RADIOGRAFIA CON RAGGI X O GAMMA
Il principio di funzionamento di tale tecnica si basa sulla variazione di alterazione che radiazioni elettromagnetiche subiscono quando incontrano un difetto nel loro percorso all'interno del materiale. Quando un fascio di onde elettromagnetiche fortemente penetranti, cioè di elevatissima energia fotonica (elevata frequenza) e fortemente ionizzanti (raggi X o raggi gamma), passa attraverso l'oggetto da esaminare, viene assorbito, ovvero attenuato, 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. Dopo lo sviluppo fotografico la lastra annerirà nelle varie zone, più o meno intensamente in funzione della dose di radiazione ricevuta.
Pertanto, se nell'oggetto esaminato esistono difetti quali cavità, fessure, grosse inclusioni meno assorbenti della matrice o discontinuità del materiale più denso e quindi più assorbente, sulla lastra si formeranno macchie più scure o più chiare, d'intensità proporzionale allo spessore del difetto, il quale apparirà delimitato dalla sua proiezione prospettica. Nel caso di radioscopie in continuo, lo schermo si illuminerà più o meno inten-samente a seconda della dose di radiazione ricevuta, dunque darà la stessa immagine, ma in positivo rispetto alla radiografia.
L'apparecchiatura necessaria per la radiografia industriale e assai complessa e costosa. Essa comprende la sorgente e l'apparato di rivelazione. La sorgente di radiazioni X o gamma è assai diversa. I raggi X sono generati artificialmente bombardando con elettroni ad alta energia, provenienti da un filamento incandescente, un disco-bersaglio di tungsteno contenuto in particolari tubi catodici che emettono, soltanto quando si applica tensione agli elettrodi, la radiazione di frequenza desiderata in funzione della composizione del catodo e d'intensità regolabile entro certi limiti.
Si può parlare dunque di lampada a raggi X, perché l'emissione cessa proprio come la luce di una lampadina elettrica quando si apre il circuito. I raggi gamma sono emessi naturalmente e conti-nuamente da isotopi radioattivi come l'IRIDIO 192 o il COBALTO 60 per decadimento del nu-cleo, secondo precise leggi fisiche [1]. La radiazione gamma possiede una definita lunghezza d'onda a seconda del tipo di isotopo, ed intensità proporzionale alla quantità e tipo di isotopo contenuto nella pastiglia che costituisce la sorgente. Quest'ultima deve essere sempre chiusa in un recipiente altamente schermato (generalmente piombo), che attenui a bassissimi valori la radiazione dispersa.
Una configurazione che si utilizza è la "TANGENTIAL RADIOGRAPHY", adatta alla misurazione dello spessore delle pareti delle tubature [2]. Con tale configurazione si può misurare lo spessore t misurando la distanza t1 nel tubo, prevedendo che il film sia applicato piatto e non adattato alla curvatura della tubazione. Si può inoltre valutare la corrosione isolata o distribuita spazialmente.
La scelta dell'una o dell'altra radiazione dipende dallo spessore del materiale da testare. Rispetto ai raggi X la gammografia è caratterizzata da minore costo e maggiore semplicità e trasportabilità delle apparecchiature. La radiografia industriale con i raggi gamma degli isotopi radioattivi si esegue nello stesso modo che con i raggi X, sostituendo il tubo generatore con capsule contenenti il radioisotopo. La gammografia è per forti spessori e per luoghi inaccessibili agli apparecchi a raggi X. La qualità radiografica ottenuta con i radioisotopi è inferiore a quella ottenuta con i raggi X [3]. Applicazioni di tale tecnica sono molteplici, come quelle importanti dell'esame delle costruzioni saldate. Inoltre i raggi X, insieme ai gamma, hanno lo scopo di stabilire i criteri di giudizio sul grado di difettività, specialmente nelle saldature.
Dal grado di difettività si risale all'accettabilità e quindi alla sicurezza delle strutture poste in esame. Si arriva, quindi, tramite tale tecnica, a stabilire delle classi di accettabilità di difetti riferite a diversi tipi di costruzioni:
1. caldaie e recipienti in pressione;
2. giunti circonferenziali di tubature in pressione;
3. costruzione di carpenterie metalliche;
4. costruzioni navali e di condotte forzate.
Inoltre di fondamentale importanza è la misurazione dello spessore delle pareti di tubi isolati nell'industria chimica e petrolifera. E' questo un campo in cui la radiografia domina sulle altre tecniche, per esempio quella ad ultrasuoni che, oltre ad essere disturbata nella sua accuratezza dalle alte temperature dei tubi, necessita della rimozione dell'isolamento per essere applicata.
VANTAGGI E SVANTAGGI
Tali tecniche radiografiche sono caratterizzate al tempo stesso da vantaggi e svantaggi. Anzitutto hanno il pregio di fornire una documentazione diretta, duratura, obiettiva e dimensionale del pezzo esaminato: la rappresentazione diretta consiste nel segnalare la discontinuità con la sua forma reale, corrispondente alla sua proiezione sul piano della pellicola; essa si contrappone alla rappresentazione indiretta che consiste nel segnalare la discontinuità in modo convenzionale (ad esempio gli echi degli ultrasuoni). Il carattere duraturo del segnale radiografico consente l'esame dei risultati anche a distanza di tempo e in luoghi diversi da quello dell'esecuzione dell'esposizione.
Tuttavia i raggi X e gamma possono essere molto pericolosi; infatti essi sono altamente ionizzanti, cioè possono distruggere i legami molecolari della materia organica. Speciali precauzioni sono infatti prese da coloro i quali mettono in atto tali tecniche al fine di evitare danni all'organismo. Tale metodo, pur risultando proficuo per l'esame di pezzi di geometria semplice, la cui proiezione da luogo a sfondi omogenei in cui ogni piccola variazione dell'intensità dell'innerimento è facilmente osservabile, diventa di difficile applicazione quando la geometria dei pezzi diventa complessa in quanto l'interpretazione dei risultati può dar luogo ad ambiguità; inoltre tale tecnica non può dare indicazioni sulla profondità del difetto rilevato, se non con due proiezioni ortogonali fra loro.
Inoltre essa evidenzia i difetti di forma tendenzialmente tridimensionale, oppure bidimensionale ma orientati tangenzialmente al fascio di raggi incidenti. Altra limitazione è che i raggi X, anche più potenti non superano spessori di acciaio superiori a circa 60 mm, mentre i raggi gamma, anche nei casi migliori non superano i 180 mm. Il maggior svantaggio del metodo radiografico industriale è che i risultati dell'analisi sono ottenuti 'off line', ossia fuori dalla linea di produzione, dopo il processo di sviluppo fotografico. Si avverte invece la forte esigenza da parte delle industrie di misure dello spessore delle pareti dei tubi 'in line',senza la necessità di bloccare parti del ciclo produttivo. Ciò, per essere realizzato, richiede la disponibilità di un visualizzatore di raggi gamma privo di film.
RID: RADIATION IMAGE DETECTOR
Ciò si può realizzare tramite un nuovo rivelatore di immagini, sottile e leggero, chiamato RID (Radiation Image Detector). La configurazione che si utilizza nella maggior parte delle applicazioni è molto simile a quella che utilizza il film [4].
La dimensione del RID è 330 mm x 320 mm x 46 mm e il suo peso è 8 Kg. Ogni pixel consiste di un particolare sensore che trasforma i raggi gamma in luce visibile e di un semiconduttore sensibile alla luce direttamente accoppiato a un transistor TFT [5]. La corrente elettrica di scarica, che è direttamente proporzionale quantità del raggio X o gamma incidente, è digitalizzata dall'ADC (analog-digital converter) del RID con una risoluzione di 16 bit, equivalenti a 65.536 livelli di grigio. Con una esposizione di soli 200 ms un'immagine completa a raggi gamma è disponibile sullo schermo del PC.
Facendo poi una media temporale, il rumore dell'immagine può essere ridotto. La media di 25 immagini in 5 secondi porta ad ottenere un buon rapporto segnale-rumore. L'immagine ottenuta può essere memorizzata su hard disk ed essere valutata 'in line' o 'off-line' via software. In tal modo, tramite il superamento dello sviluppo fotografico della lastra, il campo di applicazione di tale tecnica può essere ampliato, grazie alla variabilità e alla immediatezza dell'ottenimento dei risultati.
Di tale innovazione potrebbe beneficiare soprattutto il settore medico. Una apparecchiatura RID potrebbe permettere di effettuare controlli radiografici immediati nei pazienti in modo da predisporre al meglio le cure e le terapie.
TOMOGRAFIA ASSIALE COMPUTERIZZATA
Un'evoluzione della radiografia è la tomografia assiale computerizzata (TAC). Questa tecnica sfrutta l'unione della radioscopia, con rivelazione diretta e memorizzata dal computer, con un si-stema di rotazione automatica del pezzo da esaminare, entro angoli limitati (45-60°) ed orienta-bili in ogni direzione spaziale. Il computer memorizza ed elabora le immagini ottenute dalle di-verse proiezioni e può fornire automaticamente una vista di sezioni anche parallele alla direzione del fascio di radiazioni della prima proiezione (immagini bidimensionali), oppure una vista tridimensionale del pezzo [6].
Il metodo offre quindi un'eccezionale gamma d'informazioni mai prima possibili e consente di superare molte limitazioni della radioscopia o radiografia tradizionale; per esempio consente l'integrale esame di pezzi di geometria molto complicata o con importanti variazioni di sezione e la sicura visualizzazione di difetti planari ed ortogonali al fascio di radiazioni, non rivelabili dalla radiografia tradizionale. Questa tecnica è ampiamente sfruttata nella medicina diagnostica, per la sua insostituibile utilità. Essa infatti consente d'ottenere immagini di sezioni ortogonali del corpo umano (per esempio della colonna vertebrale o del cervello, consentendo al medico di diagnosticare malformazioni assolutamente non rivelabili con altre tecniche non offensive).
La limitazione del metodo applicato alle PND industriali sta nel limitato spessore dei pezzi esaminabili e nell'enorme costo dell'impianto (parecchie decine di miliardi), che ne giustifica l'uso in medicina, ma industrialmente soltanto per i componenti di sicurezza d'elevatissimo valore.
RADIOGRAFIA NEUTRONICA
E' una tecnica d'ispezione non distruttiva che usa un fascio di neutroni quale fonte d'irraggiamento dei pezzi da esaminare. La proiezione dell'immagine, l'attenuazione dell'intensità con lo spessore dei pezzi e molti altri fattori che governano l'esposizione, nonché la procedura, sono assai simili a quelli della radiografia con raggi X o gamma. Poiché i neutroni non impressionano la lastra fotografica, è necessario un artificio per aggirare l'ostacolo. Infatti il fascio neutronico, che ha attraversato il pezzo da esaminare e che contiene le informazioni da documentare, irradia uno schermo ricco d'elementi che si trasformano facilmente in isotopi radioattivi con brevissimo periodo di vita media (Disprosio o Indio), se bombardati da neutroni di bassa energia cinetica (neutroni termici). Essi perciò emettono radiazioni gamma, capaci d'impressionare la lastra fotografica [7].
I neutroni sono particelle subatomiche neutre dotate di massa relativamente grande (un'unità di massa chimica). Pertanto l'attenuazione dell'intensità del fascio incidente attraverso lo spessore del metallo esaminato avviene per urti e processi nucleari e non per interazione con gli elettroni degli atomi, come nel caso dei raggi X o gamma. Questi ultimi sono maggiormente attenuati dagli elementi pesanti con molti elettroni e dalla materia ad alta densità. Invece l'attenuazione dell'energia dei neutroni dipende soprattutto dagli isotopi presenti nel materiale esaminato, piuttosto che dal numero atomico degli elementi o dalla densità del materiale, anche se generalmente diminuisce col crescere del numero atomico, benché non esista una stretta correlazione.
I neutroni possono esser prodotti da reattori nucleari, da acceleratori di particelle elementari, ma in tutti i casi sono neutroni dotati d'elevatissima energia (neutroni veloci), non adatti per la radiografia, che richiede neutroni lenti. Perciò l'energia cinetica dei neutroni deve esser opportunamente attenuata con adatti moderatori, che sono sostanze capaci di ridurre l'energia cinetica del singolo neutrone senza ridurre eccessivamente l'intensità del fascio neutronico. La radiografia neutronica permette di rilevare la presenza di alcuni elementi fortemente assorbenti sia leggeri, quali l'idrogeno, il Litio ed il Boro, che pesanti, quali il Cadmio, il Samario, il Gadolino ed il Disprosio, contenuti in strutture di bassa capacità assorbente. Le apparecchiature necessarie sono straordinariamente costose; perciò la radiografia neutronica trova applicazioni nell'ispezione degli ordigni esplosivi e dei componenti aerospaziali o nucleari.
note
[1] A. ZANOBINI, L'affidabilità dei controlli non distruttivi, Firenze 1994.
[2] J. T. REYNOLDS, Piping Inspection: Thickness and Corrosion Monitoring with Profile Radiography in Inspectioneering Journal, Settembre / Ottobre 1997.
[3] J. RHEINLÄNDER - H. H. CHRISTIANSEN, Using film density variations for determination of pipe thickness variation in gamma - ray radiography in Insight 37 V.9 1995, pp. 691 - 694.
[4] J.M. GALBRAITH - W. T. ALLEN, Real- time Radioscopic Ispection of Insulated Piping Sistem in Insight 37 V.6 1995, pp. 417 - 420.
[5] A. HECHT - F. LINDEMEIER, On-line Radiographic Wallthickness-Measurement of Insulated Piping in the Chemical and Petrolchemical Industry, in NDT.net vol.3 No. 10, ottobre 1998
[6] TAC, Internet: Http://www.ndt.net/news/tac.htm.
[7] A. ZANOBINI, op. cit. , Firenze 1994.
Home page.......................... Introduzione
Ispezione visiva .. Ultrasuoni ed acustica .. Magnetoscopia .. Eddy Currents