Raggi X: applicazioni non sanitarie

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1 Raggi X: applicazioni non sanitarie I raggi X sono un importante sorgente di radiazioni ionizzanti utilizzata a scopo diagnostico. Nell immaginario collettivo questa tipologia riveste solo un importanza sanitaria, ma in ambito aziendale le applicazioni sono anche legate al controllo non distruttivo di alcuni materiali, in particolare metallici, come tubazioni nelle operazioni di saldatura ed imballaggi di prodotti alimentari. Altre applicazioni più consuete sono i controlli nei tribunali ed aeroporti (borse, bagagli, ecc.). Questo contributo affronta i temi più generali dell applicazione, rimandando al prossimo il tema della radioprotezione e la sicurezza degli operatori. A cura della Redazione di Wolters Kluwer Italia Scoperta e applicazioni La scoperta, casuale da parte di un fisico tedesco (Wilhelm Conrad Röntgen) nel novembre 1895, ha aperto nuove frontiere nella diagnostica, innanzitutto in ambito sanitario. Famosa è l immagine della radiografia fatta alla mano della moglie riportata, a titolo culturale ed informativo, in Figura 1 in cui è presentata anche la semplice attrezzatura utilizzata. Figura 1 La prima radiografia L esperienza fatta da Röntgen diede un notevole impulso all applicazione di queste radiazioni, che presentavano le seguenti caratteristiche: 1

2 erano in grado di attraversare i corpi opachi alla luce; potevano determinare la comparsa di una debole luce blu-verde (un fenomeno denominato fluorescenza ) in alcuni minerali contenenti sali di zinco, platino ed altri metalli pesanti; potevano impressionare le lastre fotografiche. Combinando la capacità di attraversare i corpi opachi alla luce e quella di impressionare le lastre fotografiche, Röntgen ha avuto la geniale intuizione di provare a vedere che cosa sarebbe successo, qualora tra la sorgente dei raggi X 1 ed una lastra fotografica si interponesse un oggetto. Grazie a questa sperimentazione sono stati quasi subito impiegati per quello che poi sarebbe diventato il loro principale campo di applicazione, ossia la diagnostica (come detto, non solo in campo medico, anche se nelle fasi iniziale è stato il principale utilizzo). Caratteristiche e produzione I raggi X appartengono alla categoria delle radiazioni ionizzanti, cioè quelle che per la quantità di energia trasportata determinano la ionizzazione di atomi e molecole contenuti nella materia, comprendendo quella biologica rappresentata da cellule e tessuti. Si tratta di radiazioni elettromagnetiche aventi le caratteristiche fisiche riportate di seguito; in particolare si devono considerare la lunghezza d onda (λ) compresa tra 10 e 0,01 nm (nanometri), la frequenza pari a 3 x x Hz (herz) e l energia posseduta pari a 0,1 100 kev (kiloelettronvolt). Esse sono prodotte da apparecchiature nelle quali particelle elettricamente cariche (elettroni) subiscono variazioni di velocità, cioè vengono accelerate o frenate. La schematizzazione della produzione dei raggi X e dell attrezzatura necessaria a produrle è riportata in Figura 2. Figura 2 Schema della produzione dei raggi X 1 Il nome che è stato dato è legato all impossibilità di conoscerne effettivamente la natura, ai tempi sconosciuta. 2

3 Il tubo a raggi X è costituito da un involucro di vetro, in cui è creato il vuoto spinto, contenente due elettrodi uno di fronte all altro denominati catodo (elettrodo negativo con uno o due filamenti di tungsteno) e anodo (elettrodo positivo costituto di solito di molibdeno o tungsteno). Nell ampolla di vetro viene creato il vuoto perché gli elettroni possano muoversi dal catodo all anodo senza incontrare resistenze lungo la traiettoria. Il tubo normalmente viene alimentato da una tensione continua e gli elettroni che raggiungono l anodo hanno diverse energie a seconda del voltaggio applicato tra anodo e catodo. La funzione del filamento riscaldato dal passaggio di una corrente è quella di produrre elettroni per effetto termoelettronico, che sono poi accelerati dal voltaggio applicato tra catodo e anodo. La funzione dell anodo è quella di costituire un bersaglio contro il quale avviene l impatto degli elettroni che provoca l emissione di raggi X. Solo l 1% dell energia contenuta dal fascio elettronico che bombarda l anodo si converte in raggi X (quindi il processo ha una bassa efficienza), mentre per il restante 99% viene dissipata come calore, che provoca il riscaldamento dell anodo. La scelta di detto materiale viene fatta tra quegli elementi che hanno peso atomico più elevato ed elevato punto di fusione. Per questo motivo è maggiormente utilizzato il tungsteno. La radiazione è emessa secondo due principali modalità: frenamento (bremsstrahlung) e caratteristica. Il frenamento è legato alla riduzione di velocità che subisce l elettrone dalla migrazione dal catodo all anodo. Il fenomeno della radiazione caratteristica si verifica quando l elettrone proveniente dal catodo colpisce un elettrone degli orbitali più interni espellendolo. L orbitale, a questo punto, viene occupato da un elettrone dell orbitale più esterno che per questo cede la sua energia sotto forma di un raggio X. Questo fenomeno viene detto radiazione caratteristica perché i picchi di raggi X prodotti sono tipici dell elemento utilizzato per l anodo. Questo aspetto può essere determinante per la resa del processo. Gli impieghi Il campo più noto di utilizzo dei raggi X è la radiologia diagnostica per immagini. La più conosciuta è quella medica 2 applicata a sistemi diagnostici per l identificazione di patologie, valutare programmi di cura, assistenza e supporto ad interventi chirurgici, ecc. Altri sistemi diagnostici non medici che necessitano del loro utilizzo in condizioni operative di sicurezza: è il caso del controllo non distruttivo di alcuni oggetti anche di grandi dimensioni. L analisi è possibile in quanto tali oggetti assorbono in parte le radiazioni (e quindi lasciano passare il restante) impressionando sulle lastre fotografiche la morfologia e la diversità della struttura (densità), evidenziate da aree chiare e scure e con diverse tonalità di grigio (vedere Figura 3). L interpretazione delle immagini ottenute effettuata da operatori esperti che conoscono il materiale, il pezzo da analizzare, ecc., consente di verificare l integrità ovvero la presenza di difetti strutturali. Ciò con una notevole riduzione dei costi. Ovviamente è necessario disporre delle attrezzature (alcune delle quali portatili), che effettuano l analisi, ovvero si deve ricorrere a ditte specializzate in questa attività in assenza di esse. 2 Che si è particolarmente evoluta nel corso degli anni, aumentando i campi di azione, le tecnologie ma anche migliorando la sicurezza e l esposizione dei lavoratori e contestualmente dei pazienti, diminuendo la radiazione emessa ed assorbita nonché i tempi di trattamento. 3

4 Figura 3 Radiografie e controlli non distruttivi in ambito industriale Altro utilizzo molto noto è quello nelle aree di accesso a tribunali ed aeroporti. In questo caso i tunnel a raggi X connessi a nastri trasportatori consentono di osservare a video gli oggetti stivati in borse, valige, ecc. al fine di tutelare la sicurezza pubblica (Figura 4). Attrezzature similari, più compatte, sono impiegate nel settore agroalimentare per il controllo degli imballaggi dei prodotti conservati, in particolare delle saldature metalliche (Figura 5). Nel tempo, l ispezione radiografica, Figura 4 Attrezzature per il controllo radiografico di valige e borse in base al tipo di apparecchio e alle caratteristiche del prodotto alimentare, ha potuto identificare una varietà di contaminanti fisici, tra cui metallo, vetro, gomme, pietre ed anche alcuni tipi di plastica. Dato che fornisce immagini non invasive, l utilizzo dell ispezione radiografica è particolarmente diffuso per i prodotti impacchettati e per cibi elaborati; in particolare viene utilizzato per bottiglie, lattine, barattoli e sacchetti. Grazie alla tecnologia più avanzata, i raggi X vengono utilizzati per il controllo e la verifica durante la produzione degli alimenti. Un importante ricerca ha evidenziato il potenziale dell ispezione con il sistema radiografico per la classificazione di frutta, verdura, cereali e per l individuazione di ossa nel pollo e nel pesce. Alcuni sistemi di avanzati di ispezione a raggi X possono effettuare contemporaneamente dei controlli di qualità sulla linea di produzione rilevando dei difetti fisici, misurando la massa, contando i componenti, identificando i prodotti rotti o mancanti, monitorando i 4

5 livelli di riempimento, controllando l integrità del sigillo della confezione. Pertanto i sistemi di ispezione che utilizzano i raggi X contribuiscono a ridurre i costi di ispezione per molte industrie alimentari. I raggi X hanno altre utilizzazioni soprattutto nelle ricerche analitiche come la spettrofotometria, l analisi della fluorescenza, ecc. senza che rivestano un pericolo per gli operatori, essendo i raggi opportunamente compartimentati e schermati. Di queste applicazioni pertanto non ci si interesserà ai fini della sicurezza degli operatori e della radioprotezione esaminata nel prossimo contributo. Figura 5 Attrezzature per il controllo radiografico di imballaggi alimentari Fonte: 5