Colonna di distillazione

Lo Xenon usato per studiare la materia oscura deve essere il più possibile privo di contaminanti, come Radon e Krypton. Per eliminarli si effettua la distillazione cioè evaporazioni e condensazioni successive. Nella colonna di distillazione lo Xenon, il Krypton e il Radon hanno una diversa propensione a essere liquidi o gassosi in funzione di pressione e temperatura. Per eliminare i contaminanti si agisce su di esse estraendo Krypton gassoso dall’alto della colonna e Radon liquido dal basso.

Perché la distillazione dello xenon

Uno degli esperimenti che studiano la materia oscura in corso (ottobre 2018; XENON1T) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN utilizza come materiale in cui rivelarne il passaggio grandi quantità di xenon (vedi Materia Oscura tra le schede Materia oscura). Questo elemento, però, contiene naturalmente tracce di radon e di kripton, due elementi radioattivi che interferiscono con le misure. Infatti, il loro naturale decadimento verso forme più stabili provoca il rilascio di particelle che possono mascherare le interazioni di materia oscura ricercate. Per eliminare questi due contaminanti si utilizza una colonna di distillazione: un apparato in cui si sfrutta la loro diversa pressione di vapore. Si tratta di una proprietà fisica caratteristica di ogni elemento, che ne indica la volatilità, cioè una misura della probabilità dell’elemento di passare dalla fase liquida alla fase gassosa, a una data temperatura e pressione. In un contenitore chiuso con un elemento in fase liquida e in fase gassosa all’equilibrio termodinamico, in un certo intervallo di tempo ci sarà una quantità di molecole che passa dallo stato liquido a quello gassoso e una quantità uguale di molecole che fa il passaggio di fase inverso. Se è presente una miscela di più elementi con diversa volatilità sì può sfruttare proprio il passaggio di fase per separarli. Questo è il principio di un qualsiasi processo di distillazione.

La sottrazione del krypton

Il kripton ha una volatilità circa dieci volte maggiore di quella dello xenon, perciò quando le fasi liquido/gas dello xenon sono in equilibrio, il kripton sarà in media dieci volte più propenso a evaporare. Dopo un certo tempo la maggior parte del kripton si sarà trasferito alla fase gassosa della miscela, lasciando quella liquida più pura. All’interno della colonna di distillazione si inducono diversi cicli di questi cambiamenti di fase per ridurre gradualmente la concentrazione di kripton fino ai livelli desiderati (Fig. 1). Lo xenon è pompato nella colonna a una temperatura e pressione tali che parte di esso si inserisce in un flusso gassoso diretto verso l’alto e parte cola verso il basso in fase liquida. Sul fondo della colonna è presente una tanica da 8 litri in cui si raccoglie il liquido e che è riscaldata per mantenere il liquido in ebollizione; sulla sommità della colonna si trova invece un condensatore. Tarando opportunamente temperatura e pressione all’interno della colonna, il bollitore e il condensatore fanno sì che vi sia un flusso continuo di gas diretto verso l’alto e di liquido diretto verso il basso. Partendo dal basso, la miscela di xenon e kripton evapora e il gas risultante si condensa su di un apposito piatto sovrastante (Fig. 1). Poiché il kripton evapora più facilmente dello xenon, il gas che arriva sul piatto, e che qui condensa, conterrà in proporzione più kripton rispetto a quanto non ne contenga il liquido della tanica di partenza. Ripetendo questa procedura di evaporazione e condensazione per circa dieci volte, il gas arriva in cima alla torre con un’alta concentrazione di kripton. Qui parte di questo gas viene espulso e parte finisce nel condensatore che lo ritrasforma in liquido, permettendone la discesa verso la tanica nel fondo, dalla quale poi ricomincerà un nuovo ciclo di purificazione. Dopo aver completato vari cicli di eliminazione del kripton, lo xenon purificato è raccolto sul fondo della tanica e pompato verso il rivelatore. Con questa procedura si riesce a diminuire la presenza di kripton di circa 500 mila volte, raggiungendo la purezza desiderata.

La sottrazione del radon

La quantità di radon presente nello xenon viene ridotta sfruttando lo stesso principio chimico-fisico usato per il kripton. Questa volta è lo xenon a essere circa dieci volte più volatile del radon. I passaggi sono dunque gli stessi, ma ad ogni fase di evaporazione e condensazione a salire è xenon via via più puro, poiché il radon evapora di meno e rimane quindi più concentrato nella fase liquida. Perciò alla fine di un ciclo lo xenon con alta concentrazione di radon è raccolto in fase liquida sul fondo, mentre quello gassoso più puro è fatto fuoriuscire da un tubo in prossimità del condensatore, in cima alla colonna (Fig. 2). In questo modo non vi è alcuna perdita di xenon e la concentrazione del radon diminuisce di circa il 20%.