di Matteo Frosini
La prima puntata di questo ciclo di articoli sugli impieghi industriali delle radiazioni è disponibile a questo link.
Aggiornamento 7/10/2025: abbiamo pubblicato sul nostro canale Instagram alcuni quiz sulle tematiche trattate da questo articolo. Trovate i quesiti e le relative risposte scorrendo fino in fondo alla pagina. Se siete interessati alle puntate precedenti dei nostri quiz, potete leggere gli articoli correlati qui, qui, qui, qui, qui, qui, qui e qui.
Macchine a Raggi X e sorgenti di neutroni
La scoperta, del tutto casuale, dei raggi X da parte del fisico tedesco Wilhelm Roengten alla fine del 1800 ha aperto la strada ad altri eminenti fisici dell’epoca, portandoli alla scoperta della radioattività. A differenza della radiazione gamma emessa da elementi radioattivi, i raggi X sono prodotti con apposite macchine (la prima fu il tubo catodico), per cui è possibile ottenere un ampio intervallo di energie, anche in funzione del potere penetrante necessario. Fin da subito la radiazione X è stata impiegata per indagare la struttura atomica della materia e per applicazioni mediche (la sua prima applicazione è stata la radiografia).
Oltre 30 anni più tardi, nel 1932, il fisico inglese James Chadwick ipotizza l’esistenza di un nuovo tipo di particella, con massa paragonabile a quella del protone ma senza carica elettrica, il neutrone. Le evidenze sperimentali della sua esistenza erano già state ottenute negli anni precedenti dai coniugi Curie (Irene, figlia di Marie Curie, e Frederic) ma male interpretate. I neutroni sono particelle aventi una capacità di penetrazione nei materiali maggiore rispetto a quella della radiazione X o gamma, e sono assorbiti in materiali con alto contenuto di idrogeno (come ad esempio acqua o paraffina). Per le loro proprietà fisiche anche queste particelle vennero da subito impiegate per indagare la struttura subatomica della materia, basti pensare che la prima fissione nucleare dell’elemento Uranio si ottenne nel 1934 in Italia.
In questo articolo vedremo quali sono le applicazioni industriali della radiazione X di medio/basse energia e dei neutroni. Non verrà trattato l’impiego della radiazione X prodotta da acceleratori di particelle e della radiazione neutronica per scopi civili, quindi reattori nucleari per la produzione di energia elettrica.
Come funziona un generatore di Raggi X?
Tutti noi abbiamo visto o, anche inconsapevolmente usufruito, di una macchina in grado di emettere radiazione X. Ma come funzionano questi dispositivi? All’interno di ciascuna macchina è presente un tubo radiogeno di dimensioni più o meno estese a seconda dell’utilizzo.
Un tubo radiogeno è costituito da un contenitore sigillato in vetro, all’interno del quale viene fatto il vuoto. Ai capi del tubo sono presenti un filamento metallico (il catodo) e una targhetta metallica (l’anodo). Sul filamento viene fatta scorrere un’elevata corrente elettrica che provoca l’emissione di elettroni (effetto termoionico); questi elettroni sono indirizzati ed accelerati verso la targhetta metallica posta all’altro capo del tubo grazie ad una differenza di potenziale esterna. Quando gli elettroni impattano sulla targhetta si hanno due fenomeni fisici distinti: il primo è l’emissione di radiazione X provocata dal rallentamento degli elettroni, il secondo è sempre l’emissione di radiazione X provocata dall’eccitazione degli elementi presenti nella targhetta. Il primo tipo di emissione è chiamata Bremmstrahlung (dal tedesco “radiazione di frenamento) ed è caratterizzata da un ampio intervallo di energia, il secondo è la radiazione X caratteristica con energia ben definita. A seconda del tipo di elemento costituente la targhetta può essere ottenuta radiazione caratteristica con energia diversa, che varia a seconda del tipo di applicazione. Infatti maggiore è l’energia della radiazione X, maggiore è la sua capacità di penetrazione nella materia. Alcuni esempi di elementi impiegati come targhetta sono tungsteno, molibdeno, argento.
Dal momento che circa il 99% dell’energia utilizzata per la produzione di radiazione X viene persa sottoforma di calore, i tubi radiogeni hanno incorporati dei sistemi di raffreddamento per evitare la perdita di integrità delle sue componenti interne.
La radiazione X prodotta viene emessa in ogni direzione, per cui i tubi sono racchiusi all’interno di guaine i alluminio e piombo in modo da schermare le emissioni nelle direzioni non necessarie per l’utilizzo.
Applicazioni industriali degli apparecchi a raggi X
La radiazione X, in virtù del fatto che può essere prodotta con energie diverse, in alcuni casi anche molto elevate, trova applicazione in una vasta gamma di settori.
Come visto per i dispositivi che incorporano sorgenti di radiazione gamma, questi macchinari sono impiegati per misure di spessore, densità e livello. Modulando l’energia della radiazione emessa è possibile trattare diversi tipi di materiali, dalla carta ai liquidi, dal metallo alle plastiche. La radiazione X trova poi applicazione in altri settori di cui se ne riportano alcuni esempi di seguito.
Analisi XRF
L’analisi XRF (acronimo inglese che sta per X-Ray Fluorescence) prevede l’impiego di una sorgente di radiazione X per investigare la composizione chimica di matrici come leghe metalliche o rocce. Gli spettrometri XRF possono essere fissi o portatili: al loro interno è presente un tubo radiogeno che emette radiazione X diretta verso la matrice da analizzare. Quando un elemento viene esposto a raggi X, viene eccitato ed emette a sua volta radiazione X di fluorescenza; questa radiazione ha una ben definita energia che è unica per ciascun elemento della tavola periodica. Misurando questa radiazione X secondaria emessa dal campione è quindi possibile risalire agli elementi presenti al suo interno. I dispositivi in commercio permettono non solo di effettuare analisi qualitative ma anche quantitative, calcolando la percentuale di ciascun elemento presente nel campione.
Questo tipo di analisi chimica non distruttiva è molto diffusa nei laboratori di analisi e ricerca, negli stabilimenti che riciclano metalli e, soprattutto i dispositivi portatili risultano utili per indagini nel campo della geologia e dell’oreficeria.
Radiografia industriale
Come avviene in ambito medico, anche in industria le radiazioni X sono utilizzate per eseguire delle radiografie. L’applicazione più nota della radiografia non per scopo medico si può ritrovare negli aeroporti. Prima di imbarcarci i nostri bagagli vengono fatti passare attraverso delle macchine che emettono raggi X e permettono agli operatori di sicurezza di intercettare eventuali oggetti indesiderati. I materiali aventi densità elevata (ad esempio metalli) schermano maggiormente i raggi X, al contrario di quelli meno densi (carta, plastica); ciò si traduce in diverse “tonalità” visualizzate a video. La stessa tipologia di macchinari può trovarsi installata all’ingresso di stabilimenti che ricevono e trattano rifiuti.
Per applicazioni legate alla produzione industriale i generatori di raggi X sono utilizzati per controlli di qualità, per evidenziare eventuali disomogeneità o perdita d’integrità degli articoli destinati a lavorazioni successive o ad essere commercializzati. Per radiografie su manufatti metallici di elevato spessore si deve ricorrere ad energie elevate per cui occorrono acceleratori di particelle.
Come funziona una sorgente di neutroni?
La generazione di radiazione neutronica per applicazioni industriali o di ricerca con dispositivi di piccole/medie dimensioni può essere ottenuta mediante:
- Sorgente radioattiva contenente un elemento artificiale che decade per fissione spontanea con emissione di neutroni. L’elemento più diffuso per ottenere questo tipo di sorgente è il Cf-252 (Californio-252), con un tempo di dimezzamento di circa 2,6 anni;
- Sorgente radioattiva costituita da un elemento emettitore di particelle alfa e da un elemento leggero: le particelle alfa interagiscono con l’elemento leggero provocando una reazione nucleare con conseguente emissione di neutroni. Sorgenti di questo tipo possono essere prodotte con Am-241 (Americio-241) o Ra-226 (Radio-226) accoppiato ad elementi come Berillio o Litio. Il tempo di dimezzamento di queste sorgenti dipende dall’elemento alfa-emettitore: per Am-241 vale circa 430 anni, mentre per Ra-226 si arriva a 1600 anni!
- Generatori di neutroni prodotti da reazione di fusione: sono dispositivi relativamente compatti che sfruttano la reazione di fusione Deuterio-Trizio con conseguente emissione di particelle alfa e neutroni. Il vantaggio di questo tipo di generatore sta nella possibilità di “spegnere” la radiazione all’occorrenza.
Per schermare la radiazione emessa da queste sorgenti (specialmente quelle contenenti elementi radioattivi) si utilizzano contenitori in polietilene o paraffina. I neutroni infatti possono essere schermati e assorbiti da materiali con un elevato contenuto di idrogeno.
Analisi dei materiali
Le sorgenti di neutroni riportate sopra trovano impiego in industria in dispositivi per analisi qualitative e quantitative dei materiali, un po’ come con gli spettrometri XRF. Il principio di funzionamento è però diverso: la radiazione neutronica viene indirizzata sul campione inducendo reazioni di attivazione nucleare. Gli elementi così attivati hanno un tempo di dimezzamento tipicamente molto breve (dell’ordine dei secondi o minuti) e decadono emettendo a loro volta radiazione gamma che identifica in modo univoco lo specifico elemento. Rilevando la radiazione gamma e la sua energia si è in grado di identificare i singoli elementi presenti nel campione ed effettuare una quantificazione.
La radiazione gamma emessa può essere pronta o ritardata: nel primo caso si parla di Prompt Gamma Analysis, nel secondo di Delay Gamma Analysis. Questo tipo di analisi trova impiego in impianti come cementifici, dove è necessario conoscere con accuratezza la miscela di elementi per rispettare la giusta “ricetta”. Anche in impianti siderurgici che riciclano il rottame metallico possono essere installati questi sistemi di analisi per vagliare le diverse tipologie di leghe in ingresso allo stabilimento.
Ispezioni geologiche
Sorgenti di neutroni come Am241-Be o Ra226-Be sono impiegate nelle indagini geologiche preliminari durante la perforazione di pozzi nel terreno, ad esempio per l’estrazione di gas o petrolio. La sorgente viene inserita nel pozzo da ispezionare, i neutroni emessi interagiscono con il terreno circostante e, in funzione del contenuto di idrogeno al suo interno, vengono rallentati e/o assorbiti. Una serie di rivelatori posti lungo il pozzo rileva la radiazione neutronica così modificata e la radiazione gamma prodotta per attivazione degli elementi presenti nel terreno. Si può quindi effettuare un’indagine della stratigrafia del terreno, individuando zone a più alto contenuto di acqua, e degli elementi presenti al suo interno.
Queste sono solo alcune delle applicazioni industriali delle sorgenti neutroniche: altri esempi sono indagini su reperti archeologici e opere d’arte, radiografie con neutroni, ispezioni su materiali sospetti per prevenire il traffico illecito di materiale esplosivo o radioattivo.
Questo tipo di radiazioni modificano i materiali analizzati?
A questo punto qualcuno potrebbe chiedersi se l’utilizzo di queste sorgenti radioattive con le loro radiazioni possa “alterare” in qualche modo gli oggetti con cui interagiscono. Per le tipologie di attività industriali che comportano l’utilizzo di radiazione X, ad energie inferiori a 10 MeV, non si possono avere fenomeni di attivazione nucleare dei materiali.
Quando si opera con neutroni invece abbiamo visto come il materiale venga attivato dal punto di vista nucleare con la produzione di elementi radioattivi: tuttavia questi elementi hanno un tempo di dimezzamento molto breve, per cui è sufficiente attendere il giusto tempo prima di poter utilizzare l’oggetto irraggiato.
QUANTE NE SAI?
Abbiamo di recente lanciato sul nostro canale Instagram una serie di quiz a tema nucleare, con cadenza settimanale.
Ecco i quesiti proposti il 6 ottobre 2025 (in grassetto le risposte corrette):
1) I raggi X sono generati da:
a – Sorgente di neutroni
b – Fusione nucleare
c – Metallo colpito da elettroni
2)I neutroni vengono bene schermati da:
a – Idrogeno
b – Elio
c – Azoto
3) Penetrano di più, rispetto a raggi X e gamma:
a – Neutroni
b – Particelle alpha
c – Particelle beta
RIFERIMENTI:
- Isotope Browser – IAEA Nuclear Data Section
- “Radioprotezione avanzata – Radionuclidi e acceleratori di elettroni fino a 10 MeV”, CISU, 2014
- https://www.thermofisher.com/blog/mining/pgnaa-improves-process-and-quality-control-in-cement-production/
- Geochemical Instrumentation and Analysis: “Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA)” – https://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/INAA.html
Nucleare e Ragione 
3 pensieri riguardo “RADIOATTIVITÀ E APPLICAZIONI INDUSTRIALI – SECONDA PUNTATA”