Radiografia (RX)

Mediante le tecniche radiografiche, radioscopiche e gammagrafiche risulta possibile evidenziare un gran numero di discontinuità presenti in manufatti industriali, getti o saldature, quali ad esempio porosità, inclusioni, soffiature, cricche, tarli, inclusioni di scoria, mancanza di penetrazione.

Il principio di funzionamento di tali tecniche si basa sulle alterazioni che radiazioni elettromagnetiche subiscono quando incontrano un difetto nel loro percorso all'interno del materiale. Quando un fascio di onde elettromagnetiche di elevatissima energia fotonica (elevata frequenza) e fortemente ionizzanti (raggi X o raggi gamma), passa attraverso l'oggetto da esaminare, viene assorbito con legge esponenziale in funzione dello spessore e della densità della materia attraversata. I raggi X o  "gamma" passanti e variamente attenuati impressionano una lastra fotografica posta dietro l'oggetto da esaminare.

Lo sviluppo della pellicola produce un'immagine bidimensionale dell'oggetto radiografato. In questa immagine le variazioni di spessore, densità, composizione, del pezzo vengono visualizzate come variazioni di densità dell'immagine (in pratica variazioni in una scala di grigio). La valutazione viene eseguita per confronto della densità radiografica con le caratteristiche conosciute dell'oggetto stesso o con standard radiografici prodotti dallo stesso oggetto di qualità accettabile. Quindi gli elementi essenziali del controllo radiografico sono tre: la sorgente di radiazione, il pezzo da controllare e la lastra radiografica. L'immagine illustra tali elementi.
Rappresentazione del controllo radiograficoRappresentazione del controllo radiografico
Rappresentazione del controllo radiografico
Fattori geometrici in radiografia
Come detto una radiografia è una rappresentazione bidimensionale di un oggetto tridimensionale, ne consegue che l'immagine radiografica della maggior parte degli oggetti ne risulta distorta sia nelle dimensioni che nella forma.
Nella radiografia convenzionale la posizione di un difetto presente nel volume del pezzo non può essere determinata mediante una singola esposizione: la profondità nella direzione dei raggi non può essere determinata esattamente. A volte qualche indicazione può essere dedotta dalla definizione dell'immagine: immagini di difetti situati nella parte del pezzo posta in prossimità della pellicola risultano meglio definite delle immagini di difetti posizionati vicino alla superficie dal lato della sorgente.
Comunque esistono tecniche diverse, come la tomografia o la stereoradiografia o semplicemente l'esecuzione di due o più esposizioni, che permettono di ottenere informazioni più precise circa la localizzazione del difetto all'interno del volume del pezzo.

Tubo a raggi X
II tubo a raggi X classico consta di un'ampolla di vetro nella quale sono disposti sotto vuoto un elettrodo positivo (anodo), e un elettrodo negativo (catodo). II catodo consta di un filamento che, portato all'incandescenza da una corrente di alcuni ampere, emette elettroni. Sotto l'effetto della differenza di potenziale esistente tra l'anodo e il catodo (la tensione del tubo), gli elettroni catodici sono attratti verso l'anodo. Questa corrente di elettroni viene concentrata in un fascio mediante un "cilindro" o "cupola di concentrazione". L'anodo comprende una placchetta, detta anticatodo, avente un alto punto di fusione collocata all'interno dell'anodo stesso. I raggi X vengono generati quando gli elettroni accelerati emessi dal filamento caldo urtano l'anticatodo.

L'energia e il potere di penetrazione dei raggi X sono tanto più grandi quanto più alto è il numero atomico dell'elemento colpito e quanto più alta è la velocità degli elettroni che lo colpiscono. L'anticatodo è generalmente eseguito in tungsteno, sia perché il numero atomico di questo metallo è alto, sia perché possiede un punto di fusione elevato (3400°C ca.). E' indispensabile usare un metallo a punto di fusione elevato sia per la massiccia quantità di calore dissipata in concomitanza alla generazione dei raggi X, che per il bombardamento elettronico concentrato su un'area ridottissima. Solo una parte (0,1 % a 30 kV, 1 % a 200 kV, 40% da 30 a 40 MeV) dell'energia cinetica degli elettroni viene convertita in raggi X, mentre tutto il resto si trasforma in calore.
Schema di sorgente di raggi X - Tubo catodico
Flusso dei raggi X
Nella maggior parte degli apparecchi a raggi X il flusso viene misurato in base alla corrente di elettroni che attraversa il tubo, espressa in milliampere (mA). Di conseguenza, l'esposizione si misura in mA. min.
Radiografia (RX)
II punto focale
La superficie dell'anticatodo colpita dagli elettroni viene detta "punto focale" o "fuoco". E' importante che questa superficie sia sufficientemente grande per evitare il surriscaldamento locale che potrebbe deteriorare l'anticatodo e per pemettere una rapida dissipazione del calore. Ai fini della radiografia, tuttavia, il punto focale deve essere più piccolo possibile.
Per "carico locale" si intende il carico in watt a mm² sul punto focale (ad es. 200 W/mm²). E' possibile applicare un carico relativamente più elevato a un' area focale di piccole dimensioni che non ad una di grandi dimensioni, perché nei due casi il calore non viene dissipato dal centro allo stesso modo.

Sezione efficace del punto focale
La proiezione del punto focale su un piano perpendicolare all'asse del fascio di raggi X viene detta "sezione efficace del punto focale" o "sezione focale".
Per ottenere immagini radiografiche di massima nitidezza la sezione focale deve essere più piccola possibile. Quest'ultima è determinata da:
  • dimensioni del punto focale
  • valore dell'angolo a
E' importante segnalare che quando in radiografia si parla di "sezione focale" senza alcun'altra specificazione, si intende indicare generalmente la sezione efficace del punto focale.
Unità di misura
Dal 1978 I'ICUR (International Commission of Radiation Units and Measurements) raccomanda l'uso del sistema internazionale (SI) che comprende nuove unità di misura speciali per la quantità di radiazione - il becquerel, il gray e il sievert - ma il loro uso non sempre si è affermato nella pratica della radiografia industriale. La tabella  indica il rapporto esistente tra le nuove e le vecchie unità di misura.
Radioattività
Quando si usa una sostanza radioattiva come fonte di radiazione, l'attività di questa è uguale al numero di disintegrazioni radioattive al secondo. L'unità del SI è il becquerel (Bq): essa corrisponde a una disintegrazione al secondo. Il becquerel è troppo piccolo per essere utilizzato in radiografia industriale. L'unità di misura attualmente utilizzata è il curie (Ci) che corrisponde ad una quantità di radiazione 3,7 x 1010 volte più grande.
La potenza di una sorgente radioattiva viene quindi misurata in Ci, M Bq o GBq (1 gigabecquerel = 109 becquerel).

Dose di ionizzazione
La vecchia unità di misura della dose di radiazione ionizzante è il rontgen (R, mR). Questa unità di misura resta di uso corrente. Nel sistema SI la dose di radiazione è definita indiretta-mente dalla ionizzazione che la dose provocherebbe in un chilogrammo d'aria. L'unità SI è il coulomb per kilogrammo (C/kg) ; non ha denominazione specifica. La relazione si scrive

1R = 2,58 x 10-4C/kg  ovvero 1C/kg  corrisponde a circa a 4.000 R.

L'erogazione di un generatore di raggi X si esprime generalmente in R/min misurati ad un metro di distanza (questa espressione è talvolta abbreviata in Rmm) mentre è raramente espressa in unità di misura SI.

Dose di ionizzazione assorbita
L'energia di radiazione assorbita si esprime in joule al kilogrammo (J/kg). L'unità di misura SI è il gray (Gy). L'unità utilizzata in precedenza era il rad (radiation absorbed dose), che corrisponde a un assorbimento di energia di
Dose equivalente
Il sievert (Sv) è la nuova unità di misura che serve a determinare l'effetto biologico delle radiazioni ionizzanti sull'uomo. E' uguale al prodotto della dose di energia in gray (Gy) per un fattore determinato sperimentalmente e corrispondente all'effetto biologico relativo alla radiazione ionizzante. Nel caso delle radiazioni X, il fattore equivale a 1, per cui il Sv è uguale al gray.
SORGENTI RADIOATTIVE
Radiattività
La radioattività è la proprietà per cui alcuni corpi emettono spontaneamente raggi alfa, beta, gamma.
I raggi alfa beta consistono in un flusso di particelle dotate di carica elettrica; i raggi gamma sono di natura elettromagnetica. Fino al 1934 il solo tipo di radioattività conosciuto era quello naturale. Nel corso di quell'anno i fisici Joliot e Curie giunsero perla prima volta a produrre un corpo radioattivo artificiale. All'inizio le quantità prodotte erano insufficienti ai fini dell'applicazione industriale e servivano solo agli esperimenti di laboratorio (in biologia e medicina).
A partire dal 1947 si è giunti a produrre quantità considerevoli di isotopi radioattivi di alcuni elementi nel corso delle operazioni di fissione atomica realizzate nei reattori nucleari. Gli isotopi radioattivi artificiali emettono radiazioni gamma e sono idonei agli esami non distruttivi. Si tratta di sottoprodotti dell'industria atomica che al giorno d'oggi possono essere acquistati a un prezzo ragionevole.

Sorgenti radioattive naturali
Gli elementi di questa categoria utilizzabili in radiografia industriale sono il radio, il radon e il mesotorio. Essi emettono una radiazione molto dura, particolarmente idonea all'esame di oggetti spessi.
II radio presenta il vantaggio di possedere un tempo di dimezzamento molto lungo (1622 anni). L'inconveniente di queste sorgenti consiste nell'impossibilità di presentarle in dimensioni abbastanza piccole per ottenere intensità adeguate. Uno degli svantaggi del radon consiste nel tempo di dimezzamento molto breve (ca. 93 ore). II loro prezzo, inoltre, è molto elevato.
Attualmente, in radiografia industriale le sorgenti radioattive naturali non sono quasi più utilizzate. In alcuni paesi ne è vietato l'uso.

Sorgenti radioattive artificiali
I prodotti radioattivi artificiali si ottengono per fissione o per irraggiamento in un reattore nucleare. In questo modo si possono ottenere isotopi in quantità relativamente cospicua e con una purezza soddisfacente. Tra i fattori che ne determinano l'applicabilità all'esame non distruttivo dei materiali vi sono in particolare la qualità e l'intensità della radiazione emessa, il tempo di dimezzamento e l'attività specifica: di fatto, solo alcuni dei numerosi isotopi radioattivi artificiali si sono dimostrati adatti ai fini della radiografia industriale.

Tempo di dimezzamento di una sorgente radioattiva
Si dice tempo di dimezzamento di un elemento radioattivo l'intervallo di tempo al termine del quale l'intensità della radiazione emessa è ridotta a metà del suo valore iniziale. Ciascun elemento radioattivo è caratterizzato dal proprio tempo di dimezzamento.
E' cosí che l'iridio 192 ha un tempo di dimezzamento di 74 giorni, il cesio 137 di 30 anni, mentre il cobalto 60 di 5,3 anni e l'itterio 169 di 31 giorni.
Dopo due tempi di dimezzamento - ad esempio 148 giorni per l'iridio 192 - l'energia di un 1 Ci di iridio 192 sarà ridotta a 0,25 Ci, e dopo 3 tempi di dimezzamento sarà ridotta a quella di 125 mCi e così via.

Attività specifica
L'attività specifica di un corpo radioattivo è l'attività di un grammo di questo corpo espressa in becquerel (Bq) o in Ci/g.
Le dimensioni di una sorgente radioattiva sono determinate dalla sua attività specifica, per un determinato numero di becquerel.

Attività
L'attività di una sorgente radioattiva è data dal numero di atomi di questa sorgente che si disintegrano nell'unità di tempo. Questa attività è misurata in becquerel (Bq). Il becquerel è "la quantità di qualsiasi elemento radioattivo nella quale il numero di disintegrazioni al secondo è uguale a 1" (1 Bq = 1/s). L'uso della vecchia unità d'attività, il curie (Ci), è ancora molto diffuso.
Emissione specifica di raggi gamma
Una unità molto utile in radiografia è il flusso d'irraggiamento per curie misurato ad una distanza fissa. Per le sorgenti di radioisotopi si utilizza generalmente Rhm (rontgen per ora ad un metro), ma si utilizzano a volte anche emissioni specifiche di raggi gamma, o fattore K, a una distanza di 1 cm da una sorgente di 1 mCi.
La tabella indica gli isotopi radioattivi utilizzati di frequente in radiografia industriale. Gli elementi più comunemente utilizzati sono il cobalto 60 e l'iridio 192. In passato si sono utilizzati anche il tantalio 182 e il cesio 134.
Gli isotopi radioattivi Co-60, Ir-192, Cs-137 sono sorgenti altamente energetiche. L'isotopo radioattivo Yb-169 è una sorgente di bassa energia particolarmente adatta alla radiografia di oggetti sottili.
Tutte le sorgenti di raggi gamma sono sigillate dall' Ente per l'energia atomica del Paese fornitore. Queste sorgenti sigillate non possono essere manipolate senza precauzioni, in quanto la loro emissione di radiazione è permanente. Per trasportarle ed utilizzarle occorre incapsularle in un volume di materiale assorbente - il contenitore di conservazione o di esposizione - oppure manipolarle a distanza. Esistono contenitori di trasporto ed esposizione, che si aprono per lasciar passare un fascio controllato di raggi gamma, o che permettono di far passare la sorgente dal luogo di conservazione al punto di esposizione mediante un cavo Teleflex o altro dispositivo di manipolazione a distanza. II contenitore d'esposizione deve essere robusto e costruito in modo da presentare tutte le garanzie di sicurezza.
RAGGI GAMMA: VANTAGGI E SVANTAGGI

Vantaggi
I vantaggi che presentano i raggi gamma rispetto ai raggi X sono i seguenti:
  • Non richiedono né energia elettrica, né sistema di raffreddamento, pertanto sono molto facili da utilizzare.
  • La sorgente è disponibile in diversi diametri: si può dunque utilizzare una sorgente di diametro ridotto quando occorre una distanza tra la sorgente e la pellicola il più ridotta possibile, ad esempio all'interno di un tubo.
  • Alcuni isotopi radioattivi emettono radiazioni con un potere di penetrazione elevatissimo, permettendo cosí di ottenere radiografie soddisfacenti di pezzi di grande spessore.
Svantaggi
Gli inconvenienti dei raggi gamma sono i seguenti:
  • Per la maggior parte degli oggetti da esaminare gli isotopi radioattivi più frequentemente utilizzati (Co-60, Ir-192), rispetto ai raggi X danno immagini meno contrastate a causa dell'alta energia di irradiamento.
  • Ne risulta che le radiografie sono meno sensibili e più difficili da interpretare.
  • La sola sorgente di raggi gamma che permette di ottenere buone radiografie di oggetti sottili in acciaio è Yb-169, il cui periodo di dimezzamento è relativamente breve.
  • Non è possibile interrompere la radiazione emessa dalle sorgenti radioattive. Esse debbono quindi essere isolate. Per le sorgenti con radiazione molto penetrante e/o intensa, la corazza necessaria puó essere molto pesante.
  • L'irraggiamento delle sorgenti radioattive non puó essere regolato.
L'applicazione principale delle sorgenti a itterbio 169 è l'esame delle saldature circolari in tubi d'acciaio con piccolo diametro.
Utilizzando una sorgente di piccolo diametro (0,3 o 0,5 mm) che si introduce nell'asse di un tubo circondato all'esterno da una pellicola è possibile esaminare tutta una saldatura mediante una sola radiografia. Dato che le dimensioni della sorgente sono ridotte, è possibile ottenere un flou geometrico accettabile e dato che la distanza tra la sorgente e la pellicola è molto piccola (30 mm o meno), il tempo di posa è breve nonostante la bassa energia della sorgente. Dato che l'Itterbio 169 emette una radiazione di energia relativamente ridotta, lo si puó sistemare in contenitori di piccole dimensioni e di peso ridotto.
TECNICA RADIOGRAFICA
Nella maggior parte delle applicazioni nella radiografia industriale, si utilizza come supporto di rivelazione e registrazione la pellicola radiografica. In questo capitolo vengono passati in rassegna questi metodi.

Immagine radiante e immagine su pellicola
L'intensità di un fascio di raggi X o gamma si attenua localmente allorché attraversa un oggetto. Questa attenuazione risulta dall'assorbimento e dalla diffusione della radiazione a opera dello stesso pezzo esaminato. Il fascio che impressiona la pellicola, dopo aver attraversato il pezzo, determina zone di intensità differenti che globalmente costituiscono l'immagine radiante. Dopo il trattamento della pellicola queste variazioni di intensità si traducono in diverse densità fotografiche: una radiazione di grande intensità dà luogo sulla pellicola ad una zona di più grande densità. La qualità della radiografia puó essere notevolmente influenzata dalla radiazione diffusa. Per questo motivo è importante ridurre questo effetto al minimo.
Il pezzo assorbe parte del fascio primario di raggi X. Una parte della radiazione viene diffusa e puó raggiungere la pellicola in modo indiretto. La radiazione totale che raggiunge un determinato punto della pellicola è costituita in parte dalla radiazione primaria che forma l'immagine del difetto (detta radiazione diretta), la cui intensità è ID, ed in parte dalla radiazione diffusa, o indiretta, che non contribuisce alla formazione dell'immagine e la cui intensità è I. L'intensità totale della radiazione è (ID + IS), mentre il rapporto
è detto fattore di aumento di dose.
II fattore di aumento di dose riveste grande importanza per gli studi diretti a determinare la massima sensibilità radiografica in una data applicazione. Questo valore è generalmente compreso tra 2 e 20, a seconda dell'energia della radiazione e dello spessore del pezzo, mentre si riduce di molto con radiazioni di alta energia.
Va anche tenuto conto del fatto che tutti gli oggetti situati in prossimità del pezzo esaminato (tavolo, muri, pavimento e cosí via) colpiti dai raggi X o gamma riflettono parzialmente questi raggi sotto forma di radiazione diffusa suscettibile di velare la lastra. La radiazione diffusa dagli oggetti vicini puó essere rilevante rispetto alla radiazione trasmessa dal pezzo radiografato. La radiazione diffusa è meno penetrante della radiazione primaria da cui deriva. Prima di raggiungere la pellicola, i raggi diffusi possono essere intercettati mediante un filtro metallico. I raggi diffusi provenienti dagli oggetti situati dietro la lastra possono essere intercettati da un foglio protettivo di piombo. E' per questa ragione che il dorso delle cassette portalastre è spesso munito di un foglio di piombo.
LA PELLICOLA RADIOGRAFICA
L'utilizzazione di una pellicola radiografica richiede conoscenze adeguate di sensitometria. La sensitometria è la scienza che ha per oggetto lo studio delle proprietà fotografiche delle pellicole nonché dei metodi che permettono di misurarle.
Il rapporto tra la densità fotografica sulla pellicola (dopo uno sviluppo effettuato in condizioni accuratamente definite) e il tempo di esposizione con cui essa è stata realizzata è rappresentato da una curva detta "curva caratteristica".
Radiografia (RX)
Struttura della pellicola radiografica
La figura schematizza la sezione di una pellicola radiografica
La pellicola radiografica è composta da sette strati:

un supporto in triacetato di cellulosa o in poliestere (d)
su ambo le facce del supporto si trovano:
uno strato di gelatina indurita che protegge l'emulsione (a);
uno strato di emulsione (b) composta essenzialmente da cristalli di alogenuro d'argento sospesi in gelatina;
uno strato sottilissimo, detto substrato, (c) che assicura l'aderenza tra lo strato dell'emulsione e il supporto.

La pellicola radiografica normale ha quindi due strati di emulsione che danno una maggiore sensibilità e immagini più contrastate.

Immagine latente
Quando la luce o i raggi X colpiscono uno strato fotosensibile, le zone di quest'ultimo che ricevono una quantità sufficiente di radiazione subiscono un cambiamento dovuto alla conversione delle finissime particelle dei cristalli di alogenuro d'argento in argento metallico. Queste tracce d'argento sono cosí esigue che a occhio nudo lo strato fotosensibile rimane immutato.
La formazione di queste particelle d'argento è più o meno elevata a seconda della quantità di radiazione che ha colpito i diversi punti della pellicola. Al termine dell'esposizione, nello strato fotosensibile si è formata un'immagine completa, ma sempre invisibile. E' questa l'immagine latente.
LO SVILUPPO
Lo sviluppo è il trattamento che permette di trasformare l'immagine latente in immagine visibile. Si ottiene questo risultato riducendo selettivamente in argento nero i cristalli dell'emulsione contenente le tracce d'argento che compongono l'immagine latente. Esistono diversi prodotti chimici in grado di ridurre gli alogenuri d'argento in argento metallico. Questi pro-dotti sono detti "sviluppatori".
I rivelatori sono soluzioni acquose che, oltre agli sviluppatori, contengono altre sostanze aventi ciascuna una funzione determinata. Tutti i rivelatori normali contengono i seguenti componenti:

Sviluppatore
Lo sviluppatore trasforma in argento metallico i cristalli di alogenuro d'argento impressionati. Ogni sviluppatore ha caratteristiche proprie. Il risultato è determinato dalla natura dello sviluppatore, ma dipende anche dalla natura e dalla qualità degli altri componenti del rive-latore. Si utilizza generalmente una combinazione di sviluppatori: metol-idrochinone, fenidone-idrochinone.
I prodotti chimici più diffusi
- Metol
- Idrochinone
- Fenidone
- Glicina
- Pirocatechina
- Amidolo
- Parafenilendiamina

Agente acceleratore
Si tratta di una sostanza a reazione alcalina che aumenta la velocità dello sviluppo.
- Carbonato di sodio
- Carbonato di potassio Borace
- Soda caustica
- Potassio caustico

Agente conservatore
Questa sostanza protegge lo sviluppatore dall'ossidazione e impedisce la formazione di prodotti d'ossidazione colorati all'atto della preparazione e dell'utilizzo del rivelatore. Il solfito di sodio (l'agente conservatore) ha reazione alcalina. Di conseguenza, alcuni rivelatori non debbono essere completati da altra sostanza a reazione alcalina (accelerante).
Solfito di sodio

Agente antivelo (ritardante)
Anche se in misura esigua, il rivelatore agisce anche sui cristalli d'alogenuro d'argento non esposti. Ne risulta una velatura grigia detta velo di sviluppo. Grazie all'azione del ritardante il velo si forma molto meno rapidamente dell'immagine fotografica, in modo che la densità del velo non sia di disturbo.
Bromuro di potassio

Densità fotografica
Osservando in trasparenza un'immagine fotografica su pellicola, si può notare che essa è composta da zone di diversa intensità luminosa a seconda della densità locale dello strato di emulsione.
Si dice densità fotografica (D) il logaritmo in base 10 del rapporto tra la luce incidente e la luce trasmessa dalla pellicola:
Accreditamenti Aster Accredia Accredia Accredia Tuv Nord Nadcap Crit
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