Le dosi di radiazione cosmica in prossimità della Luna differiscono in modo significativo da quelle ricevute dagli astronauti nell’orbita terrestre bassa? Dei rivelatori sperimentali al fluoruro di litio, installati a bordo della navicella spaziale Orion durante la missione Artemis I, hanno permesso di ottenere alcune stime preliminari. Mentre la capsula Orion, parte della missione senza equipaggio Artemis I, orbitava attorno alla Luna tra la fine di novembre e l’inizio di dicembre 2022, oltre 10.000 piccoli cristalli – inseriti all’interno di due manichini antropomorfi – hanno raccolto dati sulle dosi di radiazione cosmica. Tra questi vi erano diverse decine di rivelatori sperimentali a fluorescenza al fluoruro di litio, sviluppati presso l’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) a Cracovia. Un metodo per leggere le informazioni memorizzate in tali rivelatori, fornendo indicazioni sulle dosi di radiazione e sulle proprietà dei dispositivi stessi, è stato presentato sulla rivista Radiation Measurements.
Tracce di radiazione rivelate tramite fluorescenza
“I rivelatori di dose a fluorescenza basati sul fluoruro di litio, sviluppati nel nostro istituto, sono di natura passiva. In altre parole, funzionano come una pellicola fotografica: una volta che i cristalli sono stati esposti alle radiazioni, le tracce lasciate dalle singole particelle devono essere analizzate otticamente al microscopio”, spiega Pawel Bilski (IFJ PAN), uno dei coautori dello studio. Il principio di funzionamento dei rivelatori passivi basati su cristalli di fluoruro di litio è semplice. Quando le particelle di radiazione ionizzante attraversano il rivelatore, creano dei difetti nel reticolo cristallino del materiale, che iniziano a fungere da “centri di colore”. Durante la lettura in laboratorio, questi centri vengono eccitati da una luce blu ed emettono, di conseguenza, una fluorescenza rossa, osservabile al microscopio.
Nell’ambito dell’esperimento MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment), condotto durante la missione Artemis I, diverse decine di rivelatori sperimentali al fluoruro di litio sono stati inseriti nei due manichini antropomorfi; alcuni di essi erano altamente arricchiti con l’isotopo litio-7. Il contributo complessivo dell’IFJ PAN all’esperimento è stato tuttavia ben più ampio: i fisici di Cracovia hanno infatti fornito anche quasi 600 rivelatori cristallini di un altro tipo, ovvero rivelatori termoluminescenti.
Districare i segnali della radiazione cosmica
I rivelatori di tracce passivi convenzionali, realizzati in plastica, richiedono un trattamento di attacco chimico prima della lettura. I cristalli di fluoruro di litio, al contrario, non necessitano di un simile e complesso trattamento chimico: per osservarne le tracce è sufficiente un comune microscopio a fluorescenza. La lettura delle tracce lasciate dalle particelle in prossimità della Luna è risultata pertanto rapida e priva di difficoltà per i ricercatori. Le complicazioni sono sorte nel tentativo di estrarre informazioni quantitative, operazione che ha reso necessario lo sviluppo di metodi non banali per la calibrazione dei risultati.
La difficoltà fondamentale risiede nella natura stessa della radiazione cosmica. Nei tipici esperimenti di fisica, i rivelatori vengono irradiati con fasci composti da particelle dello stesso tipo, dotate di energie ben definite e di una direzione di incidenza nota con precisione. La radiazione cosmica, invece, proviene da ogni direzione e comprende tutte le tipologie di particelle e nuclei atomici esistenti in natura, coprendo un intervallo energetico estremamente ampio. All’osservazione al microscopio, le tracce appaiono dunque orientate in direzioni diverse. Di conseguenza, oltre al segmento di traccia che giace sul piano focale (delle dimensioni di circa un micrometro), la fotocamera cattura anche un bagliore sfocato proveniente dalle restanti porzioni delle tracce stesse. Ciò influisce sull’intensità di fluorescenza, il parametro principale utilizzato per valutare la densità di ionizzazione. L’analisi è stata ulteriormente complicata dal fatto che le tracce lasciate da particelle altamente ionizzanti si presentano come linee continue e ben definite, mentre le particelle debolmente ionizzanti possono lasciare solo una serie di punti distinti e separati. Anche questo aspetto ha inciso sull’intensità di fluorescenza delle tracce.
Uno scarto di dose inferiore al previsto
“Dopo aver applicato una serie di correzioni e sviluppato un software capace di rimuovere il rumore di fondo che interferiva con le misurazioni, i nostri risultati si sono discostati di non oltre il 15% da quelli ottenuti con i rivelatori di tracce convenzionali, nell’intero intervallo in cui i valori di deposito energetico si sovrapponevano. Inoltre, abbiamo rilevato numerose tracce di particelle corrispondenti a depositi energetici inferiori alla soglia di rilevabilità degli strumenti utilizzati finora”, sottolinea Bilski.
Durante l’esperimento MATROSHKA, condotto a bordo della Stazione Spaziale Internazionale oltre un decennio fa, i protoni a bassa energia provenienti dalle fasce di radiazione di Van Allen che circondano la Terra hanno contribuito alla dose di radiazione assorbita dai fantocci. Tali protoni perdevano la propria energia a diverse profondità all’interno dei fantocci, determinando una distribuzione non uniforme delle dosi di radiazione in tutto il loro volume.
In prossimità della Luna, tuttavia, le fasce di Van Allen sono assenti; prevale invece la radiazione galattica. Le sue energie sono così elevate che le particelle possono attraversare l’intero corpo umano, depositando lungo il percorso solo una parte della loro energia. Di conseguenza, la distribuzione della dose di radiazione registrata all’interno dei fantocci durante la missione Artemis I è risultata sostanzialmente uniforme. “I protoni a bassa energia, intrappolati dal campo magnetico del nostro pianeta all’interno delle fasce di Van Allen, possono costituire la maggior parte della dose di radiazione ricevuta dagli astronauti nell’orbita terrestre bassa. In vicinanza della Luna, questo contributo significativo scompare. Le nostre misurazioni, ottenute tramite l’esperimento MARE, indicano che, sebbene le dosi totali di radiazione vicino alla Luna siano superiori a quelle riscontrate nell’orbita terrestre – a causa dei livelli considerevoli di radiazione galattica – la differenza non è così marcata come si potrebbe intuitivamente supporre”, osserva Bilski.
Piccoli cristalli con un ampio spettro di rilevamento
I rivelatori a tracce fluorescenti a base di fluoruro di litio, impiegati durante la missione Artemis I, sono stati prodotti mediante il metodo Czochralski. Sviluppati presso l’IFJ PAN dieci anni fa, sono stati oggetto di continui perfezionamenti nel corso del tempo. I loro principali vantaggi includono: dimensioni ridotte (nell’ordine dei millimetri anziché dei centimetri), che li rendono pratici da indossare; una risoluzione delle tracce superiore rispetto ai tradizionali rivelatori in plastica a incisione chimica, consentendo la registrazione di dosi di radiazione più elevate con tracce chiaramente distinguibili; e un’ampia gamma di tipologie ed energie di particelle rilevabili, che permette una valutazione più accurata dell’esposizione totale alle radiazioni.
Inoltre, i rivelatori al fluoruro di litio – in particolare quelli arricchiti con l’isotopo litio-6 – possono essere utilizzati per misurare le dosi di neutroni: questi ultimi, infatti, reagiscono con i nuclei di litio producendo localmente particelle cariche secondarie, le quali interagiscono con il materiale in modo analogo alla radiazione ionizzante esterna.
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