La presente ricerca riguarda il progetto, la costruzione e l'impiego di un'apparato sperimentale per lo studio dei principali aspetti acustici ed energetici della nucleazione omogenea indotta da radiazioni ionizzanti nei liquidi metastabili. Al riguardo, infatti, non sono attualmente disponibili modelli teorici univoci, né sulla deposizione dell'energia necessaria alla formazione di una bolla di vapore in grado di accrescersi autonomamente una volta che abbia superato una certa dimensione, né sui fenomeni acustici associati a tale evento. D'altra parte, per quanto in letteratura siano reperibili numerosi dati sperimentali, messi a disposizione soprattutto dagli studiosi impegnati in ricerche sulla materia oscura, tali dati, non essendo stati generati con l'obiettivo di analizzare il comportamento di base dei liquidi metastabili, non sono omogeneamente distribuiti nello spazio dei parametri ed hanno, quindi, più valenza qualitativa che quantitativa.
In questo contesto generale, ci si propone di sviluppare una procedura per il calcolo dell'energia acustica emessa durante la nucleazione omogenea e la valutazione delle caratteristiche salienti del relativo segnale sonoro, nonché un modello teorico di deposizione dell'energia da parte degli ioni nel corso del loro frenamento nel liquido metastabile, procedendo, quindi, ad una campagna di misure. L'apparato sperimentale, che dovrà essere appositamente costruito, sarà progettato non solo allo scopo di produrre un dispositivo in grado di eseguire misure per la validazione dei modelli teorici proposti, ma anche e soprattutto con l'obiettivo di realizzare un vero e proprio prototipo in piccola scala di una nuova camera a bolle multi-funzione, la cui versatilità potrebbe avere interessanti risvolti non solo di natura squisitamente scientifica, ma anche di ordine ingegneristico per possibili applicazioni di dosimetria spaziale, "homeland security" e sicurezza intrinseca di funzionamento degli impianti.
L'innovatività della ricerca proposta è strettamente correlata al fatto che, come già fatto osservare in precedenza, non è attualmente disponibile una metodologia di calcolo né dell'energia acustica emessa nel corso della nucleazione in funzione delle condizioni di metastabilità del liquido surriscaldato, né, tantomeno, della banda significativa di frequenze del segnale sonoro generato, oltre al fatto che le condizioni che devono ricorrere affinchè avvenga la nucleazione omogenea in un liquido surriscaldato non sono completamente note.
Per ciò che riguarda gli aspetti acustici, dopo le prime osservazioni di Glaser e Rahm [1] e le prime misure quantitative condotte da Martynyuk e Smirnova [2], diversi gruppi di ricerca hanno di recente registrato una vasta gamma di segnali sonori associati alla nucleazione omogenea in liquidi surriscaldati, tra cui Aubin et al. [3], Felizardo et al. [4], Behnke et al. [5], Mondal e Chatterjee [6], Archambault et al. [7], Amole et al. [8] e Sarkar et al. [9], la maggior parte dei quali sono impegnati in ricerche sulla materia oscura, i cui risultati dimostrano concordemente che l'ampiezza del segnale sonoro aumenta al diminuire della pressione ed all'aumentare della temperatura del liquido. Manca, d'altra parte, un approccio teorico al problema, che, oltre alla formulazione di un modello, ne richiederebbe la verifica sperimentale. In tal senso, nell'ipotesi che una bolla di vapore in fase di accrescimento possa essere trattata alla stregua di un corpo pulsante, è possibile riferire la potenza acustica emessa istante per istante al quadrato della derivata seconda del volume della bolla, la cui evoluzione può essere descritta per mezzo della ben nota relazione di Mikic et al. [10], o, meglio ancora, della più recente equazione sviluppata da Robinson e Judd [11], in grado di includere, oltre ai due regimi di crescita inerziale e termica, anche il primo regime dominato dalla tensione superficiale, estendendone la validità e migliorandone il grado di approssimazione.
Viceversa, per quanto concerne le condizioni di nucleazione, a fronte di un recente studio condotto da Bruno et al. [12] sul calcolo dell'energia critica richiesta per la formazione di una bolla di vapore in un liquido surriscaldato, non vi è univocità di posizione su come tale energia critica debba essere depositata nel liquido. In realtà, la maggior parte degli autori ritiene che la deposizione di energia debba avvenire in uno spazio estremamente ridotto, come originariamente postulato da Seitz [13] nel suo modello comunemente noto come "thermal spike", imponendo che lo "stopping power" dello ione in corso di frenamento, tipicamente calcolato per mezzo del pacchetto software SRIM sviluppato da Ziegler et al. [14], sia almeno pari al rapporto tra l'energia critica ed una lunghezza critica di nucleazione il cui valore è al momento fortemente dibattuto. A tal proposito, è possibile che l'ampia diversità di valori della lunghezza critica di nucleazione determinata dai diversi gruppi di ricerca attraverso il confronto dei risultati numerici con i dati sperimentali sia da ascrivere, tra l'altro, agli effetti della diversa distanza dello stato di equilibrio metastabile del liquido surriscaldato dal limite massimo spinodale, esprimibile per mezzo del parametro di surriscaldamento introdotto da d'Errico [15], di cui è possibile tenere conto nella formulazione di un nuovo modello di deposizione dell'energia.
Per quanto sopra illustrato, le potenzialità di realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte sono insite nell'innovatività dello studio proposto, sia in relazione alla possibilità di contribuire a colmare le lacune di conoscenza ad oggi esistenti sul comportamento di base dei liquidi metastabili, sia in relazione alla possibilità di costruire una nuova camera a bolle multi-funzione per applicazioni sia di tipo scientifico che di natura più prettamente ingegneristica.
Riferimenti bibliografici
[1] D. A. Glaser, D. C. Rahm, Phys. Rev. 97 (1955) 474-479.
[2] Yu. N. Martynyuk, N. S. Smirnova, Sov. Phys. Acoust. 37 (1991) 376-378.
[3] F. Aubin et al., New J. Phys. 10 (2008) 103017.
[4] M. Felizardo et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 589 (2008) 72-84.
[5] E. Behnke et al., Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 021303.
[6] P. K. Mondal, B. K. Chatterjee, Phys. Lett. A 375 (2011) 237-244.
[7] S. Archambault et al., New J. Phys. 13 (2011) 043006.
[8] C. Amole et al., Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 231302.
[9] R. Sarkar et al., Phys. Lett. A 381 (2017) 2531-2537.
[10] B. B. Mikic et al., Int. J. Heat Mass Transf. 13 (1970) 657-666.
[11] A. J. Robinson, R. L. Judd, Int. J. Heat Mass Transf. 47 (2004) 5101-5113.
[12] G. Bruno et al., Eur. Phys. J. C 79 (2019) 183.
[13] F. Seitz, Phys. Fluids 1 (1958) 2-13.
[14] J. F. Ziegler et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 268 (2010) 1818-1823.
[15] F. d'Errico, Rad. Prot. Dos. 84 (1999) 55-62.