Il Metodo Radiografico (RT)
9 La radiografia è la tecnica che consente di ottenere immagini
del contenuto di un solido mediante impressione di un elemento
sensibile (pellicola, schermo, ecc.) da parte di radiazioni
ionizzanti quali raggi X o raggi γ.
9 Il meccanismo di formazione dell’immagine è legato al
differente assorbimento delle radiazioni nel pezzo in funzione
della variazione di spessore, dei diversi costituenti chimici, di
disuniformità nella densità, della presenza di difetti o di eventuali
fenomeni di scattering
9L’informazione ottenibile da un singolo controllo radiografico è
bidimensionale e, come tale, deve essere integrata con altre
radiografie o con altri metodi volumetrici affinché la discontinuità
possa essere completamente caratterizzata
Le radiazioni elettromagnetiche
Radiazione
Energia emessa da una sorgente che si propaga nello spazio:
a) sotto forma di onde elettromagnetiche continue
b) in pacchetti discreti di energia chiamati fotoni
Esempi di radiazione:
Luce visibile, onde radio, microonde, calore, raggi X
Tutti i tipi di radiazione vanno a costituire, nel loro insieme il
cosiddetto spettro elettromagnetico, del quale la luce visibile
costituisce una piccola porzione
Lo spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico
Radiazioni ionizzanti
Le radiazioni si classificano in:
Ionizzanti: quando le onde elettromagnetiche (o i fotoni) possiedono
energia sufficiente a produrre ioni nella materia (raggi X, raggi gamma)
Non Ionizzanti: radiazioni che non possiedono energia sufficiente a
rimuovere 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 è
l’elettronVolt (eV)
1 eV rappresenta l’ammontare di energia guadagnata da un elettrone che
attraversa una differenza di potenziale pari a 1 Volt
1eV = 1,602 ⋅10 −19 J
Tipi di di radiazioni ionizzanti
α
Si tratta di una particella emesse dal nucleo di un atomo che contiene due
neutroni e due protoni (in pratica un nucleo di un atomo di He senza
elettroni)
β
Particelle ad alta velocità, identiche agli elettroni, emesse dal nucleo di un
atomo
γ
Onde elettromagnetiche (o fotoni) emessi dal nucleo di un atomo
Raggi X
Onde elettromagnetiche (o fotoni) non emesse dal nucleo, ma dovute a
cambiamenti 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
emulsioni
fotografiche;
• 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 X
Le radiazioni X si producono ogniqualvolta una sostanza è
bombardata da elettroni ad alta velocità
In pratica i raggi X si ottengono da processi di conversione
dell’energia quando
1. Elettroni ad alta velocità sono bruscamente decelerati
quando passano interagiscono con “atomi bersaglio”
(Bremsstrahlung, Radiazione di frenamento)
2. Elettroni incidenti espellono elettroni delle orbite interne di
atomi bersaglio (Radiazione caratteristica)
Produzione dei raggi X
I raggi X presentano uno spettro misto costituito da due parti:
• uno spettro continuo, determinato dalla variazione continua di energia, dovuta
alla diminuzione di velocità che gli elettroni subiscono nell’attraversare il bersaglio
metallico
• uno spettro a bande (discontinuo), o spettro caratteristico, determinato dal
rilascio di energia da parte degli elettroni urtati del bersaglio che ritornano
sull’orbita originaria. Ad ogni riga corrisponde un preciso livello di energia
associato al salto dell’ orbita.
Lo spettro caratteristico dipende dal
materiale del bersaglio ed è importante
sottolineare che la sua energia è piccola se
confrontata con quella dello spettro
continuo. In figura è riportato lo spettro nel
caso di anticatodo in tungsteno.
I = K ⋅V
2
Breve storia della Radiografia
9 1895
W.C. Roentgen osserva la fluorescenza in alcuni cristalli disposti
in prossimità di un tubo catodico
9 1913
Coolidge realizza il primo tubo sottovuoto che consente di
raggiungere energie dell’ordine dei 100 kV
9 1931
L’ASME accetta il metodo radiografico quale strumento di
controllo dei recipienti in pressione.
Principi fisici del metodo
Supponiamo di avere un filo di materiale conduttore e di renderlo incandescente (per
effetto Joule) mediante il passaggio di una opportuna corrente.
Gli elettroni eccitati dall’ apporto di energia riescono a staccarsi dall’atomo e a
fuoriuscire dal conduttore. Se poniamo ad una certa distanza dal filo una piastrina di
metallo caricata positivamente gli elettroni fuoriusciti dal conduttore verranno attratti e
cadranno sulla piastrina con una velocità, e quindi con un energia, direttamente
proporzionale alla differenza di potenziale esistente tra conduttore e piastrina.
In altre parole maggiore è la differenza di potenziale più alta è l’energia degli
elettroni.
Quando un elettrone arriva sulla piastrina può urtare contro un elettrone di un atomo
del materiale oppure non urta altri elettroni, ma viene deviato passando nelle vicinanze
di un atomo.
In entrambi i casi, la maggior parte dell’energia liberata viene emessa sotto forma di
radiazione nell’intervallo dell’infrarosso come calore, mentre una piccola parte sotto
forma di onde elettromagnetiche a lunghezza d’onda ridotta e frequenza elevata
chiamate appunto raggi X
Principi fisici del metodo
1. Il tubo è un’ampolla di vetro nella quale è praticato
il vuoto spinto (la pressione interna è dell’ordine dei
10-2 MPa) e che contiene due elettrodi
Il catodo, o elettrodo negativo, è costituito da un
filamento di tungsteno avvolto a spirale (sorgente di
elettroni) e da una cupola di concentrazione (schermo
focalizzante)
All’estremità opposta si trova l’ anodo (elettrodo
positivo) che è realizzato usualmente con una
placchetta di tungsteno. Questa rappresenta il
bersaglio metallico
2. Il filamento di tungsteno, riscaldato fino
all’incandescenza da una corrente di debole intensità
alimentata da un piccolo trasformatore, emette un
fascio di elettroni che viene focalizzato dalla cupola di
concentrazione verso l’anodo.
Anodo di Tungsteno
Fascio di elettroni
Catodo
Braccio catodico
Braccio anodico
Raggi X
3 Gli elettroni liberati dal filamento sono successivamente attratti
verso il bersaglio e l’emissione dei raggi X è dovuta
all’interazione tra gli elettroni (i cosiddetti raggi catodici) con gli
atomi dell’anodo
4 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 radiazione
Lo spettro continuo dei raggi X può essere modificato attraverso due parametri
fondamentali:
9 la corrente con la quale viene prodotto il fascio elettronico per effetto termoionico
9 la tensione di alimentazione imposta tra catodo e anodo che determina l’accelerazione
degli elettroni.
Aumentare la corrente del filamento provoca un aumento della emissione di
elettroni dal filamento stesso e quindi un aumento di intensità della radiazione
prodotta che non ha influenza sull’energia della stessa.
Aumentare la tensione del tubo significa aumentare la differenza di potenziale
esistente tra catodo e anodo, e quindi agire sul campo elettrico che spinge gli
elettroni sull’anodo. Ciò si traduce in un aumento dell’energia della radiazione
X prodotta.
Energia della radiazione
La figura mostra la curva di intensità per quanto
riguarda lo spettro continuo dei raggi X.
9 La curva (a) è stata ottenuta con bassa corrente
mentre la (b) è ottenuta con una corrente più
elevata mantenendo costante la tensione di
alimentazione.
9 Il punto di intersezione di ciascuna curva con
l’asse delle lunghezze d’onda è chiamato “limite
inferiore di lunghezza d’onda” (λmin), questo
valore è completamente determinato dalla tensione
di alimentazione del tubo.
9 Aumentando la corrente del tubo radiogeno si
ha l’effetto di aumentare l’intensità massima dei
raggi X ma non la loro energia, la quale è
inversamente proporzionale alla lunghezza
d’onda.
9 L’intensità massima si ha infatti per lo stesso
valore della lunghezza d’onda λmax, e il limite
inferiore di lunghezza d’onda è rimasto invariato.
Energia della radiazione
Quindi, per aumentare l’energia dei raggi X,
e quindi la loro capacità di penetrare la
materia, è necessario aumentare la tensione
di alimentazione tra catodo e anodo, cioè la
tensione del tubo. In figura è mostrato come
varia l’emissione in funzione della tensione di
alimentazione.
All’aumentare
della
tensione
di
alimentazione da 50 a 200 kV si riduce il
limite inferiore di lunghezza d’onda ed anche
il valore di λ per cui si ha la massima
intensità di radiazioni.
I raggi X di lunghezza d’onda minima sono
prodotti dagli elettroni aventi velocità
massima o massima energia.
I Raggi γ
I raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche emesse dalla disintegrazione di un isotopo radioattivo
9 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.
9 A seconda della sostanza impiegata, si possono testare spessori di materiale estremamente
variabili; per esempio le radiazioni originate dal cobalto possono penetrare una lastra di acciaio di
spessore 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 di
essere 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 Radiografica
Dalla sorgente ha origine un fascio di
radiazione divergente che attraversa il
provino, ne viene differentemente assorbito
(in funzione delle sue caratteristiche fisicochimiche) e finisce per impressionare una
pellicola
sensibile,
uno
schermo
fluorescente, un convertitore fotonico
(scintillatore).
L’immagine che si ottiene (in scala di grigi)
deve essere successivamente interpretata
per valutare la presenza di discontinuità
che producono livelli diversi di densità
dell’immagine in funzione delle loro
caratteristiche.
Schema della Procedura Radiografica
9 La relazione esistente tra la direzione del fascio
incidente e le caratteristiche geometriche delle
discontinuità rappresenta un fattore estremamente
critico ai fini della caratterizzazione radiografica di un
componente
9 È
possibile
osservare
come
difettosità
apparentemente simili nella tipologia (cricche orientate
perpendicolarmente tra loro) sono rappresentate da
immagini estremamente diverse tra loro; infatti la
discontinuità orientate parallelamente alla direzione di
propagazione del fascio appaiono nettamente più
distinguibili
rispetto
a
quelle
orientate
perpendicolarmente
9 Il fenomeno grazie al quale i raggi X producono
un’immagine variamente contrastata è quello
dell’attenuazione, che avviene a seguito di fenomeni di
scattering e di assorbimento
Importanza del contrasto nell’immagine
Raggi X 150 kV
Raggi γ Ir-192
Fattori critici per l’esame radiografico
Esame visivo preliminare dell’oggetto.
È importante analizzare ad occhio nudo l’oggetto da testare per decidere
l’orientamento della direzione di indagine sia sulla base della possibile collocazione dei
difetti all’interno del componente, e sia in relazione agli spessori che devono essere
attraversati dal fascio.
Energia dei raggi X
L’energia dei raggi X deve essere selezionata considerando la composizione
dell’oggetto, la lunghezza del percorso che il fascio deve attraversare e le eventuali
problematiche legate alla dispersione dei raggi.
Registrazione dell’immagine
L’immagine può essere osservata su uno schermo controllato in remoto o su pellicola in
unione con opportuni schermi luminosi.
Interpretazione delle radiografie
Il risultato finale di una radiografia è una proiezione che non offre alcuna informazione
relativamente alla profondità dei difetti nel pezzo.
Assorbimento e Scattering nella Materia
Effetto Fotoelettrico
L’assorbimento fotoelettrico avviene quando un fotone dei raggi X di
bassa energia (≈ 0,5 MeV) collidendo con un atomo trasferisce tutta la
sua energia ad un elettrone e, se tale energia raggiunge un certo livello di
soglia, l’elettrone è espulso e liberato dalla forza di attrazione del nucleo.
Questo fenomeno avviene per basse energie del fotone (il quale viene
completamente assorbito) e per elevati livelli di numero atomico
dell’atomo.
Effetto Compton
L’effetto Compton, noto anche come “scattering incoerente”, avviene
quando un fotone con energia superiore alla soglia necessaria alla
liberazione di un elettrone, collide con un atomo; della sua energia, parte
viene usata per espellere un elettrone dell’orbitale più esterno, e parte
prosegue sotto forma di fotone avente però energia inferiore e direzione
di propagazione diversa rispetto al fotone incidente.
Produzione di coppie
La produzione di coppie si verifica quando un fotone ad elevata energia
(superiore a 1,2 MeV) collidendo con un atomo viene completamente
assorbito e al suo posto si formano un elettrone ed un positrone. Il
positrone ha una vita brevissima; esso svanisce con la formazione di due
fotoni aventi energia pari a 0,5 MeV ciascuno.
Leggi di attenuazione
Si può dimostrare che un fascio omogeneo di raggi X di intensità I0, nell’attraversare un
spessore di materiale ∆x, subisce un’attenuazione di intensità ∆I, che è proporzionale
all’intensità del fascio incidente e allo spessore del materiale
ΔI = − μ ∗ I ∗ Δx
I = I 0 ∗ e ( − μ∗x )
9 Questa relazione esprime la legge fondamentale sull’assorbimento di un fascio omogeneo di
raggi X o raggi gamma.
9 La costante di proporzionalità μ è definita coefficiente di assorbimento lineare e si esprime in
cm-1.
9 Questo parametro esprime, in sostanza, la frazione di energia assorbita per cm di materiale
attraversato, ed il suo valore numerico dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente
e dal tipo di materiale attraversato.
Assorbimento e Scattering
Il coefficiente di assorbimento che è misurato dal rivelatore risulta essere composto da due
parti: 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 trasferimento
di essa agli elettroni del materiale attraversato
La radiazione dispersa è, invece, caratterizzata da una variazione di direzione rispetto al fascio incidente, e
da un’energia minore
Lo scattering (dispersione) è il fenomeno in seguito al quale una parte raggi emergenti dal
corpo assorbente (dopo averlo attraversato) seguono delle direzioni diverse rispetto al fascio
incidente. Questa radiazione è definita anche radiazione diffusa.
Durante l’esposizione ai raggi X o γ, la pellicola radiografica è colpita dalla frazione di radiazioni
che hanno attraversato il pezzo in esame (che non sono state assorbite) e dalla radiazione di
scattering.
A seconda dello spessore del materiale, dei difetti presenti o della presenza di eventuali inclusioni
di materiale a diverso coefficiente di assorbimento, le radiazioni subiscono un differente livello di
attenuazione e, quando infine vanno ad incidere sulla pellicola, la impressionano in maniera
differenziata con diverse densità di annerimento.
Registrazione delle Immagini
9 I raggi X e quelli γ possono essere rilevati impiegando una varietà di
mezzi quali pellicola fotografica, camere a ionizzazione, scintillatori,
contatori geiger, etc. In realtà, nella pratica industriale, la pellicola
radiografica è di gran lunga il sistema più impiegato
9 Nel metodo fotografico, la radiazione X modifica le caratteristiche
dell’emulsione fotografica allo stesso modo in cui la luce nelle lunghezze
d’onda del visibile rende possibile la realizzazione di fotografie.
9 Le pellicole per radiografie a raggi X sono formate da una base di
materiale trasparente (acetato di cellulosa) uniformemente rivestita sui due
lati con un’emulsione gelatinosa di bromuro d’argento. Il bromuro
d’argento si trova sotto forma di piccoli cristalli ed è disposto uniformemente
all’interno della gelatina. Lo spessore di ciascuno strato è circa 0,025 mm.
Registrazione delle Immagini
9 Quando i raggi X o γ incidono sull’emulsione, ha luogo una reazione
chimica nei cristalli del bromuro d’argento con una energia che è
proporzionale all’intensità della radiazione incidente e al tempo di
esposizione
9 Il risultato di tali modificazioni chimiche è latente sulla pellicola e,
affinché possa essere osservato, è necessario trattare la stessa con una
soluzione chimica chiamata rivelatore
9 Il rivelatore ha un’azione riduttrice nei confronti del bromuro d’argento,
che consiste nel prelevare il bromuro dai cristalli esposti del bromuro
d’argento, e depositare atomi di argento nero sulla gelatina. La
concentrazione dell’argento metallico nero, per unità di superficie
dell’emulsione, dipende dal tempo di esposizione e dunque, in definitiva, è
il fattore che determina la densità della pellicola.
Registrazione delle Immagini
Impressione
della pellicola
Rivelatore
(sviluppo)
Metolo-idrochinone
Arresto
(Acido Acetico)
Fissatore
(Iposolfito di sodio)
Lavaggio
Essiccatura
Le pellicole
9 Per le radiografie vengono utilizzati
diversi tipi di pellicole che differiscono per
la loro velocità (rapidità di esposizione,
ISO), il contrasto e la dimensione dei grani.
9 Nonostante la differenza di qualità tra le
radiazioni delle sorgenti a raggi X e le
sorgenti a raggi gamma, per entrambi i
casi si impiegano gli stessi tipi di pellicole.
9 Ciascun tipo di pellicola è caratterizzato
da una curva densitometrica che
rappresenta graficamente il grado di
annerimento
ottenibile
al
variare
dell’esposizione cui la pellicola è soggetta.
I Densitometri
9 Il densitometro è lo strumento atto alla
misura della densità della pellicola che aiuta il
tecnico a stabilire se i limiti di densità sono
rispettati
9 I densitometri ottici prendono anche il nome
di “strisce densitometriche” e si compongono di
varie bande di grigio corrispondenti a densità
note: la densità incognita della pellicola viene
determinata per confronto visivo diretto con le varie
bande.
9 Questo metodo consente stime di densità
sufficientemente precise anche se, ovviamente,
occorre tenere presente i limiti dell’apparato
visivo umano.
La formazione dell’immagine radiografica
9 L’intensità dei raggi X decresce con il
quadrato della distanza come accade, del resto,
per tutti gli altri tipi di onde elettromagnetiche
9 Il fascio emesso (divergente) investe i
differenti
piani
che
lo
intersecano
perpendicolarmente secondo aree
di
dimensione progressivamente crescente nelle
quali l’intensità rilevata in un singolo punto
diminuisce
9 Questa legge è valida solo se la dimensione
della sorgente è piccola confrontata con la
distanza sorgente-oggetto (nella maggior parte
delle applicazioni pratiche > 50 mm)
La penombra geometrica
9 La penombra (unsharpness), si definisce
come l’incapacità di riprodurre fedelmente i
bordi di un dato oggetto.
9 Lo stesso termine viene anche usato per
indicare la distanza minima che può essere
risolta da un dato sistema radiografico.
9 La penombra dipende dalle dimensioni della
macchia focale, e dalle distanze sorgenteoggetto e oggetto-pellicola
Penombra
d
Ug = F ∗
D
La penombra geometrica
Casi particolari:
9 Pellicola e oggetto a contatto (d=0): la penombra è trascurabile
9 Distanza tra pellicola e oggetto molto grande: si ha ingrandimento
Contrasto e definizione
9 Il contrasto può essere definito come la differenza di densità che si
registra nella pellicola, in seguito all’esistenza di una variazione di spessore
o di densità del pezzo radiografato. Questo parametro risulta essere
particolarmente critico ai fini della bontà del controllo radiografico, infatti un
difetto può essere individuato nell’immagine radiografica proprio a causa del
contrasto tra la densità della sua immagine e la densità del materiale
circostante. Più questa differenza è rilevante più facile diventa rintracciare il
difetto all’interno del pezzo.
9 Mentre per “contrasto” si intende la differenza di densità tra due zone
contigue della radiografia, con il termine “definizione” radiografica si esprime
la rapidità con la quale avviene tale passaggio. Ottenere un’elevata
definizione vuol dire, in sostanza, poter distinguere in modo nitido i bordi del
pezzo o i contorni di eventuali discontinuità mentre, quando la definizione è
scarsa, l’immagine appare velata e poco leggibile.
Sensibilità
9 La sensibilità radiografica esprime convenzionalmente la minima
differenza di spessore del materiale in esame che è possibile rilevare
sull’immagine finale, valutata nella direzione del fascio primario. In
sostanza, questo parametro ha un diretto riscontro nella nitidezza con la quale
la radiografia è capace di evidenziare le discontinuità nel pezzo radiografato.
9 La valutazione pratica della sensibilità radiografica viene effettuata
mediante l’impiego dei cosiddetti “penetrametri” o “Indicatori della Qualità
dell’Immagine” (IQI), che commercialmente sono realizzati secondo tipologie
differenti con materiali che possono essere omogenei rispetto al pezzo da
testare o radiologicamente simili.
Qualità dell’Immagine
Gli Indicatori di Qualità dell’Immagine
9 La tipologia più diffusa è quella degli IQI
a fili, che sono costituiti da una serie di sette
fili (Fe-Al-Cu-Ti etc.) di diametro diverso, in
funzione delle caratteristiche del test da
eseguire, pressati su un supporto di plastica
(vedi figura, diametri da 0.25 a 0.81 mm)
9 La sensibilità radiografica (percentuale) è
calcolata come rapporto tra il diametro del
filo più sottile visibile sulla radiografia e lo
spessore del pezzo radiografato.
9 Questo tipo di penetrametro viene posto
generalmente a cavallo della zona di
interesse che deve essere radiografata.
Gli Indicatori di Qualità dell’Immagine
9 Un altro tipo di penetrametro molto
utilizzato è quello “a fori” che è
sostanzialmente realizzato da una piastrina
di spessore “T” (che rappresenta una certa
percentuale dello spessore del pezzo da
radiografare) sulla quale si eseguono tre fori
di diametro T, 2T, 4T.
9 In questo caso la sensibilità si valuta sulla
base del diametro del foro che risulta più
visibile sull’immagine radiografica.
Gli Indicatori di Qualità dell’Immagine
9 Quando viene fatta una radiografia i penetrametri a
piastra forata sono generalmente posti sulla superficie
rivolta alla sorgente di radiazioni in prossimità della
regione che deve essere radiografata. Se ciò dovesse
risultare difficoltoso (o addirittura impossibile) i
penetrametri possono essere posti sulla pellicola.
9 Se il profilo del penetrametro è visibile sulla
radiografia e lo spessore del penetrametro è, per
esempio, il 2% dello spessore del provino, la sensibilità
radiografica è almeno del 2%.
9 L’immagine dei fori o dei fili fornisce un’indicazione
sulla chiarezza con la quale un difetto sarà visibile sulla
radiografia
9 Il penetrametro può essere pensato come un difetto
artificiale di cui siano note a priori tutte le caratteristiche
quantitative e qualitative.
Alcuni esempi
Alcuni esempi
Alcuni esempi
Alcuni esempi
Alcuni esempi