Raggi X: cosa sono e come si producono

Raggi x: cosa sono e come sono prodotti

Raggi x

Il fisico tedesco W. K. Röntgen, intorno al 1895, stava eseguendo ricerche sul passaggio della scarica elettrica attraverso gas rarefatti. Durante le sue ricerche egli notò che, in concomitanza con il passaggio degli elettroni nel gas, uno schermo ricoperto di materiale luminescente si illuminava, come se venisse investito da un raggio di luce che però in realtà non c'era. Provò dunque a fermare il corso di questa emissione ponendo diversi oggetti tra il tubo e lo schermo. Tuttavia, nessun oggetto proiettava un'ombra sullo schermo, che rimaneva sempre completamente illuminato. Successivamente Rontgen sostituì lo schermo con una lastra fotografica impressionabile, e solo quando pose tra il tubo e la lastra la mano della moglie, sulla lastra rimase l'immagine delle ossa della mano. Il fisico aveva appena scoperto una nuova radiazione, che era in grado di attraversare i tessuti molli del corpo umano ma non le ossa: i raggi X, detti anche raggi Röntgen, in suo onore, ed aveva appena realizzato la prima radiografia della storia.

Questa nuova radiazione suscitò in un primo momento una grande curiosità a causa della possibilità che offriva per la prima volta di vedere e di fotografare attraverso i corpi opachi.

La vera natura dei raggi X è stata lungamente discussa a causa delle grandi differenze presentate dalle loro proprietà rispetto a quelle delle radiazioni allora conosciute: ma sappiamo oggi che questi raggi si possono collocare nella vasta scala dello spettro elettromagnetico, che comprende le onde radio, l'infrarosso, la luce visibile e l'ultravioletto, non differendo da queste ultime che per la piccolezza della lunghezza d'onda alla quale, del resto, essi devono il carattere speciale delle loro proprietà.

In particolare la lunghezza d'onda dei raggi X è considerata compresa tra 10^-8 e 10^-12 metri.

Apparecchi radiologici.

Sotto questa denominazione si comprendono gli apparecchi che servono alla produzione dei raggi Röntgen e gli apparecchi che servono all'impiego medico e tecnico di queste radiazioni o di quelle β e γ emesse dalle sostanze radioattive.

I raggi X sono prodotti dal brusco arresto che subisce un fascio di elettroni in veloce movimento (raggi catodici) contro un corpo solido. Quindi un apparecchio generatore di raggi X deve comprendere un sistema che liberi elettroni, un altro sistema che crei un campo elettrico di opportuna polarità atto a imprimere loro un moto velocissimo, infine uno schermo (una lastra metallica) che, arrestando il fascio di elettroni, diventi centro di emissione dei raggi X. Negli apparecchi generatori di raggi X si distinguono due parti: il cosiddetto tubo, in cui hanno luogo i fenomeni descritti, e il generatore di alta tensione, che fornisce l'energia e comprende anche tutti gli accessori necessari al funzionamento e alla regolazione del tubo.

Tubi generatori dei raggi X

Si dividono nelle seguenti tre principali categorie, tenendo conto del sistema usato per liberare gli elettroni: tubi ionici, tubi termoelettronici, tubi autoelettronici.

I tubi ionici furono i primi a essere usati in radiologia. Essi constano generalmente di una ampolla di vetro in cui si trova un gas a una pressione dell'ordine di un millesimo di mm di colonna di mercurio, e in cui sono fissati almeno due elettrodi che all'atto del funzionamento vengono portati a una notevolissima differenza di potenziale (da 10 a 200 kV). Sotto l'azione di questa differenza di potenziale, il gas si ionizza, e gli ioni positivi, urtando contro il metallo che forma l'elettrodo negativo, provocano un'intensa emissione di elettroni. Gli elettroni così liberati per effetto del campo elettrico acquistano una notevole velocità, e costituiscono i raggi catodici. Essi, arrestati da uno schermo metallico (anticatodo), unito al polo positivo della sorgente di alta tensione, danno luogo alla produzione dei raggi X. La zona dell'anticatodo dove avviene l'arresto dei raggi catodici si chiama fuoco. La maggior parte dell'energia posseduta dal fascio catodico si converte in calore (solo qualche millesimo di essa si converte in raggi X), e quindi bisogna provvedere a un energico raffreddamento dell'anticatodo.

Il maggiore o minore potere penetrante dei raggi X prodotti, detto qualità o anche durezza della radiazione (si dicono molli i raggi poco penetranti, duri quelli molto penetranti) dipende dalla maggiore o minore velocità del fascio elettronico, e quindi dal valore della differenza di potenziale applicata tra gli elettrodi del tubo.

L'energia emessa in un dato tempo ("quantità" di radiazione) dipende dal numero di elettroni che in detto tempo urtano l'anticatodo, e quindi dal valore medio della corrente elettrica che è passata nel tubo. Questa grandezza nei tubi ionici è funzione della differenza di potenziale applicata al tubo e della pressione del gas contenutovi. La difficoltà di regolare indipendentemente la qualità e la quantità della radiazione prodotta ha portato all'abbandono quasi totale di questo tipo di tubo.

Nei tubi termoelettronici il vuoto nell'ampolla è spinto al massimo possibile. L'emissione di elettroni da parte del catodo è ottenuta portando all'incandescenza una spiralina di tungsteno che fa parte del catodo stesso (effetto termoelettronico). Questi tubi, dal nome del ricercatore che diede loro la forma attuale, si chiamano spesso anche tubi Coolidge.

In essi la regolazione della "qualità" e della "quantità” della radiazione è molto più semplice rispetto ai tubi ionici.

Nei tubi autoelettronici il vuoto nell'interno dell'ampolla è molto spinto; gli elettroni vengono emessi dal catodo dove, per la sua speciale configurazione, il campo elettrico è così intenso da provocare lo strappamento di elettroni anche dal metallo freddo (effetto Schottky). I tubi autoelettronici non hanno trovato applicazioni pratiche altro che in qualche specialissimo impianto sperimentale per raggi ultrapenetranti.