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Brillando nel Buio

Introduzione

La fosforescenza è il fenomeno di emissione radiativa da parte di alcuni materiali / sostanze in seguito all’assorbimento di energia attraverso raggi ultravioletti (molto energetici) e la successiva riemissione sotto forma di luce visibile (a energia inferiore). I materiali fosforescenti continuano ad emettere luce anche fino a molte ore dopo la fine dell’illuminamento esterno. Quando tutta l’energia accumulata si esaurisce, il materiale non emette più luce.

L’emissione radiativa deriva dal decadimento degli elettroni a livelli quantici di minore energia. Si distingue dalla fluorescenza perché in quest’ultima l’effetto è immediato e si interrompe appena viene interrotta la fonte di energia, mentre nella fosforescenza l’effetto continua anche dopo. Il principio, semplificato, è lo stesso: una fonte di energia, in genere composta da luce visibile o radiazione ultravioletta, eccita gli atomi, facendo saltare alcuni elettroni su un’orbita più esterna. Quando questi tornano sull’orbita interna emettono luce.

Questo fenomeno si osserva in quanto gli elettroni presenti nel livello fondamentale passano, per azione di una fonte eccitatrice, che può essere ad esempio un fotone, ad un livello superiore di singoletto. Successivamente, oltre ad altri fenomeni di decadimento non radiativo, il ritorno allo stato fondamentale stabile con emissione raggiante può avvenire essenzialmente con due modalità: una conversione singoletto-singoletto o, alternativamente, un passaggio ad una configurazione quantomeccanica di tipo tripletto attraverso una conversione interna ed il successivo decadimento allo stato fondamentale di singoletto.

Nel primo caso si ha emissione fluorescente mentre nel secondo si verifica il fenomeno dell’emissione fosforescente. Il decadimento che produce fosforescenza è temporalmente più lungo (10−3 s contro 10−9-10−12 s) della fluorescenza: la fosforescenza segue con un certo ritardo l’eccitazione e si protrae anche qualche minuto oltre. Questa lentezza è dovuta al fatto che la transizione da tripletto a singoletto è teoricamente proibita dalle regole di selezione. Tale apparente contraddizione è giustificata dall’interazione spin-orbita che permette il verificarsi della emissione.

Il diagramma sotto esemplifica i meccanismi di fluorescenza e di fosforescenza.

Setup Sperimentale

Il setup sperimentale per le misurazioni della fosforescenza si basa principalmente sul contatore di fotoni già descritto nei post : Photon Counter basato su PSoC , Conteggio e Statistica dei Fotoni. La scatola con il PMT viene posta in una “dark box”, insieme al laser per l’eccitazione, come si vede nella immagine sotto. All’ingresso del PMT può essere posto un filtro per eliminare la componente dovuta alla sorgente di eccitazione.

PMT e laser di eccitazione sono posizionati ortogonali fra loro, il campione da esaminare viene posizionato di fronte al PMT in modo che la fosforescenza venga captata dal PMT ed in modo che il campione venga ben illuminato dall’impulso laser di eccitazione. L’immagine sotto mostra la disposizione.

L’impulso di luce per l’eccitazione della fosforescenza si ottiene con un laser a diodo che emette a 405 nm. Il laser viene fatto funzionare per un impulso della durata di 10 ms (pilotato direttamente dal modulo elettronico “photon counter“). Nella immagine seguente viene mostrato lo schema di principio del “fosforimetro”.

Nelle immagini sotto si può vedere il setup che abbiamo utilizzato per la misurazione effettiva dell’impulso laser. Abbiamo utilizzato un sensore ottico a fotodiodo accoppiato con un amplificatore veloce a trans-impedenza. Nella traccia dell’oscilloscopio di vede in blu l’impulso di pilotaggio ed in giallo l’impulso laser effettivo.

Gli impulsi prodotti dal PMT vengono acquisiti dal Photon Counter, il quale viene fatto funzionare nella modalità time gated counter. In pratica viene fatto il conteggio degli impulsi ricevuti all’interno di una finestra temporale determinata da un impulso di gate, il conteggio viene ripetuto con la frequenza del segnale di gate. Il grafico sotto mostra l’impulso laser misurato dal photon counter.


I risultati dei conteggi vengono trasmessi ad un RaspberryPI che li memorizza su file.

Alluminato di Stronzio attivato con Europio

L’alluminato di stronzio attivato dall’europio, SrAl2O4:Eu:Dy, è un nuovo materiale con luminosità più alta ed una persistenza decisamente più lunga; emette luce verde e color acqua, dove il verde emette la più alta luminosità, mentre l’acqua è caratterizzata dalla durata più lunga. SrAl2O4:Eu:Dy emette una luce 10 volte maggiore, 10 volte più duratura, e 10 volte più “costosa” rispetto al ZnS:Cu. Le lunghezze d’onda di eccitazione per l’alluminato di stronzio variano tra i 200 e i 450 nm. La lunghezza d’onda per la fluorescenza verde è di 520 nm, per la versione verde-azzurra è di 505 nm, mentre per la versione blu è di 490 nm. Colori con lunghezza d’onda più lunga possono essere ottenuti sempre dall’alluminato di stronzio, a scapito di una perdita in luminosità.
L’immagine seguente mostra lo spettro della luminescenza per questo fosforo.

Le misure di fosforescenza sono state fatte con una cuvetta riempita di polvere di alluminato di stronzio, come mostrato nella immagine sopra.
I campioni sono stati acquisiti con una finestra di conteggio (Gate) pari a 1 ms e con una frequenza di ripetizione di 1 campione ogni secondo. I risultati sono mostrati nel grafico sotto, nel quale si può notare la lunga persistenza della luminescenza.

L’intensità della fosforescenza segue una complessa legge di decadimento nel tempo che dipende da molti fattori ed è diversa da materiale a materiale. Nel caso dell’alluminato di stronzio il decadimento può essere approssimato da una legge di potenza : √I ∝ 1/t, come si vede nel grafico seguente  :

Schermo a Fosfori per X-Ray

Gli schermi di intensificazione sono usati in radioscopia nella cassetta porta-lastra per intensificare l’effetto dei raggi x producendo un numero maggiore di fotoni di luce visibile. Riduce i mA necessari per produrre una densità prestabilita e quindi riduce significativamente la dose assorbita dal paziente. Nelle cassette, che utilizzano pellicole a doppia emulsione, vengono utilizzati due schermi, montati su entrambi i lati della cassetta. Il materiale luminescente assorbe il fotone a raggi X e lo converte in luce visibile. Esempi di materiali utilizzati sono: tungstato di calcio (CaWO4), ossibromuro di lantanio (LaOBr), ossisolfuro di gadolinio (Gd2O2S).
I campioni sono stati acquisiti con una finestra di conteggio (Gate) pari a 10 ms e con una frequenza di ripetizione di 100 Hz. I risultati sono mostrati nel grafico sotto.

Uranium Glass

Il vetro all’uranio è un tipo di vetro che contiene una certa quantità di composti dell’uranio, in genere uranati. La percentuale di uranio contenuto è di solito inferiore al 2% in peso, anche se alcuni pezzi fabbricati nel XIX secolo arrivarono al 25%. Il vetro all’uranio una volta era utilizzato in articoli per la tavola e per la casa, ma l’uso diminuì durante la guerra fredda, quando la disponibilità di uranio per la maggior parte delle industrie fu drasticamente limitata. La maggior parte di questi oggetti sono oggi considerati d’antiquariato o da collezione, ma c’è stata una modesta ripresa nel campo dei vetri artistici. Per il resto, l’uso odierno di vetro all’uranio è limitato per lo più a piccoli oggetti tipo perline o biglie come curiosità scientifiche e decorative.

Il colore del vetro all’uranio va in genere dal giallo al verde a seconda dello stato di ossidazione e della concentrazione della specie di uranio usata. Il colore può essere ulteriormente modificato per aggiunta di altri elementi usati come coloranti. L’uranio emette inoltre una fluorescenza verde sotto luce ultravioletta. Utilizzando un contatore Geiger abbastanza sensibile si può anche notare una radiazione superiore al fondo naturale, tuttavia la maggior parte degli oggetti di vetro all’uranio sono pochissimo radioattivi e sono considerati innocui.

L’immagine seguente mostra lo spettro della fluorescenza del vetro all’uranio, nel quale si nota anche il segnale dovuto al laser di eccitazione.

Le misure di fosforescenza sono state fatte con una “perlina” : l‘immagine sopra mostra la perlina di vetro sottoposta a misurazione di fosforescenza. Nella immagine a sinistra il laser di eccitazione è spento, mentre nella immagine a destra il laser è acceso ed “illumina” la perlina di vetro : si può notare la forte emissione fluorescente. Spento il laser di eccitazione la luminescenza continua per alcuni istanti assumendo caratteristiche di fosforescenza.
I campioni sono stati acquisiti con una finestra di conteggio (Gate) pari a 10 ms e con una frequenza di ripetizione di 100 Hz. I risultati sono mostrati nel grafico sotto.

Ossido di Europio

L’ossido di europio, formula chimica Eu2O3, è il principale ossido dell’europio. È utilizzato come fosforo rosso o blu negli schermi dei televisori e nelle lampade fluorescenti. È anche un agente per la fabbricazione di vetri fluorescenti.
La fluorescenza dell’europio è utilizzata nelle banconote degli euro.
L’immagine seguente mostra lo spettro della luminescenza dell’ossido di europio, principalmente nella parte rossa dello spettro.

Le misure di fosforescenza sono state fatte con una cuvetta riempita di polvere di ossido di europio. I campioni sono stati acquisiti con una finestra di conteggio (Gate) pari a 1 ms e con una frequenza di ripetizione di 100 Hz. I risultati sono mostrati nel grafico sotto.

Kunzite

La kunzite è una varietà dello spodumene di colore rosa. Scoperta per la prima volta nel 1902, in California, prende il nome dal suo scopritore, George Frederick Kunz (1856-1932). E’ un minerale di alluminio, silicio e litio.
Una caratteristica interessante della kunzite è la sua fosforescenza, ossia la capacità di risplendere anche in condizioni di luce debole, se precedentemente esposta all’illuminazione dei raggi solari. Poiché la gemma sprigiona questo suo particolare fascino proprio alla luce fioca, è stata spesso denominata popolarmente la “pietra preziosa della sera”. Dotata, inoltre, di forte pleocroismo, essa cambia sfumatura e intensità di colore, a seconda dell’angolazione da cui la si osserva.

Le misure sono state acquisite con una finestra di conteggio (Gate) pari a 5 ms e con una frequenza di ripetizione di 100 Hz. I risultati sono mostrati nel grafico sotto.

Per questo minerale il decadimento può essere approssimato da una legge di potenza : I ∝ 1/t , come si vede nel grafico seguente  :

Calcite

La calcite è un minerale costituito da carbonato di calcio neutro (CaCO3) appartenente al gruppo omonimo. Il nome deriva dal termine latino calx che significa calce.
Spesso ha un fenomeno di fluorescenza / fosforescenza se sottoposto ai raggi ultravioletti, con colorazioni rosse, gialle, rosa e azzurre e può essere anche termoluminescente. È completamente solubile in acido cloridrico, con una tipica e vivace effervescenza. Proprio e tipico di questo minerale è il fenomeno della birifrangenza (utilizzato nella costruzione del prisma di Nicol, uno dei primi polarizzatori).

Le misure sono state acquisite con una finestra di conteggio (Gate) pari a 1 ms e con una frequenza di ripetizione di 500 Hz. I risultati sono mostrati nel grafico sotto.

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