Spettrografia Gamma

In principio era solo la voglia.

    Chiunque fosse appassionato di radioattività, dopo le prime esperienze, cominciava a chiedersi se non fosse possibile determinare, oltre alla presenza di sostanze radioattive, anche quali isotopi concorrevano nel creare tale radioattività e, magari, poter arrivare così ad individuare la natura della sostanza inquinante.

    Ma la voglia restava tale, in quanto l'unico mezzo per fare questo tipo di ricerca era il dotarsi di un Analizzatore Multi Canale (MCA), uno strumento che purtroppo aveva un costo ben oltre le normali possibilità degli appassionati.

    Per questi ultimi, l'unica possibilità che assomigliava allo spettrogramma fornito dai costosissimi MCA, era l'utilizzo di alcuni ratemeter forniti di PHA (Pulse Height Analyzer), un dispositivo che, mediante la regolazione di due appositi comandi, threshold e window, permetteva di escludere o privilegiare, i segnali aventi determinate energie.
Ma erano talmente scomodi che, in pratica, venivano utilizzati solo nella prospezione mineraria, per escludere dalla rilevazione i minerali radioattivi, ma non interessanti.

    Poi, pochi anni fa, un australiano, tale Marek Dolleiser, sorprese tutti rendendo pubblico un programma che girava sui nostri normali PC casalinghi, il famoso PRA (Pulser Recorder and Analyser).



    La grande idea di questo personaggio è stata quella di utilizzare lo stesso computer, sia per analizzare e riconoscere gli impulsi dovuti alla radioattività, sia per raggrupparli formando delle classi in base alla loro energia ed, infine, per rappresentarli sullo stesso schermo, tracciando così il famoso spettrogramma.

    Se poi aggiungiamo che questo programma era completamente gratuito, si capisce come l'evento aprì le porte della spettrografia gamma a tutti gli appassionati: bastava avere la sonda scintillatrice ed il contatore, per ottenere finalmente i primi grafici degli isotopi radioattivi.

    E così, per merito di un geniale ricercatore che stava all'altro capo del Mondo, ciascuno di noi poté analizzare la vecchia sveglia della nonna e scoprire finalmente "la firma" del Radio226, il più comune degli isotopi rintracciabili dagli hobbisti.



    Ma ormai, l'idea giusta era stata resa pubblica e diverse decine di appassionati si gettarono alla progettazione di altri software simili, mentre, altri ancora, pensarono di sfruttare economicamente il momento favorevole, iniziando a produrre interfacce ed hardware per coloro che non erano in grado di fare da se queste sia pur semplici applicazioni.



    Tra queste innumerevoli iniziative, ne va segnalata una che è geniale nella sua semplicità: alcuni appassionati hanno scoperto che un piccolo strumento prodotto in Cina e commercializzato come oscillografo, era in realtà una struttura a funzioni multiple: una basetta dotata di un piccolo monitor e di un processore programmabile che, a seconda del software che gli veniva immesso, poteva svolgere funzioni di lettore mp3, registratore vocale, lettore di filmati, oscilloscopio, analizzatore di reti logiche, ecc. ecc. Questo strumentino veniva commercializzato come oscilloscopio digitale con il nome di Nano DSO201 (Digital Storage Oscilloscope) ad un prezzo di neppure 50 Euro.

    A questo punto, non serviva più ne il PC e neppure il costoso ratemeter, bastava un semplice alimentatore ed un ancor più semplice discriminatore basato su di un solo condensatore ed una sola resistenza ed il nostro MCA era già fatto, completamente portatile, ma completo nella sua essenzialità !

    La soluzione basata sulla riprogrammazione dell'oscilloscopio Nano rappresentava quindi la possibilità ottimale per analisi "al volo", fatte sul posto: bastava portare con se il normale ratemeter con le sue sonde che, in caso di bisogno, si poteva immediatamente collegare il Nano e vedere quali isotopi formavano la radioattività che gli strumenti avevano rilevato.

    Contemporaneamente, altri hobbisti si cimentavano in soluzioni simili, cambiava solo la base logica su cui far girare il programma: fu quindi la volta dei vari strumenti basati sulla scheda Arduino ed i suoi vari cloni, proposti in tutti i modi ed in tutte le configurazioni.

    In questo breve excursus siamo ormai arrivati ai giorni nostri, a quello che può definirsi lo stato dell'arte nel campo della spettrografia gamma computerizzata.


    Il programma che attualmente sta fornendo i migliori risultati, sia come rapidità, sia come definizione e facilità di utilizzo, è stato sviluppato da un gruppo di appassionati, ciascuno altamente esperto in campi specifici come elettronica, programmazione, analisi, ecc.: Livio Cicala, Roberto Cena, Alessio Giusti.

    Il programma in questione è stato chiamato Theremino MCA e quello da me testato è la versione 4.5.
    Per il suo funzionamento richiede naturalmente un PC ed un minimo di hardware indispensabile per rilevare gli impulsi: una sonda scintillatrice, meglio se di tipo al NaI(Ti) che è senza alcun dubbio il componente più costoso, un alimentatore per fornire l'alta tensione alla sonda ed un separatore amplificatore del segnale da utilizzare.

    Il programma è completamente "aperto", con codice sorgente disponibile ed anche l'hardware di supporto è perfettamente chiaro e tutti gli schemi sono rintracciabili sul suo sito dedicato: http://www.theremino.com/downloads/radioactivity

    In questo modo, chi ha dimestichezza con il saldatore, può assemblare il tutto con una minima spesa, mentre, chi come me non è in grado di costruirlo, lo può tranquillamente acquistare ed, oltre tutto, con una spesa molto modesta e la sicurezza della funzionalità "chiavi in mano".

    Nel mio caso ho voluto provare due diverse soluzioni hardware, per cui ho acquistato sia la soluzione proposta da Happynewgeiger (e-mail: torre.wtc@libero.it), sia quella del gruppo ufficiale di Theremino MCA (e-mail: alessio.giusti@meteolink.it).


    Vediamo pregi e difetti di entrambe le soluzioni, tenendo però ben presente che il software che elabora i dati è sempre il medesimo.

    L'hardware di Happynewgeiger si basa su di una sonda scintillatrice da 1" e da un alimentatore amplificatore che, alimentato a 220 Volt, genera l'alta tensione per il tubo e si collega all'entrata della scheda audio del PC. Il tutto è montato dentro un unico contenitore, che è completo anche del voltmetro ad alta impedenza, indispensabile per mantenere sotto controllo la tensione di alimentazione per la sonda.
In sintesi, ottima le prestazioni della sonda, ottime le prestazioni del hardware di controllo, peccato per la dipendenza dalla rete luce, anche se è in preparazione una versione funzionante tramite la presa USB di un portatile.

    Alessio invece si basa per l'alimentazione e per il trasferimento dei dati sul collegamento USB, rendendo con ciò indipendente lo strumento da fonti esterne di alimentazione. Anche qui la tensione di alimentazione al tubo, una scintillatrice allo ioduro di sodio, è variabile mediante un trimmer interno e viene regolata in modo da centrare lo schermo sul picco del Cesio137 che fa da riferimento. Quindi, semplicissimo il collegamento al PC ed ottima l'alimentazione ed il trasferimento dei dati.

    Con questo abbiamo visto le possibili alternative all'hardware, vediamo ora pregi e difetti del software, il Theremino MCA nella versione 4.5.

    Il programma in se è abbastanza semplice nell'uso, con un menu disponibile in varie lingue, italiano compreso. L'aspetto che più mi ha colpito è la completa ed assoluta possibilità di modificare qualsiasi parametro, tutto è spostabile, tutto è regolabile. Qualsiasi schermata è piena di slider e di caselle dati che consentono di modificare qualsiasi cosa.

    Questa caratteristica è il maggior pregio, ma anche il maggior difetto, del programma: se da una parte consente ad un utente esperto, dotato di opportuni strumenti di controllo, di configurare al meglio l'analizzatore, dall'altra può indurre a tragici errori chi, essendo un po' sprovveduto o senza le opportune conoscenze, si avventurasse al settaggio della rappresentazione grafica sullo schermo.

    Con un po' di sfortuna e pasticciando con le regolazioni, si potrebbe anche arrivare ad ottenere un magnifico grafico come questo, decisamente molto professionale e significativo.

    Qui si vedono distintamente le "firme" di diversi isotopi, peccato solo che davanti alla sonda non vi fosse assolutamente nulla !


    Vediamo allora quale è il metodo più sicuro per non prendere simili cantonate.

    Essenziale è possedere alcuni isotopi radioattivi ben identificabili e ben hanno fatto i progettisti del software a tracciare sul grafico le posizioni tipiche del Cesio 137, dell'Uranio 235, del Americio 241 e del Potassio 40.
Non dico che bisogna averli tutti, ma almeno Cesio ed Americio sono praticamente indispensabili per poter tarare la scala con un minimo di precisione.

    Come prima cosa verifichiamo che tutte le slider siano al centro, senza apportare alcuna regolazione.
Mettiamo davanti alla sonda il campione di Cesio e rapidamente vedremo formarsi i due picchi tipici: il primo dovrebbe finire in corrispondenza della riga rossa indicata come X32 e l'altro in corrispondenza di quella segnata come Cs137.
Naturalmente non ci saranno mai nella giusta posizione, per cui proviamo a variare la tensione che va al tubo scintillatore: aumentando i picchi si spostano verso destra e viceversa.
Cerchiamo in questo modo di centrare per bene il picco a 662 KeV, poi andiamo a vedere l'altro picco a X32, centrandolo con lo slider dell'energia relativo ai 20 KeV.
A questo punto possiamo aggiungere dietro al campione del Cesio, anche quello dell'Americio e vedremo in pochi secondi formarsi il relativo picco. Se non fosse nella sua giusta posizione, possiamo spostarlo utilizzando lo slide da 50 Kev fino a posizionarlo sotto alla sua linea rossa di riferimento.

    Da notare la pulizia del grafico, ottenuta sottraendo al segnale ricevuto il fondo naturale, in questo modo quello che viene rappresentato sul grafico sono soltanto i picchi che compaiono a seguito della analisi.

    Una volta ben calibrato il programma, si può cominciare a divertirci, iniziando ad esaminare campioni meno noti, per cercare di individuare i picchi corrispondenti ai principali isotopi.
Tenete però presente che mentre la posizione sull'asse delle X rappresenta il livello energetico tipico di quella sostanza, l'altezza del picco ci indica contemporaneamente due cose: la quantità del radioisotopo e la sua attività. Considerate infatti che la stessa ampiezza di picco può essere raggiunta sia da una minima quantità di sostanza altamente radioattiva, sia da una notevole quantità di un isotopo poco attivo.

    L'identificazione dei picchi non è molto facile, tantissime sono le variabili che possono intervenire e falsare le nostre ipotesi.
Come la polizia nella ricerca del colpevole, troveremo diversi indizi che portano a farci pensare ad un isotopo, ma per avere un minimo di certezza, dovranno essere tutti probanti e concordanti, solo allora potremo azzardare le nostre ipotesi.

    Come esempio, l'esame spettrografico delle lenti frontali di un binocolo, dove la presenza del Piombo e del Torio indica l'aggiunta di opportuni ingredienti alla massa in fusione, per migliorare la qualità e l'indice di riflessione dei vetri.

    Ancora, una vecchia bussola militare inglese della seconda guerra mondiale, dove è ben visibile tutto lo spettro del Radio al gran completo.     Il Radio veniva aggiunto alla bussola per eccitare la fluorescenza di una speciale vernice, solo che la vernice fluorescente è degradata dopo alcuni anni e la fluorescenza non c'è più, il Radio 226 invece resterà intatto e radioattivo ancora per migliaia e migliaia di anni.


    In conclusione, la spettrografia gamma è ormai alla portata di chiunque e, con un minimo investimento, si può entrare in questo interessantissimo campo.

    Consiglio però di procurarvi anche un paio di isotopi marcatori, almeno Cesio e Americio, non sono certamente spese inutili e, forse, possono evitarvi di prendere grosse cantonate.

    In ogni caso, seguite il lavoro dei ragazzi di Theremino MCA, sono continuamente impegnati a migliorare il programma, per cui scaricate sempre l'ultima versione offerta: certamente avrete sempre delle gradite sorprese.