LumaCam: La Rivoluzione dell’Imaging a Neutroni per Vedere l’Invisibile

Ciao a tutti! Avete mai desiderato avere una sorta di “vista a raggi X” superpotente, capace non solo di guardare dentro gli oggetti senza romperli, ma anche di dirci esattamente di cosa sono fatti, atomo per atomo? Beh, nel mondo della scienza e della tecnologia, ci stiamo avvicinando sempre di più, e una delle chiavi sono i neutroni. Oggi voglio parlarvi di una nuova frontiera in questo campo: una telecamera speciale che sta cambiando le regole del gioco.

Perché i Neutroni Sono Speciali?

Prima di tuffarci nella novità, facciamo un passo indietro. Perché usare i neutroni per “fotografare” la materia? A differenza dei raggi X, che interagiscono principalmente con gli elettroni degli atomi, i neutroni se ne fregano degli elettroni e vanno dritti al cuore: il nucleo. Questo li rende incredibilmente potenti per:

• Penetrare materiali molto densi che fermerebbero altre radiazioni.
• Distinguere tra isotopi diversi dello stesso elemento (atomi con lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni).
• Essere sensibili agli elementi leggeri come l’idrogeno, spesso “invisibili” ai raggi X.

Questa capacità di “vedere” i nuclei rende l’imaging neutronico uno strumento preziosissimo in tantissimi campi: dalla scienza dei materiali all’ingegneria, fino alle applicazioni nucleari per controllare la sicurezza dei combustibili.

La Sfida dell’Imaging di Risonanza Neutronica (NRI)

Una tecnica particolarmente affascinante è l’Imaging di Risonanza Neutronica (NRI). Immaginate che ogni isotopo abbia una sua “impronta digitale” unica quando interagisce con neutroni di specifiche energie (le cosiddette energie di risonanza). L’NRI sfrutta proprio queste impronte per identificare e quantificare con precisione quali isotopi sono presenti in un campione, anche se mescolati in composizioni complesse come rocce, materiali per nuovi scintillatori o combustibile nucleare.

Finora, i sistemi per fare NRI avevano dei limiti. Spesso usavano rivelatori chiamati Microchannel Plate (MCP) drogati al boro, accoppiati a sensori TimePix. Questi sistemi sono efficienti, ma soffrono di alcuni problemi: sono sensibili ai raggi gamma (un “rumore” di fondo fastidioso), richiedono condizioni operative complesse (alto vuoto, alte tensioni) e, soprattutto, hanno un campo visivo (FoV) molto piccolo, tipicamente sui 28×28 mm². Questo significa poter analizzare solo campioni minuscoli o dover fare tante misure spostando il campione, perdendo un sacco di tempo prezioso di fascio neutronico (che è una risorsa rara e costosa!).

Ecco LumaCam: Più Grande, Più Veloce, Più Intelligente!

Ed è qui che entra in gioco la protagonista della nostra storia: la LumaCam. Si tratta di un sistema di telecamera innovativo, basato sui sensori Timepix3 di nuova generazione, che promette di superare molti dei limiti precedenti. Come funziona?

Invece di usare MCP speciali per catturare i neutroni, la LumaCam usa scintillatori più convenzionali. Questi sono materiali che, quando colpiti da un neutrone, emettono un lampo di luce (fotoni). Questa luce viene poi raccolta da ottiche (lenti), amplificata da un intensificatore di immagine (che contiene sì degli MCP, ma sono componenti standard, robusti e sigillati) e infine catturata dal sensore Timepix3.

I vantaggi sono notevoli:

• Grande Campo Visivo (FoV): Grazie all’accoppiamento ottico, possiamo ottenere campi visivi molto più ampi. Nel nostro caso, abbiamo lavorato con un FoV di ben 120×120 mm²! Questo permette di analizzare campioni più grandi o più campioni contemporaneamente in una singola misura.
• Modalità “Event-Mode”: Il sensore Timepix3 è speciale. Ogni pixel funziona in modo indipendente e registra non solo *dove* è arrivato un segnale, ma anche *quando* (con precisione nanometrica!) e con che intensità (Time-over-Threshold). Non cattura “fotogrammi”, ma un flusso continuo di eventi.
• Ricostruzione Intelligente: Questo flusso di dati permette algoritmi sofisticati. Possiamo raggruppare i singoli fotoni rilevati per ricostruire l’evento di scintillazione originale e, da lì, risalire alla posizione e al tempo di arrivo del neutrone con una precisione migliore della dimensione fisica del pixel! Usando un algoritmo chiamato “center-of-gravity” (COG), abbiamo raggiunto una risoluzione spaziale di circa 340 µm.
• Discriminazione Neutroni/Gamma: Lo scintillatore che abbiamo usato (⁶LiF-ZnS:Ag) emette luce in modo leggermente diverso se colpito da un neutrone o da un fotone gamma. Analizzando le caratteristiche dei segnali luminosi (come la durata), possiamo distinguere i due eventi e “pulire” l’immagine dal rumore di fondo gamma, ottenendo dati più affidabili.
• Flessibilità: Cambiando lo scintillatore o le ottiche, lo stesso sistema può essere adattato per lavorare con neutroni di diverse energie (freddi, termici, epitermici, veloci).

Certo, non è tutto perfetto. Lo scintillatore ⁶LiF-ZnS:Ag, pur avendo un’ottima resa luminosa e capacità di discriminazione, ha un tempo di decadimento della luce relativamente lungo (componenti da 5 e 80 microsecondi). Questo può introdurre piccole distorsioni nella misura precisa del tempo di volo (e quindi dell’energia) dei neutroni, specialmente per le risonanze, e limita un po’ la velocità massima di conteggio. Inoltre, l’efficienza di interazione con i neutroni epitermici non è altissima per lo spessore usato (200 µm), circa 0.1% a 1 eV. È un compromesso tra efficienza e risoluzione spaziale.

Messa alla Prova a Los Alamos (LANSCE)

Abbiamo testato questa meraviglia tecnologica presso il Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), sulla linea di fascio ERNI/FP5, un posto ideale per l’imaging neutronico risolto in energia. Abbiamo condotto diverse misure:

1. Stima del Fondo: Usando lastre spesse di tungsteno (W) e tantalio (Ta), materiali che assorbono completamente i neutroni a certe energie (“risonanze nere”), abbiamo misurato il livello di rumore di fondo del sistema. Risultato? Nettamente inferiore a quello dei vecchi sistemi MCP-TimePix, grazie alla migliore discriminazione gamma!
2. Collage Complesso: Abbiamo messo insieme un vero e proprio “mosaico” di campioni diversi, sfruttando l’ampio campo visivo: una lastra di tungsteno, pastiglie di combustibile nucleare (uranio impoverito), celle contenenti gas xeno, campioni di nuovi materiali scintillatori (BaBrCl:Eu,Au e CsPbBr₃:Eu), polvere di sale (NaCl) con immerse delle piccole sfere di vetro borosilicato, zirconio e carburo di tungsteno, e persino i raccordi metallici delle celle di gas.
3. Quantificazione Isotopica: Abbiamo usato fogli sottili di iridio (Ir), tantalio (Ta) e oro (Au), sovrapponendoli per creare zone con spessori variabili (da 1 a 3 strati), per verificare la capacità del sistema di misurare quantitativamente la densità (e quindi lo spessore) di ciascun isotopo.

I Risultati: Cosa Abbiamo “Visto”?

I risultati sono stati davvero incoraggianti!

Nel caso del collage complesso, abbiamo usato un software di analisi sviluppato a Los Alamos chiamato TRINIDI. Questo codice è fantastico perché riesce, con un input minimo da parte nostra (solo indicare quali materiali *potrebbero* esserci), a ricostruire automaticamente le mappe di densità di ciascun materiale presente nell’immagine, pixel per pixel.

TRINIDI ha identificato correttamente quasi tutti i materiali: il tungsteno, l’uranio, lo xeno nel gas, l’europio e l’oro negli scintillatori (rivelando anche la disomogeneità della drogatura nell’Eu nel BaBrCl:EuAu, come già visto in studi precedenti!), il sodio nel sale (grazie a una sua larga risonanza), e persino il manganese e il molibdeno nei raccordi metallici! È riuscito a scovare la minuscola sfera di carburo di tungsteno nascosta nel sale. Unica nota: non abbiamo visto risonanze del kripton (Kr)… abbiamo poi scoperto che la cella si era svuotata accidentalmente! A causa delle distorsioni temporali introdotte dallo scintillatore lento, la quantificazione precisa delle densità con TRINIDI in questo set di dati era difficile, ma la capacità di identificazione automatica in una scena così complessa è notevole.

Per la quantificazione, abbiamo analizzato i dati dei fogli sottili sovrapposti usando un altro codice standard, SAMMY (tramite un’interfaccia Python chiamata PLEIADES). Selezionando regioni di interesse (ROI) corrispondenti a 1, 2 o 3 strati di ciascun materiale (Ir, Ta, Au), SAMMY è riuscito a fittare i dati di trasmissione misurati e a calcolare lo spessore di ciascun campione.

Nonostante le piccole distorsioni spettrali osservate (probabilmente dovute al decadimento lento dello ZnS:Ag, un fenomeno che stiamo ancora studiando), i risultati sono stati eccellenti: lo spessore calcolato corrispondeva a quello reale dei fogli con un errore inferiore al 5% in tutti i casi! Questo dimostra che, anche con uno scintillatore non ideale per la massima precisione temporale, la LumaCam accoppiata a ⁶LiF-ZnS:Ag può fornire misure quantitative affidabili delle densità isotopiche.

Perché è Importante e Cosa Ci Aspetta?

Questa tecnologia LumaCam con ampio campo visivo rappresenta un passo avanti significativo per l’imaging di risonanza neutronica.

• Efficienza: Riduce drasticamente i tempi di misura, permettendo di studiare più campioni o campioni più grandi in un’unica sessione.
• Versatilità: È adattabile a diversi tipi di neutroni e applicazioni semplicemente cambiando lo scintillatore.
• Qualità dell’Immagine: Offre buona risoluzione spaziale e riduce il rumore di fondo.
• Costo-Efficacia: Potrebbe essere una soluzione preziosa specialmente per sorgenti di neutroni di piccole e medie dimensioni.

Certo, ci sono margini di miglioramento. Stiamo già esplorando scintillatori alternativi con tempi di decadimento più rapidi (come vetri al ⁶Li o ⁶LiF-ZnO:Zn) che promettono di migliorare la risoluzione temporale e ridurre le distorsioni. Stiamo anche lavorando per ottimizzare gli algoritmi di ricostruzione e gestire meglio eventuali effetti di saturazione ad alti flussi di particelle. E all’orizzonte c’è già la prossima generazione di sensori, come il Timepix4, che promette prestazioni ancora superiori (pixel più piccoli, timestamp più preciso, maggiore velocità di lettura).

In conclusione, la LumaCam si sta affermando come uno strumento potente e flessibile, capace di darci una visione senza precedenti della composizione interna dei materiali. È una di quelle innovazioni che aprono nuove porte alla scoperta scientifica e allo sviluppo tecnologico, permettendoci davvero di iniziare a “vedere l’invisibile” con una chiarezza mai raggiunta prima. Non vedo l’ora di vedere dove ci porteranno i prossimi sviluppi!

Fonte: Springer