Un dosimetro a termoluminescenza (TLD), basicamente un solido cristallino isolante, ha la proprieta' di emettere luce visibile quando sia riscaldato dopo averlo esposto ad una radiazione ionizzante. L'effetto della radiazione ionizzante nel cristallo e' quello di produrre elettroni liberi, alcuni dei quali possono essere catturati da atomi di impurezza o da altri difetti presenti nel reticolo cristallino del solido. Tali difetti sono comunemente chiamati trappole e gli elettroni catturati in essi vi possono permanere per tempi piu' o meno lunghi. Quando il cristallo e' riscaldato, gli elettroni intrappolati acquistano una energia sufficiente per uscire dalle trappole e ritornare nelle loro posizioni originarie: questo processo produce un'emissione di luce. Nel linguaggio tecnico usuale tale emissione luminosa viene indicata con il termine inglese "glow curve". Una glow curve e' composta, in genere, da un insieme di picchi ed ogni picco corrisponde ad un ben determinato livello di intrappolamento.

La TL risulta utile per la realizzazione di dosimetri di largo impiego e a costi relativamente bassi. I rivelatori a TL possono rivelare particelle alfa e beta, radiazione gamma ed X, neutroni e ioni pesanti. I settori di applicazione possono essere elencati come segue:

• Settore della radioprotezione, sia per il personale professionalmente che occasionalmente esposto, che per la dosimetria clinica, sia terapeutica che diagnostica
• Dosimetria ambientale
• Agricoltura
• Industria
• Datazione archeologica

Vediamo ora brevemente i vari settori ove si possa applicare la dosimetria a termoluminescenza.
L'uso dei dosimetri TL nel settore della radioprotezione e della dosimetria ambientale, in luogo del ben noto film dosimetrico, e' di particolare efficacia per i seguenti motivi:

• sono materiali solidi e di piccole dimensioni (per esempio 4x4 mm e meno di 1 mm di spessore)
• alcuni materiali TL sono equivalenti al tessuto, ovvero rispondono alla radiazione ionizzante nello stesso modo del tessuto biologico
• la risposta TL (lettura) e' indipendentedall'angolo di incidenza della radiazione come dal rateo di dose ed e' lineare in un'ampia zona di dose assorbita, da pochi mGy a decine di Gy
• la perdita di informazione a temperatura ambiente, a causa di un lungo intervallo di tempo tra irraggiamento e lettura (fading), e' trascurabile in molti materiali TL di uso comune
• il sistema dosimetrico di lettura dei dosimetri puo' essere automatizzato

Per i detti motivi, la dosimetria a termoluminescenza puo' essere usata nel campo della dosimetria personale, da tutti coloro che operano in ambienti ove sia necessario un controllo periodico della dose assorbita: reattori di ricerca, centrali nucleari, acceleratori di particelle, laboratori ove si usino macchine a raggi X e sorgenti radioattive. Analogamente sono utilizzati per il monitoraggio della dose ambientale negli ambienti sopra citati, come per il monitoraggio della dose ambientale naturale dovuta alla radiazione cosmica e dei terreni.

Nell'ambito clinico, i TLD possono essere usati come dispositivi per la misura della radiazione in uscita dalle macchine usate in diagnostica ed in terapia; per la misura della distribuzione di dose in siti tumorali con l'aiuto di fantocci antropomorfi; per misure in vivo sul paziente, sia nel caso di dosimetria esterna che endocavitaria. Sia in diagnostica come in terapia, i TLD sono utilissimi per la misura della dose alle gonadi.

La dosimetria a termoluminescenza trova applicazione anche nel settore agricolo ed industriale: esempi tipici sono la preservazione dei cibi, la sterilizzazione di semi e di strumentazione medica.

Un settore di grande interesse ma non molto sviluppato e' relativo alle scienze legali. In tale campo, infatti, e' importante implementare e standardizzare metodi di analisi non distruttiva per materiali reperibili nei casi criminali, quali terreni, vetri, ceramiche. La metodica TL puo' qui essere usata come metodo di "esclusione", ovvero confrontando la curva di emissione TL di materiali sospetti con le curve di analoghi materiali provenienti dal sito ove sia stato commesso un crimine.

Un'applicazione veramente innovativa riguarda la datazione archeologica. Alcuni minerali contenuti nelle sostanze costituenti un reperto archeologico hanno proprieta' termoluminescenti. Ad esempio, l'argilla comunemente usata per la manifattura di vasellame ed altro contiene quarzo e feldspati, entrambi termoluminescenti. Queste sostanze si comportano da dosimetri a TL, avendo accumulato per tutto il periodo del loro interramento la dose di radiazione ambientale naturale a cui sono esposti.La quantita' di TL ottenuta in fase di lettura del campione e' quindi direttamente legata alla dose totale ricevuta e quindi anche all'eta' del campione stesso.

Altre applicazioni riguardano la geologia, quali la datazione di rocce e di deposti stratigrafici di materiali geologici, la rivelazione di sostanze radioattive in rocce, l'identificazione di minerali.

Un altro campo di applicazione riguarda lo studio di base della struttura di un cristallo. Negli anni passati si e' sviluppata una formulazione teorica del fenomeno della termoluminescenza, formulazione che ha permesso di ricavare espressioni analitiche, e quindi le metodiche sperimentali necessarie, atte alla determinazione di taluni parametri fisici relativi ai siti di intrappolamento per elettroni, citati all'inizio di questa breve rassegna.

Bibliografia generale

• A.F.McKinlay: Thermoluminesence Dosimetry. Adam Hilger Ltd., Bristol 1981
• R.Chen e Y.Kirsh: Analysis of Thermally Stimulated Processes. Pergamon Press 1981
• S.W.S.McKeever: Thermoluminescence of Solids. Cambridge University Press, 1985
• K.Mahesh, P.S.Weng e C.Furetta: Thermoluminescence in Solids and Its Applications. Nuclear Technology Publishing, England 1989
• C.Furetta e P.S.Weng: Operational Thermoluminescence Dosimetry. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1998
• C.Furetta: Handbook of Thermoluminescence. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2003

Autore: Claudio Furetta & Carlo Sanipoli
Dipartimento di Fisica
Universita' degli Studi di Roma "La Sapienza", Roma (I)