frequenza e con un'opportuna ampiezza di impulso; il segnale OSL e' misurato tra un impulso e l'altro.
- L'ultima tecnica, introdotta da Bulur (3), comporta l'illuminazione del campione con luce la cui intensita' cresce linearmente con il tempo: modulazione lineare del segnale OSL (linear modulation del segnale OSL, LM-OSL). Il segnale OSL aumenta all'inizio linearmente con l'aumentare dell'intensita' della luce eccitante, sino a che le trappole non sono svuotate, dopo di che il segnale diminuisce, non in modo lineare. Il segnale OSL ha la forma di un picco, la cui posizione nel tempo dipende dal rateo dell'intensita' luminosa che e' espresso dalla seguente relazione
dove  e' il valore iniziale dell'intensita della luce di stimolazione,  il rateo dell'intensita luminosa e t il tempo di durata dell'eccitazione. Cambiando il rateo dell'intensita' luminosa come la lunghezza d'onda della luce usata, e' possibile distinguere le diverse trappole responsabili dell'emisione luminescente.
Modelli
Senza entrare in una lunga descrizione matematica dei modelli proposti per spiegare il fenomeno della luminescenza stimolata otticamente, qui si vuole dare solo un breve cenno dei modelli proposti.
Come si e' gia' detto, il decadimento del segnale OSL non e' sempre descrivibile tramite una legge puramente esponenziale. Per tale motivo, alcuni autori hanno descritto il decadimento come somma di piu' esponenziali, altri hanno invece proposto delle leggi empiriche piu' generali. In particolare Bailiff and Poolton (4) hanno proposto la seguente equazione di decadimento
con A e B opportune costanti. Hutt (5) ha invece proposto una legge del tipo
Infine, vari modelli matematici sono stati proposti per descrivere la cinetica del fenomeno fisico della luminescenza stimulata otticamente.
Per descrivere matematicamente la curva di decadimento che si ottine con la tecnica CW, sono stati proposti vari modelli:
- Il modello piu' semplice considera un solo livello di trappole ed un solo centro di ricombinazione
- Un modello che, in aggiunta allo schema precedente, prevede anche l'esistenza di un livello di trappole profonde nella gap proibita, agente come competitore del livello normale
- Un modello analogo al precedente ma dove il livello competitore e' piu' superficiale
- Infine un modello avente un centro di ricombinazione non radiativo, in competizione con il centro di ricombinazione attivo.
La tecnica LM-OSL ha condotto ad una modellistica simile a quella usata nella
termoluminescenza.
Il modello matematico per la POLS si basa invece sulle stesse premesse usate per la tecnica CW.
Campi di applicazione della OSL
I campi di applicazione della dosimetria delle radiazioni ionizzanti tramite OSL sono fondamentalmente quattro:
- Dosimetria personale
- Dosimetria ambientale
- Dosimetria clinica
- Dosimetria retrospettiva
Il primo settore di applicazione riguarda il monitoraggio della dose assorbita da coloro che lavorano in ambienti ove siano usati apparecchi radiogeni e sostanze radioattive, come ospedali, o in laboratori di ricerca scientifica operanti con radiazioni ionizzanti. Il secondo settore riguarda la dosimetria che viene eseguita negli ambienti ove si usano radiazioni ionizzanti. Il terzo settore riguarda essenzialmente il monitoraggio della dose ricevuta dal paziente per motivi radiodiagnostici o radioterapeutici. L'ultimo campo di applicazione riguarda infine la determinazione della dose ricevuta da materiali naturali durante il periodo di esposizione del materiale stesso all'azione della radiazione naturale in un certo ambiente, o la ricostruzione della dose ricevuta da un dato luogo durante un accidente radioattivo.
Referenze
- D.J.Huntley, D.L.Godrfrey-Smith, M.L.W.Thewalt, Nature 313, 1985, 105
- V.V.Antonov-Romanovskii,I.F.Keirum-Marcus,M.S.Poroshina, Z.A.Trapznikova, Conference of the Acedemy of Sciences of the USSR on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Moscow, 1955, USAEC Report AEC-tr-2435 (pt.I), 239, 1956
- E.Bulur, Radiat. Meas. 26, 1996, 701
- I.K.Bailiff, N.R.J.Poolton, Nucl. Tracks Radiat. Meas. 18, 1991, 111
- G.Hutt, I.Jaek, J.Tchonka, Quat. Sci. Rev. 7, 1988, 381
Generale: L.Botter-Jensen, S.W.S.McKeever, A.G.Wintle: "Optcally Stimulated Luminescence Dosimetry", Elsevier, 2003
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Autore: Claudio Furetta
Universidad Nacional Autonoma de Mexico - UNAM
Mexico D.F.
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