Raggi X - Dimeca

dimeca.unica.it

Raggi X - Dimeca

Il Metodo Radiografico (RT) La radiografia è la tecnica che consente di ottenere immaginidel contenuto di un solido mediante impressione di un elementosensibile (pellicola, schermo, ecc.) da parte di radiazioniionizzanti quali raggi X o raggi γ. Il meccanismo di formazione dell’immagine è legato aldifferente assorbimento delle radiazioni nel pezzo in funzionedella variazione di spessore, dei diversi costituenti chimici, didisuniformità nella densità, della presenza di difetti o di eventualifenomeni di scatteringL’informazione ottenibile da un singolo controllo radiografico èbidimensionale e, come tale, deve essere integrata con altreradiografie o con altri metodi volumetrici affinché la discontinuitàpossa essere completamente caratterizzata


Lo spettro elettromagnetico


Lo spettro elettromagnetico


Radiazioni ionizzantiLe radiazioni si classificano in:Ionizzanti: quando le onde elettromagnetiche (o i fotoni) possiedonoenergia sufficiente a produrre ioni nella materia (raggi X, raggi gamma)Non Ionizzanti: radiazioni che non possiedono energia sufficiente arimuovere elettroni fortemente legati al nucleo dalle loro orbite (microonde,luce visibile)L’unità di misura che si impiega per descrivere l’energia di una radiazione èl’elettronVolt (eV)1 eV rappresenta l’ammontare di energia guadagnata da un elettrone cheattraversa una differenza di potenziale pari a 1 Volt1eV= 1,602⋅10−19J


Tipi di di radiazioni ionizzantiαSi tratta di una particella emesse dal nucleo di un atomo che contiene dueneutroni e due protoni (in pratica un nucleo di un atomo di He senzaelettroni)βParticelle ad alta velocità, identiche agli elettroni, emesse dal nucleo di unatomoγOnde elettromagnetiche (o fotoni) emessi dal nucleo di un atomoRaggi XOnde elettromagnetiche (o fotoni) non emesse dal nucleo, ma dovute acambiamenti nell’energia degli elettroni


Proprietà dei Raggi X e γ• possono penetrare nella materia;• sono assorbiti in maniera differenziale;• si propagano in linea retta;• producono degli effetti fotochimici sulle emulsionifotografiche;• ionizzano il gas attraversato;• non sono deviati da campi elettrici e magnetici;• la loro velocità di propagazione è uguale a quella della luce;• possono liberare elettroni per effetto fotoelettrico;• provocano la fluorescenza di alcune sostanze


Produzione dei raggi XLe radiazioni X si producono ogniqualvolta una sostanza èbombardata da elettroni ad alta velocitàIn pratica i raggi X si ottengono da processi di conversionedell’energia quando1. Elettroni ad alta velocità sono bruscamente deceleratiquando passano interagiscono con “atomi bersaglio”(Bremsstrahlung, Radiazione di frenamento)2. Elettroni incidenti espellono elettroni delle orbite interne diatomi bersaglio (Radiazione caratteristica)


Produzione dei raggi XI raggi X presentano uno spettro misto costituito da due parti:• uno spettro continuo, determinato dalla variazione continua di energia, dovutaalla diminuzione di velocità che gli elettroni subiscono nell’attraversare il bersagliometallico• uno spettro a bande (discontinuo), o spettro caratteristico, determinato dalrilascio di energia da parte degli elettroni urtati del bersaglio che ritornanosull’orbita originaria. Ad ogni riga corrisponde un preciso livello di energiaassociato al salto dell’ orbita.Lo spettro caratteristico dipende dalmateriale del bersaglio ed è importantesottolineare che la sua energia è piccola seconfrontata con quella dello spettrocontinuo. In figura è riportato lo spettro nelcaso di anticatodo in tungsteno.I=K⋅V2


Breve storia della Radiografia 1895W.C. Roentgen osserva la fluorescenza in alcuni cristalli dispostiin prossimità di un tubo catodico 1913Coolidge realizza il primo tubo sottovuoto che consente diraggiungere energie dell’ordine dei 100 kV 1931L’ASME accetta il metodo radiografico quale strumento dicontrollo dei recipienti in pressione.


Principi fisici del metodoSupponiamo di avere un filo di materiale conduttore e di renderlo incandescente (pereffetto Joule) mediante il passaggio di una opportuna corrente.Gli elettroni eccitati dall’ apporto di energia riescono a staccarsi dall’atomo e afuoriuscire dal conduttore. Se poniamo ad una certa distanza dal filo una piastrina dimetallo caricata positivamente gli elettroni fuoriusciti dal conduttore verranno attratti ecadranno sulla piastrina con una velocità, e quindi con un energia, direttamenteproporzionale alla differenza di potenziale esistente tra conduttore e piastrina.In altre parole maggiore è la differenza di potenziale più alta è l’energia deglielettroni.Quando un elettrone arriva sulla piastrina può urtare contro un elettrone di un atomodel materiale oppure non urta altri elettroni, ma viene deviato passando nelle vicinanzedi un atomo.In entrambi i casi, la maggior parte dell’energia liberata viene emessa sotto forma diradiazione nell’intervallo dell’infrarosso come calore, mentre una piccola parte sottoforma di onde elettromagnetiche a lunghezza d’onda ridotta e frequenza elevatachiamate appunto raggi X


Principi fisici del metodo1. Il tubo è un’ampolla di vetro nella quale è praticatoil vuoto spinto (la pressione interna è dell’ordine dei10 -2 MPa) e che contiene due elettrodiAnodo di TungstenoFascio di elettroniIl catodo, o elettrodo negativo, è costituito da unfilamento di tungsteno avvolto a spirale (sorgente dielettroni) e da una cupola di concentrazione (schermofocalizzante)All’estremità opposta si trova l’ anodo (elettrodopositivo) che è realizzato usualmente con unaplacchetta di tungsteno. Questa rappresenta ilbersaglio metallico2. Il filamento di tungsteno, riscaldato finoall’incandescenza da una corrente di debole intensitàalimentata da un piccolo trasformatore, emette unfascio di elettroni che viene focalizzato dalla cupola diconcentrazione verso l’anodo.Braccio anodicoRaggi XCatodoBraccio catodico3 Gli elettroni liberati dal filamento sono successivamente attrattiverso il bersaglio e l’emissione dei raggi X è dovutaall’interazione tra gli elettroni (i cosiddetti raggi catodici) con gliatomi dell’anodo4 Il passaggio verso l’esterno del tubo è assicurato da “finestre”metalliche realizzate con sottili fogli di berillio od alluminio


Il Tubo di Coolidge


Energia della radiazioneLo spettro continuo dei raggi X può essere modificato attraverso due parametrifondamentali: la corrente con la quale viene prodotto il fascio elettronico per effetto termoionico la tensione di alimentazione imposta tra catodo e anodo che determina l’accelerazionedegli elettroni.Aumentare la corrente del filamento provoca un aumento della emissione dielettroni dal filamento stesso e quindi un aumento di intensità della radiazioneprodotta che non ha influenza sull’energia della stessa.Aumentare la tensione del tubo significa aumentare la differenza di potenzialeesistente tra catodo e anodo, e quindi agire sul campo elettrico che spinge glielettroni sull’anodo. Ciò si traduce in un aumento dell’energia della radiazioneX prodotta.


Energia della radiazioneLa figura mostra la curva di intensità per quantoriguarda lo spettro continuo dei raggi X. La curva (a) è stata ottenuta con bassa correntementre la (b) è ottenuta con una corrente piùelevata mantenendo costante la tensione dialimentazione. Il punto di intersezione di ciascuna curva conl’asse delle lunghezze d’onda è chiamato “limiteinferiore di lunghezza d’onda” (λmin), questovalore è completamente determinato dalla tensionedi alimentazione del tubo. Aumentando la corrente del tubo radiogeno siha l’effetto di aumentare l’intensità massima deiraggi X ma non la loro energia, la quale èinversamente proporzionale alla lunghezzad’onda. L’intensità massima si ha infatti per lo stessovalore della lunghezza d’onda λmax, e il limiteinferiore di lunghezza d’onda è rimasto invariato.


Energia della radiazioneQuindi, per aumentare l’energia dei raggi X,e quindi la loro capacità di penetrare lamateria, è necessario aumentare la tensionedi alimentazione tra catodo e anodo, cioè latensione del tubo. In figura è mostrato comevaria l’emissione in funzione della tensione dialimentazione.All’aumentare della tensione dialimentazione da 50 a 200 kV si riduce illimite inferiore di lunghezza d’onda ed ancheil valore di λ per cui si ha la massimaintensità di radiazioni.I raggi X di lunghezza d’onda minima sonoprodotti dagli elettroni aventi velocitàmassima o massima energia.


I Raggi γI raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche emesse dalla disintegrazione di un isotopo radioattivo Dal punto di vista dell’impiego radiologico, le sorgenti γ più impiegate sono il Cobalto (Co-60),l’Iridio (Ir-192), il Cesio (Cs-173), l’itterbio e il tulio. A seconda della sostanza impiegata, si possono testare spessori di materiale estremamentevariabili; per esempio le radiazioni originate dal cobalto possono penetrare una lastra di acciaio dispessore oltre 200 mm.I principali vantaggi dell’impiego di sorgenti a raggi γ sono:• ridotte dimensioni della sorgente, che è compatta e facile da trasportare• elevata penetrazione delle radiazioni se comparata con le sorgenti a raggi X di uso industriale,• prezzo relativamente basso rispetto ad alcune apparecchiature a raggi X,• non è necessaria alcuna sorgente di elettricità,•radiazione monocromatica• il contrasto abbastanza tenue dell’immagine permette ad un grande dominio di spessori di materiale diessere radiografati in una sola esposizione e sulla stessa pellicola.Svantaggi derivanti dall’impiego di sorgenti a raggi γ:• Impossibilità di controllare i parametri di emissione (on/off)• Immagini poco contrastate• Significativi problemi di sicurezza


Schema della Procedura RadiograficaDalla sorgente ha origine un fascio diradiazione divergente che attraversa ilprovino, ne viene differentemente assorbito(in funzione delle sue caratteristiche fisicochimiche)e finisce per impressionare unapellicola sensibile, uno schermofluorescente, un convertitore fotonico(scintillatore).L’immagine che si ottiene (in scala di grigi)deve essere successivamente interpretataper valutare la presenza di discontinuitàche producono livelli diversi di densitàdell’immagine in funzione delle lorocaratteristiche.


Schema della Procedura Radiografica La relazione esistente tra la direzione del fascioincidente e le caratteristiche geometriche dellediscontinuità rappresenta un fattore estremamentecritico ai fini della caratterizzazione radiografica di uncomponente È possibile osservare come difettositàapparentemente simili nella tipologia (cricche orientateperpendicolarmente tra loro) sono rappresentate daimmagini estremamente diverse tra loro; infatti ladiscontinuità orientate parallelamente alla direzione dipropagazione del fascio appaiono nettamente piùdistinguibili rispetto a quelle orientateperpendicolarmente Il fenomeno grazie al quale i raggi X produconoun’immagine variamente contrastata è quellodell’attenuazione, che avviene a seguito di fenomeni discattering e di assorbimento


Importanza del contrasto nell’immagineRaggi X 150 kVRaggi γ Ir-192


Fattori critici per l’esame radiograficoEsame visivo preliminare dell’oggetto.È importante analizzare ad occhio nudo l’oggetto da testare per deciderel’orientamento della direzione di indagine sia sulla base della possibile collocazione deidifetti all’interno del componente, e sia in relazione agli spessori che devono essereattraversati dal fascio.Energia dei raggi XL’energia dei raggi X deve essere selezionata considerando la composizionedell’oggetto, la lunghezza del percorso che il fascio deve attraversare e le eventualiproblematiche legate alla dispersione dei raggi.Registrazione dell’immagineL’immagine può essere osservata su uno schermo controllato in remoto o su pellicola inunione con opportuni schermi luminosi.Interpretazione delle radiografieIl risultato finale di una radiografia è una proiezione che non offre alcuna informazionerelativamente alla profondità dei difetti nel pezzo.


Assorbimento e Scattering nella MateriaEffetto ComptonEffetto FotoelettricoL’assorbimento fotoelettrico avviene quando un fotone dei raggi X dibassa energia (≈ 0,5 MeV) collidendo con un atomo trasferisce tutta lasua energia ad un elettrone e, se tale energia raggiunge un certo livello disoglia, l’elettrone è espulso e liberato dalla forza di attrazione del nucleo.Questo fenomeno avviene per basse energie del fotone (il quale vienecompletamente assorbito) e per elevati livelli di numero atomicodell’atomo.L’effetto Compton, noto anche come “scattering incoerente”, avvienequando un fotone con energia superiore alla soglia necessaria allaliberazione di un elettrone, collide con un atomo; della sua energia, parteviene usata per espellere un elettrone dell’orbitale più esterno, e parteprosegue sotto forma di fotone avente però energia inferiore e direzionedi propagazione diversa rispetto al fotone incidente.Produzione di coppieLa produzione di coppie si verifica quando un fotone ad elevata energia(superiore a 1,2 MeV) collidendo con un atomo viene completamenteassorbito e al suo posto si formano un elettrone ed un positrone. Ilpositrone ha una vita brevissima; esso svanisce con la formazione di duefotoni aventi energia pari a 0,5 MeV ciascuno.


Leggi di attenuazioneSi può dimostrare che un fascio omogeneo di raggi X di intensità I 0, nell’attraversare unspessore di materiale ∆x, subisce un’attenuazione di intensità ∆I, che è proporzionaleall’intensità del fascio incidente e allo spessore del materialeΔI= −μ∗ I ∗ ΔxI=I0∗ e( −μ∗x) Questa relazione esprime la legge fondamentale sull’assorbimento di un fascio omogeneo diraggi X o raggi gamma. La costante di proporzionalità μ è definita coefficiente di assorbimento lineare e si esprime incm -1 . Questo parametro esprime, in sostanza, la frazione di energia assorbita per cm di materialeattraversato, ed il suo valore numerico dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione incidentee dal tipo di materiale attraversato.


Assorbimento e ScatteringIl coefficiente di assorbimento che è misurato dal rivelatore risulta essere composto da dueparti: un termine legato all’assorbimento vero e proprio e un termine causato dalla dispersione.L’assorbimento vero e proprio è caratterizzato dalla scomparsa di un quanto di energia e dal trasferimentodi essa agli elettroni del materiale attraversatoLa radiazione dispersa è, invece, caratterizzata da una variazione di direzione rispetto al fascio incidente, eda un’energia minoreLo scattering (dispersione) è il fenomeno in seguito al quale una parte raggi emergenti dalcorpo assorbente (dopo averlo attraversato) seguono delle direzioni diverse rispetto al fascioincidente. Questa radiazione è definita anche radiazione diffusa.Durante l’esposizione ai raggi X o γ, la pellicola radiografica è colpita dalla frazione di radiazioniche hanno attraversato il pezzo in esame (che non sono state assorbite) e dalla radiazione discattering.A seconda dello spessore del materiale, dei difetti presenti o della presenza di eventuali inclusionidi materiale a diverso coefficiente di assorbimento, le radiazioni subiscono un differente livello diattenuazione e, quando infine vanno ad incidere sulla pellicola, la impressionano in manieradifferenziata con diverse densità di annerimento.


Registrazione delle Immagini I raggi X e quelli γ possono essere rilevati impiegando una varietà dimezzi quali pellicola fotografica, camere a ionizzazione, scintillatori,contatori geiger, etc. In realtà, nella pratica industriale, la pellicolaradiografica è di gran lunga il sistema più impiegato Nel metodo fotografico, la radiazione X modifica le caratteristichedell’emulsione fotografica allo stesso modo in cui la luce nelle lunghezzed’onda del visibile rende possibile la realizzazione di fotografie. Le pellicole per radiografie a raggi X sono formate da una base dimateriale trasparente (acetato di cellulosa) uniformemente rivestita sui duelati con un’emulsione gelatinosa di bromuro d’argento. Il bromurod’argento si trova sotto forma di piccoli cristalli ed è disposto uniformementeall’interno della gelatina. Lo spessore di ciascuno strato è circa 0,025 mm.


Registrazione delle Immagini Quando i raggi X o γ incidono sull’emulsione, ha luogo una reazionechimica nei cristalli del bromuro d’argento con una energia che èproporzionale all’intensità della radiazione incidente e al tempo diesposizione Il risultato di tali modificazioni chimiche è latente sulla pellicola e,affinché possa essere osservato, è necessario trattare la stessa con unasoluzione chimica chiamata rivelatore Il rivelatore ha un’azione riduttrice nei confronti del bromuro d’argento,che consiste nel prelevare il bromuro dai cristalli esposti del bromurod’argento, e depositare atomi di argento nero sulla gelatina. Laconcentrazione dell’argento metallico nero, per unità di superficiedell’emulsione, dipende dal tempo di esposizione e dunque, in definitiva, èil fattore che determina la densità della pellicola.


Registrazione delle ImmaginiImpressionedella pellicolaRivelatore(sviluppo)Metolo-idrochinoneArresto(Acido Acetico)Fissatore(Iposolfito di sodio)LavaggioEssiccatura


Le pellicole Per le radiografie vengono utilizzatidiversi tipi di pellicole che differiscono perla loro velocità (rapidità di esposizione,ISO), il contrasto e la dimensione dei grani. Nonostante la differenza di qualità tra leradiazioni delle sorgenti a raggi X e lesorgenti a raggi gamma, per entrambi icasi si impiegano gli stessi tipi di pellicole. Ciascun tipo di pellicola è caratterizzatoda una curva densitometrica cherappresenta graficamente il grado diannerimento ottenibile al variaredell’esposizione cui la pellicola è soggetta.


I Densitometri Il densitometro è lo strumento atto allamisura della densità della pellicola che aiuta iltecnico a stabilire se i limiti di densità sonorispettati I densitometri ottici prendono anche il nomedi “strisce densitometriche” e si compongono divarie bande di grigio corrispondenti a densitànote: la densità incognita della pellicola vienedeterminata per confronto visivo diretto con le variebande. Questo metodo consente stime di densitàsufficientemente precise anche se, ovviamente,occorre tenere presente i limiti dell’apparatovisivo umano.


La formazione dell’immagine radiografica L’intensità dei raggi X decresce con ilquadrato della distanza come accade, del resto,per tutti gli altri tipi di onde elettromagnetiche Il fascio emesso (divergente) investe idifferenti piani che lo intersecanoperpendicolarmente secondo aree didimensione progressivamente crescente nellequali l’intensità rilevata in un singolo puntodiminuisce Questa legge è valida solo se la dimensionedella sorgente è piccola confrontata con ladistanza sorgente-oggetto (nella maggior partedelle applicazioni pratiche > 50 mm)


La penombra geometrica La penombra (unsharpness), si definiscecome l’incapacità di riprodurre fedelmente ibordi di un dato oggetto. Lo stesso termine viene anche usato perindicare la distanza minima che può essererisolta da un dato sistema radiografico. La penombra dipende dalle dimensioni dellamacchia focale, e dalle distanze sorgenteoggettoe oggetto-pellicolaPenombraU g=F∗dD


La penombra geometricaCasi particolari: Pellicola e oggetto a contatto (d=0): la penombra è trascurabile Distanza tra pellicola e oggetto molto grande: si ha ingrandimento


Contrasto e definizione Il contrasto può essere definito come la differenza di densità che siregistra nella pellicola, in seguito all’esistenza di una variazione di spessoreo di densità del pezzo radiografato. Questo parametro risulta essereparticolarmente critico ai fini della bontà del controllo radiografico, infatti undifetto può essere individuato nell’immagine radiografica proprio a causa delcontrasto tra la densità della sua immagine e la densità del materialecircostante. Più questa differenza è rilevante più facile diventa rintracciare ildifetto all’interno del pezzo. Mentre per “contrasto” si intende la differenza di densità tra due zonecontigue della radiografia, con il termine “definizione” radiografica si esprimela rapidità con la quale avviene tale passaggio. Ottenere un’elevatadefinizione vuol dire, in sostanza, poter distinguere in modo nitido i bordi delpezzo o i contorni di eventuali discontinuità mentre, quando la definizione èscarsa, l’immagine appare velata e poco leggibile.


Sensibilità La sensibilità radiografica esprime convenzionalmente la minimadifferenza di spessore del materiale in esame che è possibile rilevaresull’immagine finale, valutata nella direzione del fascio primario. Insostanza, questo parametro ha un diretto riscontro nella nitidezza con la qualela radiografia è capace di evidenziare le discontinuità nel pezzo radiografato. La valutazione pratica della sensibilità radiografica viene effettuatamediante l’impiego dei cosiddetti “penetrametri” o “Indicatori della Qualitàdell’Immagine” (IQI), che commercialmente sono realizzati secondo tipologiedifferenti con materiali che possono essere omogenei rispetto al pezzo datestare o radiologicamente simili.


Qualità dell’Immagine


Gli Indicatori di Qualità dell’Immagine La tipologia più diffusa è quella degli IQIa fili, che sono costituiti da una serie di settefili (Fe-Al-Cu-Ti etc.) di diametro diverso, infunzione delle caratteristiche del test daeseguire, pressati su un supporto di plastica(vedi figura, diametri da 0.25 a 0.81 mm) La sensibilità radiografica (percentuale) ècalcolata come rapporto tra il diametro delfilo più sottile visibile sulla radiografia e lospessore del pezzo radiografato. Questo tipo di penetrametro viene postogeneralmente a cavallo della zona diinteresse che deve essere radiografata.


Gli Indicatori di Qualità dell’Immagine Un altro tipo di penetrametro moltoutilizzato è quello “a fori” che èsostanzialmente realizzato da una piastrinadi spessore “T” (che rappresenta una certapercentuale dello spessore del pezzo daradiografare) sulla quale si eseguono tre foridi diametro T, 2T, 4T. In questo caso la sensibilità si valuta sullabase del diametro del foro che risulta piùvisibile sull’immagine radiografica.


Gli Indicatori di Qualità dell’Immagine Quando viene fatta una radiografia i penetrametri apiastra forata sono generalmente posti sulla superficierivolta alla sorgente di radiazioni in prossimità dellaregione che deve essere radiografata. Se ciò dovesserisultare difficoltoso (o addirittura impossibile) ipenetrametri possono essere posti sulla pellicola. Se il profilo del penetrametro è visibile sullaradiografia e lo spessore del penetrametro è, peresempio, il 2% dello spessore del provino, la sensibilitàradiografica è almeno del 2%. L’immagine dei fori o dei fili fornisce un’indicazionesulla chiarezza con la quale un difetto sarà visibile sullaradiografia Il penetrametro può essere pensato come un difettoartificiale di cui siano note a priori tutte le caratteristichequantitative e qualitative.


Alcuni esempi


Alcuni esempi


Alcuni esempi


Alcuni esempi


Alcuni esempi

More magazines by this user
Similar magazines