I raggi X sono una forma di radiazione elettromagnetica ad alta frequenza costituita da fotoni la cui energia varia da cento eV ( elettronvolt ), a parecchi MeV.
Questa radiazione fu scoperta nel 1895 dal fisico tedesco Wilhelm Röntgen , che per questo ricevette il primo Premio Nobel per la fisica ; gli diede il solito nome di sconosciuto in matematica, X. È naturale (cosmologia, astronomia) o artificiale (radiologia) e quindi risulta dal bombardamento di elettroni su un bersaglio generalmente fatto di tungsteno . La proprietà principale dei raggi X è quella di passare attraverso la materia pur essendo parzialmente assorbiti a seconda della densità di quest'ultima e dell'energia della radiazione, che permette di avere informazioni sull'interno degli oggetti che attraversano.
I raggi X sono una delle principali modalità di imaging medico e test non distruttivi . Sono anche usati in cristallografia . In contemporanea astrofisica , misuriamo le radiografie di spazio per studiarla.
Alla fine del XIX ° secolo , Wilhelm Conrad Roentgen , come molti fisici del tempo, è appassionato di raggi catodici , che sono stati scoperti da Hittorf nel 1869 ; questi nuovi raggi erano stati studiati da Crookes . A quel tempo, tutti i fisici sapevano come riprodurre l'esperimento di Crookes, ma nessuno aveva ancora l'idea di applicare questa radiazione.
Nel 1895 Wilhelm Conrad Röntgen riprodusse più volte l'esperimento modificandone i parametri sperimentali (tipi di bersagli, tensioni diverse, ecc.). Il8 novembre 1895, riesce a rendere luminescente uno schermo al platinocianuro di bario . Röntgen decide quindi di fare l'esperimento al buio immergendo il suo tubo di Crookes in una scatola opaca. Il risultato è lo stesso della situazione normale. Röntgen posiziona quindi vari oggetti di diversa densità tra l' anodo e lo schermo fluorescente, e ne deduce che la radiazione attraversa il materiale tanto più facilmente in quanto quest'ultimo è sottile e sottile. Quando posiziona oggetti metallici tra il tubo e una lastra fotografica, riesce a visualizzare l'ombra dell'oggetto sul negativo.
Röntgen deduce che i raggi sono prodotti perpendicolarmente alla direzione di emissione degli elettroni del tubo e che questa radiazione è invisibile e molto penetrante.
Non riuscendo a trovare una denominazione adeguata, Röntgen li battezza "raggi X". Questa radiazione è ancora spesso chiamata Röntgenstrahlung (letteralmente: "raggi Röntgen") in Germania e in tutta Europa (tranne in Francia) . L'altro nome di radiologia è ancora oggi röntgenology .
Il primo colpo famoso è quello della mano di Anna Bertha Röntgen presa (22 dicembre 1895, esposizione di 25 minuti); questa è la prima radiografia . Un mese dopo, Bergonié riprodusse l'esperienza di Röntgen a Bordeaux , prima che quest'ultimo fosse ufficialmente pubblicato.
Il 28 dicembre 1895, Röntgen pubblica la sua scoperta in un articolo intitolato " Über eine neue Art von Strahlen " (in francese: "A proposito di un nuovo tipo di raggi") nel bollettino della Società chimico-fisica di Würzburg . Fu questa scoperta che gli valse il primo premio Nobel per la fisica nel 1901 .
Trae quattro conclusioni nel suo articolo:
La ricerca Röntgen sviluppata rapidamente in odontoiatria da quando due settimane dopo, il D r Otto Walkhoff realizza Brunswick la prima radiografia dentale.
Occorrono 25 minuti di esposizione. Usa una lastra fotografica di vetro, ricoperta di carta nera e una diga di gomma (campo operatorio) . Sei mesi dopo esce il primo libro dedicato a quella che sarebbe diventata la radiologia, le cui applicazioni si moltiplicano, nell'ambito della fisica medica, per la diagnosi delle malattie e la loro cura ( radioterapia che diede una straordinaria espansione a ciò che fu fino a ora). là elettroterapia ). Prima della fine del 1896, Otto Walkhoff e Fritz Giesel aprirono il primo laboratorio di radiologia dentale.
I tempi di esposizione sono quindi lunghi e gli effetti collaterali sono evidenti. Ci sono molti casi di ustioni. Alcuni professionisti, non riuscendo a vedere il legame tra l' esposizione ai raggi X e le ustioni, concludono che sono dovute ai raggi ultravioletti. Tuttavia, alcune persone sono riluttanti a eseguire radiografie inutilmente. Inoltre, tutti i medici non hanno gli stessi effetti: D r Williams nel 1897 mostra che su 250 pazienti esposti ai raggi X , non c'erano effetti collaterali negativi. Tuttavia non ci vuole molto perché si stabilisca un nesso di causalità tra l'esposizione prolungata ai raggi X e le ustioni: nel 1902 il D r EA Codman, individuando i danni causati dai raggi X , rileva che sono praticamente scomparsi.
Röntgen ha dato il suo nome alla prima unità di misura utilizzata in radiologia per valutare l'esposizione alle radiazioni . Il simbolo roentgen è R .
La scoperta di Röntgen fece rapidamente il giro della terra. Ha scatenato esperimenti anche al di fuori dei circoli scientifici e ha segnato l'immaginazione della cultura popolare. Ricercatori come Thomas A. Edison , Nicola Tesla , AA Campbell Swinton hanno subito sperimentato i raggi Röntgen. NelNovembre 1896, Un inventore americano, D r Robert D'Unger, propose un telephot X-ray, supposto per consentire la trasmissione di immagini tramite filo telegrafico.
Nel 1897 , Antoine Béclère , un rinomato pediatra e clinico, creò, a proprie spese, il primo laboratorio di radiologia ospedaliera.
Tutti volevano che il loro scheletro fosse fotografato . Ma per molto tempo le dosi sono state troppo forti. Ad esempio, Henri Simon, fotografo amatoriale, ha lasciato la sua vita al servizio della radiologia. Incaricato della radiografia, i sintomi dovuti alle radiazioni ionizzanti sono comparsi dopo soli due anni di pratica. La sua mano è stata amputata per prima (che era in costante contatto con lo schermo fluorescente), ma poi si è sviluppato un cancro generalizzato.
Agli albori della radiologia, i raggi X erano utilizzati per molteplici scopi: nei quartieri fieristici dove si sfruttava il fenomeno della fluorescenza , nei negozi dove si studiava l'adattamento di una scarpa ai piedi dei clienti grazie alle radiazioni . raggi x. Anche in questo caso, abbiamo commesso alcuni errori, ad esempio sottoponendo a raggi X le donne incinte.
Il primo "Congresso Internazionale di Radiologia", che riunì scienziati provenienti da Gran Bretagna, Stati Uniti, Francia, Germania, Italia e Svezia, emanò nel 1925 raccomandazioni relative alle "Radiazioni ionizzanti".
Un monumento fu inaugurato nel 1936 nelle vicinanze del padiglione Roentgen del St. Georg Hospital, Amburgo, su iniziativa del professore tedesco Hans Meyer, “Ai radiologi di tutte le nazioni: […] che hanno donato la loro vita nella lotta contro le malattie dell'umanità… ” .
Negli anni, in medicina per fluoroscopia o fluoroscopia, la durata degli esami e le quantità somministrate si sono ridotte. Nel 1948 in particolare, dalla scoperta della "cresta di Tavernier" da parte del fisico belga Guy Tavernier a cui corrisponde un aumento della dose di irradiazione nei tessuti prima della loro diminuzione con la profondità, che ha portato ad una riduzione della dose. Esposizione da 1.2 a 0.3 röntgen a settimana a livello internazionale dal 1950. Questo valore sarà ulteriormente diviso per tre dal 1958 per tenere conto dei potenziali rischi di effetti genetici.
Cento anni dopo la loro scoperta, i raggi X sono ancora utilizzati nella radiografia moderna. Sono anche usati negli scanner , per realizzare sezioni del corpo umano e nei densitometri per rilevare o monitorare l' osteoporosi . Diverse altre tecniche sono attualmente utilizzate nell'imaging medico: ultrasuoni (che utilizza ultrasuoni ), risonanza magnetica nucleare , scintigrafia o persino tomografia a emissione di positroni .
Ma l'uso dei raggi X non si limita al solo campo della medicina: i servizi di sicurezza li utilizzano per esaminare il contenuto di valigie o contenitori aerei e marittimi sullo schermo. La polizia li usa per analizzare le fibre tessili e i dipinti trovati sulla scena di un disastro. L'industria alimentare li utilizza per rilevare corpi estranei nei prodotti finiti. In cristallografia , vari cristalli possono essere identificati usando X - diffrazione di raggi . Infine, recentemente, è stato possibile studiare fossili intrappolati all'interno di un materiale (tipo ambra) e vederne sezioni virtuali.
I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche come onde radio, luce visibile o infrarossi. Tuttavia, possono essere prodotti in due modi molto specifici:
Quando si producono raggi X con un tubo a raggi X, lo spettro è composto da una radiazione continua ( Bremsstrahlung ) su cui si sovrappongono linee specifiche dell'anodo utilizzato e che sono dovute al fenomeno della fluorescenza .
Aneddoticamente, i raggi X possono essere prodotti dalla triboluminescenza , dal distacco di un nastro adesivo sotto vuoto, e la quantità emessa può quindi essere sufficiente per fare una radiografia (di scarsa qualità) di un dito.
Storicamente, i raggi X erano noti per far brillare alcuni cristalli ( fluorescenza ), ionizzare i gas e imprimere le lastre fotografiche.
Le principali proprietà dei raggi X sono le seguenti:
Viene fatta una distinzione tra dure raggi X e molli X- raggi secondo la loro energia, per l'ex maggiore di circa 5 a 10 keV (lunghezza d'onda inferiore a 0,1-0,2 nm ). A differenza dei raggi X duri, i raggi X morbidi sono facilmente assorbiti da uno spessore millimetrico di materiale solido.
I raggi X sono radiazioni ionizzanti . L'esposizione prolungata ai raggi X o l'esposizione ripetuta con pause troppo brevi per il corpo possono causare ustioni ( radiomi ) ma anche tumori e anomalie nei neonati e nei bambini di età inferiore a un anno.
Il personale che lavora con i raggi X deve seguire una formazione specifica, proteggersi ed essere monitorato dal punto di vista medico (queste misure potrebbero non essere restrittive se il dispositivo è "sigillato" contro i raggi X).
I raggi X sono invisibili ad occhio nudo, ma imprimono una buona impressione sulla pellicola fotografica . Se posizioniamo una pellicola bianca protetta dalla luce (in una stanza buia o avvolta in una carta opaca), la figura rivelata sulla pellicola fornisce l'intensità dei raggi X che hanno colpito la pellicola in questo punto. Questo è ciò che ha permesso a Röntgen di scoprire questi raggi. Questo processo viene utilizzato nella radiografia medica e in alcuni diffrattometri ( immagini di Laue , camere di Debye-Scherrer ). Viene utilizzato anche nei sistemi di monitoraggio dei manipolatori: devono sempre indossare un badge, detto “film dosimetro ”, che racchiude un film bianco; questo badge viene regolarmente modificato e sviluppato da laboratori specializzati per verificare che l'operatore non abbia ricevuto una dose eccessiva di raggi X.
Come tutte le radiazioni ionizzanti, i raggi X vengono rilevati dai contatori Geiger-Müller (o contatori GM). Riducendo la tensione di polarizzazione del contatore si ottiene un cosiddetto contatore “proporzionale” (detto anche “contatore gas” o “flussometro gas”); mentre il contatore GM sta lavorando a saturazione, nel contatore proporzionale, gli impulsi elettrici generati sono proporzionali all'energia dei fotoni X .
I raggi X causano anche una leggera fluorescenza su alcuni materiali, come lo ioduro di sodio NaI. Questo principio viene utilizzato con i “contatori a scintillazione” (o “ scintillatori ”): un fotorilevatore viene posizionato dopo un cristallo NaI; anche le intensità degli impulsi elettrici raccolti dal fotomoltiplicatore sono proporzionali alle energie dei fotoni.
Proprio come possono ionizzare un gas in un contatore GM o proporzionale, i raggi X possono anche ionizzare gli atomi di un cristallo semiconduttore e quindi generare coppie di cariche elettrone-lacuna. Se un semiconduttore è sottoposto ad un'elevata tensione di prepolarizzazione, l'arrivo di un fotone X rilascerà una carica elettrica proporzionale all'energia del fotone. Questo principio viene utilizzato nei cosiddetti rivelatori "solidi", in particolare per l'analisi di dispersione energetica (EDX o EDS). Per avere una corretta risoluzione, limitata dall'energia di soglia necessaria per la creazione delle cariche, i rivelatori solidi devono essere raffreddati, o con stadio Peltier , o con azoto liquido . I semiconduttori utilizzati sono generalmente silicio drogato con litio Si (Li) , o germanio drogato con litio Ge (Li). Tuttavia, esistono rivelatori a semiconduttore non raffreddati basati su tellururo di silicio o cadmio . L'utilizzo di strutture a diodi di blocco consente in particolare di ridurre il rumore associato alla corrente oscura.
La bassa temperatura non ha alcun effetto diretto sul valore energetico di soglia, ma sul rumore di fondo. D'altra parte, è possibile utilizzare superconduttori mantenuti a temperatura molto bassa per sfruttare l'energia a bassa soglia. Ad esempio, l'energia di soglia richiesta per creare cariche "libere" nel silicio è dell'ordine di 3 eV , mentre nel tantalio superconduttore, al di sotto di circa 1 kelvin , è di 1 meV. , O circa mille volte inferiore. La diminuzione del valore di soglia ha l'effetto di aumentare il numero di cariche create durante la deposizione di energia, il che consente di ottenere una migliore risoluzione. Quest'ultimo è infatti limitato dalle fluttuazioni statistiche del numero di cariche create. L'ampiezza di queste fluttuazioni può essere stimata con la legge di Poisson . Recenti esperimenti per rilevare un fotone X utilizzando un calorimetro mantenuto a una temperatura molto bassa ( 0,1 K ) forniscono un'eccellente risoluzione energetica. In questo caso, l'energia del fotone assorbito consente di riscaldare un assorbitore, la differenza di temperatura viene misurata utilizzando un termometro ultra sensibile.
Per confrontare gli approcci: i rivelatori basati su silicio consentono una precisione di misura dell'ordine di 150 eV per un fotone di 6000 eV . Un sensore al tantalio superconduttore può avvicinarsi a 20 eV e un calorimetro mantenuto a 0,1 K ha recentemente dimostrato una risoluzione di circa 5 eV o un potere risolutivo di circa 0,1%. Vale la pena ricordare che i metodi di rilevamento criogenico non consentono ancora di produrre sensori con un numero elevato di elementi dell'immagine ( pixel ), mentre i sensori basati su semiconduttori offrono "telecamere" a raggi X con diverse migliaia di elementi. Inoltre, le velocità di conteggio ottenute dai sensori criogenici sono limitate, da 1000 a 10.000 cps / px .
L'analisi dei cristalli mediante diffrazione dei raggi X è anche chiamata "radiocristallografia" . Questo permette sia di caratterizzare i cristalli e di conoscerne la struttura (si lavora quindi in generale con cristalli singoli ), sia di riconoscere cristalli già caratterizzati (si lavora in generale con polveri policristalline).
Per lavorare con un singolo cristallo, utilizziamo il dispositivo qui accanto:
Utilizzato in geologia e metallurgia , è anche uno strumento biofisico , ampiamente utilizzato in biologia per determinare la struttura delle molecole viventi, soprattutto nella cristallogenesi (l'arte di realizzare cristalli singoli con una molecola pura); In questa impostazione, un singolo cristallo della molecola viene inserito in un fascio di raggi X monocromatico e la diffrazione osservata per diverse posizioni del cristallo nel fascio di raggi X (manipolato da un goniometro ) aiuta a determinare non solo la struttura del cristallo, ma anche e soprattutto la struttura della molecola. Fu in particolare mediante la radiocristallografia che Rosalind Franklin , poi James Watson , Francis Crick , Maurice Wilkins e i loro collaboratori furono in grado di determinare la struttura elicoidale del DNA nel 1953 .
Nell'Unione europea , l'uso dei raggi X è soggetto agli standard Euratom 96/29 e 97/43. Direttiva 97/43 / Euratom del30 giugno 1997 avrebbe dovuto essere recepito nel diritto interno francese entro e non oltre 30 maggio 2000.
In Francia , dovresti fare riferimento a:
L'agenzia di controllo è l' Autorità per la sicurezza nucleare (ASN), istituita con Legge n . 2006-686 del13 giugno 2006sulla trasparenza e la sicurezza nucleare (legge TSN). L'ASN ha sostituito l'ASN, la Direzione Generale per la Sicurezza Nucleare e la Protezione dalle Radiazioni, istituita con Decreto n . 2002-255 del22 febbraio 2002Decreto modificativo n . 93-1272 del1 ° dicembre 1993, che a sua volta ha sostituito il DSIN (Direzione per la sicurezza degli impianti nucleari).
" X-ray " è anche la designazione della lettera X nella internazionale di alfabeto della radio .
Nel 2003, la rivista Life ha incluso la radiografia della mano della moglie di Röntgen tra le " 100 fotografie che hanno cambiato il mondo ".