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Radiografia Digitale DIY

In questo post proponiamo l’utilizzo della Webcam ParticleDetector come sensore digitale per effettuare delle semplici radiografie a carattere educativo e dimostrativo. L’utilizzo di una webcam come rivelatore di particelle e radiazioni è stato descritto in questi articoli : Rivelatore di Particelle DIY basato su Webcam , Misure con Webcam Particle Detector. La webcam, opportunemente modificata ed utilizzata con un software adatto che integra le immagini acquisite dal sensore CMOS si è dimostrata adatta soprattutto alla rilevazione di particelle cariche come gli elettroni (radiazione β).

All’interno della webcam è presente il sensore CMOS che è l’elemento sensibile alla luce. Il sensore CMOS è in pratica costituito da una matrice di pixel. Ogni pixel comprende un fotodiodo ed un circuito di conversione / amplificazione che converte la carica originata nel fotodiodo in una tensione che viene letta, pixel per pixel, e successivamente digitalizzata in un valore numerico che va da 0 a 255.
Sopra ogni pixel viene posizionato un minuscolo filtro colorato (rosso, verde e blu) in modo da selezionare il colore, ottenendo così un “mosaico” di pixel colorati, successivamente l’immagine va elaborata in maniera opportuna (interpolazione) per ricostruire l’immagine originale.
L’elemento attivo, sensibile alle particelle, è il fotodiodo, schematizzato nella figura sotto.

fotodiodo

La particella ionizzante entra nell’area sensibile dalla finestra “superiore” e produce, nel suo passaggio svariate centinaia di coppie elettrone/lacuna che vengono raccolte dal catodo / anodo del diodo e producono il segnale che viene successivamente digitalizzato.
Diamo alcuni dati ricavati dalla letteratura sui sensori a stato solido:

Silicio Band Gap = 1,115 eV
Energia per la produzione di una coppia e/h (300°K)  = 3,62 eV
Potere di ionizzazione di un elettrone = 80 e/μm

Come si può vedere dai dati sopra riportati, un elettrone che percorre 10 μm produce circa 1000 portatori di carica e quindi un segnale facilmente rilevabile, considerato anche che l’elettronica di rilevazione è locale sul chip.
Oltre alle particelle cariche come gli elettroni, il sensore CMOS è sensibile, anche se in misura minore, anche a radiazione elettromagnetica ionizzante come raggi γ e, soprattutto raggi X.
Naturalmente il sensore CMOS non è ottimizzato per la rilevazione della radiazioni e quindi l’efficienza di rilevazione  è molto bassa.

Dati del Sensore CMOS

Il sensore CMOS montato sulla Logitech C270 è caratterizzato dai seguenti dati :

Risoluzione Sensore = 1280 x 960
Dimensione Pixel = 2,8 μm x 2,8 μm
Dimensione Sensore = 3,5 mm x 2,7 mm
Superfice Sensore = 9,45 mm2
Risoluzione Immagine = 640 x 480
Dimensione Pixel Immagine = 5,6 μm x 5,6 μm

Nelle immagini presentate sotto si vede la webcam modificata, insieme al tubo a raggi X del diffrattometro Teltron, utilizzato per queste prove di radiografia “digitale”.

Alcune “Radiografie Digitali”

Nelle immagini sotto sono rappresentate alcune radiografie digitali ottenute con il sensore basato su webcam. Le prime due sono le immagini ottenute con il collimatore a fenditura da 1 mm e con il collimatore a foro sempre da 1 mm : in pratica è l’immagine del fascio di radiazione X in uscita dai collimatori. Le immagini sono abbastanza soddisfacenti, mostrano la parte centrale, quella più chiara, che corrisponde al fascio collimato ed una parte esterna, grigia, che corrisponde alla radiazioni X a maggiore divergenza angolare.

Utilizzando la Webcam e l’applicazione ParticleDetector abbiamo provato a fare la “radiografia” di un componente elettronico SMD, l’immagine sotto mostra il componente SMD posto sull’obiettivo della webcam, obiettivo schermato dalla luce con un foglio di alluminio.

L’immagine sotto mostra il risultato ottentuto, nella quale si notano le aree scure che corrispondono alle parti metalliche o a maggiore densita del componente.

Naturalmente il risultato ottenuto presenta molti limiti : prima di tutto le dimensioni ridotte del sensore CMOS della webcam, pochi millimetri di lato, permettono di esaminare soltanto oggetti altrettanto piccoli. La schermatura di alluminio inoltre influisce sulla risoluzione della immagine perchè causa una certa diffusione della radiazione X. Nonostante questi evidenti limiti è comunque interessante notare come una comune webcam può costituire un valido strumento per effettare radiografie a carattere educativo di piccoli oggetti.

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