INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Esperimento ...e-mail: [email protected]...

e-beam

Esperimento Struttura Flag Resp. Naz.

e-beam TORINO 1

EC4 ricalcolato

Allegato 1Allegato 2Allegato 3Allegato 4Allegato 5

http://netserv.ba.infn.it:591/preventivi_2003/FMPro?-db=..._naz_flag&-sortorder=descend&-sortfield=struttura&-find= [31/07/2002 13.20.03]

Ricercatoreresponsabile locale:

TORINO

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno 2003

Struttura

(a cura del rappresentante nazionale)

applicazioni industriali con fasci di elettroni

FRAE del CNR di Bologna, BIOSTER (Bergamo), Universita' di Messina

Linac 12 MeV, Ciclotrone 10 MeV, Linac 5 Mev 1kW

Vikers L-band (1.3 GHz) 12 MeV, unghezza dell'impulso:da 5 ns a 5 ms, corrente massima per impulso: 5 A perimpulsi brevi (£ ns); 1 A per impulsi lunghi

cross-linking indotto dalla radiazione in polimeri,curing e grafting, sterilizzazione indotta da irraggiamentonei settori agroalimentare e biomedicale, abbattimento disostanze inquinanti presenti in scarichi industriali e sanitari (di tipo liq. e gas.)

Torino

Universita' di Torino, Universita' di Pavia

2 anni

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2003

2004

2 campagne di irraggiamento su campioni di test, finalizzatealla validazione del processo di trattamento

2 campagne di irraggiamento su campioni completi, finalizzatealla validazione del processo di industrializzazione dei prodotti.

Nuovo Esperimento Gruppoe-beam 5

Amedeo STAIANO

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

[email protected]:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

TORINO



Struttura


Resp. loc.: Amedeo STAIANO

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

Contatti con Messina

irraggiamenti presso il FRAE, Messina e la Bioster

contatti con centri europei di irraggiamento

Note:

Irraggiamenti al FRAE, MessinaContatti con Pavia

(Ionmed, Studer, IBA)

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

3,0

6,0

6,0

3,0

15,0

2,0

6,0

3,01,0

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

TORINO



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:



TORINO

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

6,0 6,0 3,0 15,0

TOTALI 12,0 8,0 31,0

ANNIFINANZIARI

2003

11,0

5,0 6,0 5,0 16,02004

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa

(a cura del rappresentante nazionale)



TORINO

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

6,0 6,0 3,0 15,0

TOTALI 16,0 16,0 11,0 43,0

ANNIFINANZIARI

2003

10,0 10,0 8,0 28,02004


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

Diffusione e test di irraggiamento presso aziende in Piemonte con Electron Beam.

Le applicazioni scientifiche e soprattutto industriali dell'irraggiamento dei materiali sono molteplici ed estremamente eterogenee.Nell'industria l'irraggiamento con electron beam e gamma irradiation trova applicazioni nei settori della reticolazione deipolimeri (settori chiave l'industria automotive e dei cavi), vulcanizzazione della gomma, grafting, indurimento di lacche evernici, sterilizzazione e pastorizzazione nei settori biomedicale e agroalimentare,sterilizzazione di acque reflue a abbattimento di fumi industriali nel settore ambientale. L'Italia accusa un ritardo tecnologiconella diffusione di questo tipo di processi, rispetto ad altri paesi altamente industrializzati, a causa soprattutto di carenzenella diffusione delle conoscenze presso le imprese e difficolta' oggettive, soprattutto nel settore delle PMI, ad avere settoriattivi nella ricerca e sviluppo all'interno dell'azienda.A partire dal 1997, (vedi allegato 1), e' stata avviata una indagine ed una campagna di informazione a livello territoriale,che ha raggiunto i seguenti obbiettivi:- interessamento da parte della Associazione per lo Sviluppo del Piemonte (ASP) che ha messo a disposizione 2 borsisti di unanno su questo progetto;- formazione di un borsista con finanziamento ASP presso la JUAS Accelerator School;- definizione di un progetto di Ateneo (Univ. di Torino), con coinvolgimento di professori della facolta' di Chimica di Torino, attualmente approvato a livello di fase II;- formazione su questo tema di un dottorando del nuovo ciclo interfacolta' di dottorati dell'Univesita' di Torino denominato "Cultura e Impresa";- interessamento da parte della Federpiemonte (sezione piemontese della Confindustria) ad informare e divulgare la tecnologia presso i propri associati. Scrittura di una convenzione INFN-Federpiemonte per collaborazione sul tema dell'applicazione della tecnologia e-beam all'industria (allegato 3).- organizzazione di due incontri presso l'Unione Industriale di Torino sul tema dell'electron beam processing, con ampia partecipazione di imprese afferenti a vari settori (con predominanza automotive, allegato 5);- presentazione di un progetto congiunto PMI-Federpiemonte-INFN Collective Research all UE nel V programma quadro per la diffusione di ricerca e sviluppo connessa ad applicazioni e-beam nelle PMI (allegato 4);- creazione di un pool di imprese interessate ad effettuare una serie di test di irraggiamento su campioni propri concordati con il nostro gruppo;- primo round di irraggiamenti completato (4 aziende selezionate, vedi allegato 2);

A seguito di quanto fin qui realizzato, considerata la promettente situazione di interesse da parte di numerose imprese nellostudio di applicabilita' di processi di irraggiamento ai propri prodotti, e avendo quasi raggiunta l'approvazione il progetto UE(scelto tra 18 progetti su 120 alla prima selezione, non ha passato il filtro finale di 5 progetti pur risultando ilpiu' quotato progetto italiano), riteniamo che l'INFN debba perseverare nel mantenere una posizione di collaborazione formalenel progetto e proponiamo quindi la seguente attivita' per il 2003:

- ridefinizione del progetto di finanziamento da presentare (entro la fine dell'anno) alla commissione Collective Research del VI programma quadro UE, in collaborazione con Federpiemonte e PMI piemontesi;- analisi dei risultati della prima campagna di irraggiamento di campioni, ridefinizione dei parametri di irraggiamento per la seconda campagna di irraggiamento e allargamento della lista di aziende considerate, passando anche al settore della sterilizzazione nel settore biomediale (entro l'estate 2003);- preparazione e realizzazione della terza campagna di irraggiamento entro la fine dell'anno, con allargamento ad altri settori di applicazione (agroalimentare e ambientale). Definizione di un consorzio di imprese che in collaborazione con INFN, Universita' e Federpiemonte siano interessate a continuare ed approfondire questo studio, attaccando, una volta risolte le problematiche legate al processo, i problemi legati alla industrializzazione dei loro prodotti.



TORINO

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 1


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO



TORINO

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 2

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori

Codice Esperimentoe-beam

Gruppo

TORINO

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

5,0

2,5Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

COSTA Luigi 505P.O.1

FAUCITANO Antonio 505P.O.2

RICCI Miriam 1005Dott.3

STAIANO Amedeo I Ric 2014

VOLPE Paolo 305P.A.5

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7


Codice Esperimentoe-beam

Gruppo

TORINO

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (a cura del responsabile locale)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)

30/01/2003 presentazione della proposta del progetto e-beam alla commissione finanziatricedei Collective Research del VI programma quadro della comunita' Europea.

30/05/2003 completamento della seconda campagna di informazione e raccolta di campioni dairraggiare forniti da imprese interessate alla tecnologia e-beam.

31/12/2003 terza campagna di irraggiamenti di test e definizione di un consorzio di impreseinteressate alla implementazione della tecnologia in Piemonte

Descrizione Resp. Naz.:

Missioni interno

Missioni estero

Mater.di

Cons.

Tras. eFac.

SpeseCalc

Aff. eManut. App.

Mater.invent.

Costruz.apparati TOTALE

Pub.Scien.

SpesSem

Invitiospitistran.ESPERIM.

Esperimento gruppo Rappresentante nazionale Struttura res_naz

e-beam 5 nuovonuovo_continua

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi0,50 0,50

5,0

2,5

6 6 3 15e-beam

di cui sj

6 6 3 15

di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 6,00

6 6 3 15Totali

di cui sj

Mod. EC4 dati

6,0 6,0 3,0 15,0Totali-Dati EC4

TOTALI

Confronto con il modello EC4

Ricercatori 5,0

2,5FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

0,50 0,50Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 6,00

Applicazioni scienti�che ed industriali di acceleratori dielettroni e ioni: proposta per la realizzazione di un centro

interdisciplinare di irraggiamento a Torino.

Amedeo Staiano

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Torino

Lo sviluppo delle macchine acceleratrici di fasci di particelle, promosso a �ni scienti�ci

per lo studio delle struttura della materia subnucleare, ha o�erto, da trent'anni a questa

parte, una ricchissima e sempre crescente variet�a di applicazioni sia in altri ambiti di

ricerca scienti�ca, quali ad esempio la radiobiologia e la scienza dei materiali, sia in ambiti

tecnologico industriali.

In questa nota vengono discusse le applicazioni esistenti di acceleratori di elettroni e

ioni a bassa energia ed alta potenza ed alcune potenzialit�a di queste macchine nel campo

delle tecnologie avanzate, al �ne di investigare la possibilit�a di realizzare in Piemonte un

centro di irraggiamento per applicazioni sia nel settore della ricerca scienti�ca che nel

campo della ricerca tecnico-applicativa e industriale.

1 Introduzione

Gli acceleratori di particelle rappresentano oggi uno dei migliori esempi di apparecchiature

realizzate dai �sici per la ricerca delle propriet�a fondamentali della materia, con ricadute

in settori tecnologico-applicativi di grandissima variet�a di indirizzo. Basti al riguardo

ricordare, come esempio di applicazione su larga scala di queste tecnologie, l'utilizzo

di acceleratori di elettroni (e pi�u recentemente di protoni e ioni [1]) nel settore della

radiobiologia e successivamente nel settore della radioterapia di un'ampia classe di tumori,

l'utilizzo di acceleratori di ioni per l'impiantazione e la caratterizzazione di dispositivi a

semiconduttore con la grandissima di�usione di elettronica integrata (VLSI) che ne �e

derivata ed in�ne, pi�u recentemente, l'utilizzo della luce di sincrotrone nella realizzazione

di maschere per la microelettronica con risoluzioni inferiori al �m e in applicazioni di

microingegneria [2].

A tutt'oggi l'impiego di macchine acceleratrici ha raggiunto alti valori di standardiz-

zazione, e acceleratori commerciali dedicati vengono prodotti da tempo da un ampio nu-

mero di aziende, come VARIAN (USA), Radiation Dynamics (USA), Philips/MEL (GB),

SHIN/EMI (GB), IBA (Belgio), Mitsubishi (Giappone), Toshiba (Giappone), CGR-MeV

(Francia), Siemens (Germania), Brown-Boveri (Svizzera), CGR/AECL (Canada), NI-

IEFA (Russia). Tali macchine sono tutte prodotte con �nalit�a speci�che e con essibilit�a

di utilizzo limitate al campo di applicazione. D'altro canto, come vedremo, l'utilizzo di

acceleratori copre molteplici settori di interesse, sia nel campo della ricerca scienti�ca

e industriale che nel settore applicativo, e questa interdisciplinariet�a richiede una strut-

tura altamente essibile ed ottimizzata all'uso simultaneo da parte di pi�u utenti. La

versatilit�a della macchina acceleratrice, ovvero la possibilit�a di variare, entro un'ampia

dinamica i suoi parametri fondamentali quali l'intensit�a e l'energia, �e l'aspetto cruciale

nella valutazione delle sue potenzialit�a.

In questa nota verrano discusse brevemente molte delle applicazioni industriali correnti

ed alcune delle potenzialit�a di queste macchine, con l'intento di presentare un punto di

partenza per una discussione sulla fattibilit�a di un centro di irraggiamento in Piemonte che

risponda a reali esigenze sia del settore industriale che del settore della ricerca tecnologico-

applicativa individuate nel nostro territorio.

Gli argomenti trattati vengono presentati raggruppati per aree di interesse. Nel capi-

tolo 2 e 3 sono presentate le applicazioni di irraggiamento di elettroni nel settore chimico

e chimico industriale, mentre nei capitoli 4, 5 e 6 sono discusse le applicazioni dello stes-

so tipo di macchine rispettivamente nel settore biomedico, agricolo ed ecologico. Nel

1

capitolo 7 vengono discusse alcune delle applicazioni correnti di macchine acceleratrici di

adroni (protoni e ioni), ed in�ne, nel capitolo 8, sono presentati alcuni esempi di centri

attualmente esistenti in Europa che operano nei settori di attivit�a discussi.

2

2 Processi chimici indotti da radiazioni ionizzanti

Quando una particella carica attraversa un mezzo, essa cede energia alle molecole cir-

costanti causando eccitazione e ionizzazione. I frammenti delle molecole prodotte pos-

sono reagire chimicamente tra di loro e con le molecole del materiale. Nuove particelle

create in queste reazioni (radicali liberi e ioni secondari) iniziano a loro volta a reagire

generando una trasformazione della struttura molecolare del mezzo e dando origine ad

una nuova sostanza che tipicamente possiede caratteristiche di�erenti dal materiale di

partenza. In generale, l'alterazione strutturale di un mezzo per mezzo di esposizione alla

radiazione o�re alcuni vantaggi, rispetto all'attacco chimico, quali la capacit�a di e�ettuare

l'alterazione alle basse temperature, l'esclusione di agenti catalizzatori che rendono fat-

tibile la produzione di materiali con alto livello di purezza nonch�e la possibilit�a di operare

in condizioni particolari in cui comunque l'azione chimica non sarebbe possibile. In�ne al-

cuni processi radiochimici sono talvolta economicamente pi�u vantaggiosi di altre tecniche

pi�u tradizionali e in alcuni casi rappresentano anche l'unico metodo noto per realizzare

materiali con caratteristiche speci�che. L'argomento �e estremamente vasto ed �e lungi

dagli intenti di questa nota coprirlo in maniera sistematica. Mi limiter�o quindi ad elen-

care solo alcune delle applicazioni pi�u note. Una trattazione sistematica dell'argomento �e

presentata in [3], [4].

2.1 Polimerizzazione

Le radiazioni ionizzanti sono in grado sia di stimolare il processo di trasformazione di

molecole monomeriche in catene di polimeri [5], sia di trasformare catene unidimensionali

di polimeri in reticoli tridimensionali (cross linking, vedi �gura 2.1). La polimerizzazione

pu�o essere e�ettuata in materiali solidi, liquidi e gassosi, ed in soluzioni ed emulsioni. Essa

pu�o essere iniziata in taluni casi irradiando un monomero per un breve periodo di tempo

al �ne di produrre i radicali necessari per eliminare le sostanze inibitorie del processo.

Le catene polimeriche continuano a crescere anche quando l'irraggiamento �e terminato

(processo di postpolimerizzazione). Si �e osservato che ad alti livelli di irraggiamento �e

possibile controllare la crescita polimerica con la creazione di un'alta concentrazione di

radicali primari formati dalla radiazione primaria. Ad alti livelli di intensit�a di radiazione

la concentrazione di radicali primari pu�o essere cos�i elevata da compensare gli e�etti di

materiali inibitori della polimerizzazione, cos�i che la polimerizzazione di alcuni materiali

che tipicamente �e realizzabile solo ad alte pressioni, pu�o procedere a pressione atmosferica.

Tipiche applicazioni industriali di interesse sono la polimerizzazione di acrilamide,

3

Figura 1: Sommario schematico delle reazioni primarie indotte da irraggiamento di elettroni.

trioxano e uoro-ole�ns, insieme alla copolimerizzazione dell'etilene con il vinyl-cloride, il

tetra uoruro-etilene, l'acrinolitrile, il monossido di carbonio, il diossido di zolfo e alcune

altre sostanze.

Un altro processo possibile �e quello detto di graft copolimerization, per mezzo del quale

vengono trattate propriet�a super�ciali di un materiale, quali l'adesivit�a, la colorabilit�a, la

resistenza cromatica alla luce ed altro, tramite la �ssione di un monomero sulla super�cie

del polimero. Variando la dose rilasciata al campione si pu�o controllare lo spessore della

super�cie trattata.

4

Caratteristiche di Quercia Betulla Betulla Tremula Tremula

Caratteristiche diresistenza naturale naturale modi�cata naturale modi�cata

Resistenza di rottura (MPa) 100-300 100-110 �no a 250 70-75 �no a 150

Compressione longitudinale 50-52 40-45 100-125 35 100

Logorio 0.66 0.70 0.23 1.15 0.55

Tabella 1: Propriet�a meccaniche di alcuni tipi di legno prima e dopo il radiotrattamento con

polimetilmetacrilato.

Propriet�a Cemento Cemento polimerizzato

Compressione (Mpa) 30-50 100-200

Ditensione 2-3 10-14

Resistenza di rottura 5-6 20-30

Modulo di compressione (104 MPa) 2.5-3.5 4.5-5.0

Adesione all'armatura 1-2 10-18

Coe�cente di assorbimento

dell'umidit�a (% della massa) 14.1 0

Resitenza a 500 cicli

congelamento-decongelamento 20 6

Resistenza a 5000 cicli rottura 8.5

Tabella 2: Propriet�a del cemento arricchito con polimeri.

La polimerizzazione pu�o essere realizzata anche in sistemi eterogenei quali il legno ed

il cemento [6]. Nel caso del legno, il processo consiste nell'impregnare a vuoto articoli in

legno con monomeri in percentuali �no al 50-70% della massa del campione. Il campione

viene quindi irradiato con dosi che variano tra i 10 e i 15 kGy. Questo processo pu�o

venire utilizzato per ottenere nuovi materiali da campioni in legno di bassa qualit�a, da

utilizzare al posto di quercia, faggio, carpino ecc., con ottime qualit�a di resistenza al

fuoco e ad aggressori di tipo biologico in generale. Una tipica applicazione di questo

processo �e la produzione di parquet. Il processo si pu�o applicare in modo simile anche

a campioni in cemento, ma con una percentuale di monomero inferiore rispetto al legno

(4-7% della massa del campione). Un sommario delle propriet�a speci�che di materiali

eterogenei drogati con polimeri �e presentata nelle tabelle 1, 2.

2.2 Cross-linking

Durante l'irraggiamento di polimeri avvengono due fenomeni concorrenti:

5

� creazione di legami incrociati (cross-links) tra molecole lineari con produzione di

polimeri a struttura spaziale tridimensionale con aumento della massa molecolare

(fenomeno per l'appunto detto di cross-linking, vedi �gura 2.1);

� terminazione delle catene polimeriche e diminuzione della massa molecolare (pro-

cesso detto di distruzione).

Cross-linking e distruzione avvengono simultaneamente. Tuttavia il rapporto tra i due

cambia in funzione del polimero, delle condizioni di radiazione e della presenza di vari tipi

di impurit�a. Il rapporto distruzione/cross-linking �e minore di 1 per il polietilene (1:3), il

polipropilene, il polivinil cloride, il poliacrilamide, il polistirene ed alcuni tipi di gomme,

poliamide e polietere. Questo rapporto diventa invece maggiore di 1 per il polisobutilene,

il polimetilmetacrilato, il politetra uoroetilene e la cellulosa.

I legami incrociati nel processo di cross-linking possono avvenire sia tra molecole con-

tigue, che all'interno di una stessa molecola. Arrivati ad una certa densit�a di legami

molecolari, si crea un singolo reticolo spaziale (space-network). Il materiale acquisisce cos�i

propriet�a particolari, quali l'insolubilit�a del campione in solventi organici, la resistenza

alle alte temperature e alle sollecitazioni meccaniche.

Le caratteristiche fondamentali del processo sono le seguenti:

� l'entit�a della formazione dei cross-link dipende solo dalla dose assorbita, e non dal

tempo di esposizione alla radiazione. Qualora per�o l'irraggiamento sia e�ettuato in

aria, si ottengono risultati migliori e�ettuando l'irraggiamento in tempi brevi, cos�i

da ridurre al minimo gli e�etti di ossidazione sui polimeri;

� l'entit�a della formazione di cross-links non dipende dal tipo di radiazione utilizzata

(elettroni, fotoni o adroni);

� il processo dipende dalla presenza di piccole miscele di sostanze quali l'acetilene e

l'ossigeno.

Il processo pi�u estensivamente utilizzato nell'industria �e la radioproduzione di cross-

linking in polietilene. Vi �e un ampio numero di applicazioni del polietilene irradiato:

guaine e isolanti di �li e cavi che operano in situazioni estreme (alte temperature (�no

a 300oC), agenti chimici corrosivi, radioattivit�a); fogli porosi di polietilene usati sia per

isolamento da rumore, calore e conduzione elettrica, sia come elementi per la protezione

dagli urti nei sistemi da imballo [7]; articoli dotati di memory e�ect per la protezione di

6

cavi (guaine termorestringenti [8]) e per gli imballi. I dosaggi tipicamente richiesti per la

produzione di questi tipi di articoli variano tra i 50 e i 300 kGy.

Un altro processo intensivamente utilizzato nell'industria �e quello della radiovulcaniz-

zazione della gomma. I cross-link prodotti nel processo di vulcanizzazione sono molto pi�u

stabili dei lunghi legami di zolfo creati nel processo di vulcanizzazione a caldo. La gomma

con cross-link prodotti per irraggiamento possiede una pi�u elevata resistenza al calore,

resistenza all'invecchiamento e alla deformazione alle alte temperature ed in generale una

migliore resistenza all'uso. I dosaggi richiesti sono dell'ordine di 5�10�104 Gy, e l'energia

utilizzata �e di molto inferiore a quella necessaria utilizzando il processo di vulcanizzazione

termochimico. Le applicazioni pi�u correnti si hanno nell'industria dei pneumatici e dei

cavi. Nella vulcanizzazione dei pneumatici �e necessario irradiare la gomma per alcune

decine di millimetri, il che richiede acceleratori di energie superiori ai 10 MeV. Mentre

�no ad alcuni anni fa il costo di questa tecnologia non era economicamente vantaggioso,

oggi, con la di�usione a livello commerciale delle macchine acceleratrici di elettroni, questa

tecnologia pu�o essere competitiva.

2.3 Radiodistruzione di polimeri

Come osservato nel capitolo 2.2, l'irraggiamento di un polimero pu�o causare scissioni

molecolari e formazione di polimeri con ridotta massa molecolare. La distruzione va

quindi distinta dalla depolimerizzazione, dove il polimero viene interamente convertito in

monomero per mezzo di processi termici. Gli e�etti macroscopici della radiodistruzione

sono l'aumento della solubilit�a e la diminuzione della viscosit�a. Per questo motivo le

applicazioni correnti di questo processo avvengono nel settore della produzione di elementi

spray dal politetra uoroetilene e di lubri�canti dalla gomma.

Una delle applicazioni pi�u promettenti del processo di radiodistruzione riguarda la pro-

duzione di detergenti altamente stabili per lo smaltimento dei ri�uti, come verr�a descritto

nel capitolo 6.2.

2.4 Processi combinati

Sotto questa categoria si raggruppano quei processi in cui �e l'e�etto combinato dei processi

precedenti a dar luogo a delle caratterizzazioni particolari del materiale trattato. Una delle

pi�u di�use tecnologie di questo tipo �e il radiotrattamento di vernici e lacche. Nei metodi

tradizionali l'essiccamento della vernice avviene in forni, con temperature tipiche di 60-

7

70oC, dalle dimensioni che possono raggiungere alcune decine di metri, e con tempi di

essiccamento che sono di alcune ore. Con la radiopolimerizzazione i tempi di trattamento

si riducono a circa 1 sec., e non �e richiesto un intervento di politura dopo l'irraggiamento.

I processi che hanno luogo, simultaneamente, in questo tipo di applicazione sono tre:

� polimerizzazione dei monomeri;

� cross-linking;

� sviluppo di legami chimici tra il polimero e le molecole del substrato.

Le lacche, polimerizzate a temperature ambiente, possono essere applicate a legno, carta,

sto�a, ecc.. Per queste applicazioni si richiedono generalmente acceleratori di energia 150-

300 keV, con dosaggi di 20-200 kGy. La tecnologia trova applicazioni anche nel settore del

deposito di pellicole su nastro magnetico e nell'industria poligra�ca, dove si �e dimostrata

potenzialmente molto interessante per l'alta qualit�a del depositio di inchiostro sulla carta

moneta, con conseguente aumento del tempo di circolazione [9].

Un'altra applicazione di questo tipo di processi riguarda l'industria tessile. Il processo

viene impiegato per realizzare �bre ignifughe, idro�le e idrofobe con elevate caratteristiche

di robustezza, resistenza all'accumulo di cariche statiche ed altro. La realizzazione di �bre

autostiranti viene e�ettuata utilizzando cross-link tra gruppi idrossili in �bre di cotone o

viscosa. La radiopolimerizzazione di �bre ignifughe consente inoltre di ottenere campioni

incombustibili, mentre acrilati di uoro e siloxani possono essere usati, per mezzo del

processo di graft-polimerization, per ottenere �bre idro�le.

Va menzionato in�ne l'impiego di acceleratori di elettroni per trattare campioni in

�bra di vetro [10], ove le caratteristiche �nali del campione dipendono sia dal materiale

iniziale, sia dal tipo di polimero usato. Le caratteristiche tipiche del nuovo materiale

ottenuto riguardano una migliorata resistenza agli urti, un'alta stabilit�a chimica e una

pi�u bassa densit�a.

8

3 Applicazioni nell'industria metallurgica

3.1 E�etti termici

Un frazione importante dell'energia rilasciata dalla particella che attraversa il campione

irradiato viene convertita in calore. Modulando la potenza rilasciata sul campione da

trattare, tipicamente un metallo, �e possibile e�ettuare saldature, lavorazioni di super�cie

ed altro.

Per mezzo di Electron Beam Melting �e possibile e�ettuare fusioni di metallo di alta

purezza, tipicamente per materiali come il niobio, il tantalio ed altri metalli con alte

temperature di fusione. La purezza �e garantita dal fatto che essendo possibile lavorare a

bassa pressione, viene minimizzato l'assorbimento di impurit�a gassose durante il processo

di fusione. I parametri dei fasci di elettroni tipicamente utilizzati per queste applicazioni

sono una energia bassa (15�40 keV) e potenze speci�che dell'ordine di 103�104 W/cm2

e con intensit�a di fascio di 50�1000 kW.

Un'altra applicazione possibile �e data dal Electron Beam Welding, ovvero la radio-

saldatura dei metalli. Il vantaggi di questo tipo di saldatura consiste nella possibilit�a

di limitare l'aumento di temperatura alla sola zona di saldatura, e consente saldature di

materiali refrattari. Un'applicazione tipica di questa tecnologia �e la saldatura di oggetti

in titanio o leghe di titanio, variamente utilizzate nell'industria aerospaziale. Le caratte-

ristiche richieste per e�ettuare questo tipi di applicazione sono energie di fascio di 30�150

keV e intensit�a di �150 kW. Questa applicazione viene solitamente eseguita in camere a

vuoto [11].

Per mezzo di illuminazione impulsata del campione �e possibile e�ettuare trattamenti

dimensionali quali ad esempio forature di varie forme. Il fascio viene impulsato in questo

caso al �ne di consentire il degassamento del campione tra un impulso e l'altro cos�i da

minimizzare perdite di potenza del fascio sui gas emessi dall'evaporazione del metallo.

In questo modo si possono e�ettuare modellazioni gi�a a potenze di 15 kW ed energie di

150�200 keV.

Vi �e in�ne una serie di applicazioni nel settore del trattamento delle super�ci, quali

rivestimenti, indurimenti, e di�usione di metalli di�erenti. L'utilizzo di fasci di elettroni

�e particolarmente vantaggioso per e�ettuare indurimento di super�ci poich�e raggiunge

livelli di durezza molto superiori a quelli ottenuti con altri metodi (la durezza di Brinell

per alcuni acciai risulta essere 100�200 unit�a superiori rispetto al caso di indurimento

per induzione). Inoltre nell'indurimento indotto da irraggiamento solo un sottile strato

9

del materiale viene riscaldato e di conseguenza vengono ridotti i margini di deformazione

del materiale processato. Le installazioni industriali esistenti che utilizzano queto metodo

impiegano acceleratori con energie di 150�200 keV e potenze di 50�60 kW.

3.2 Imaging

Fasci di elettroni possono essere utilizzati, in sostituzione di sorgenti radioattive, per

e�ettuare tomogra�e di componenti meccaniche e saldature. Il vantaggio di un fascio

rispetto ad una sorgente, in questo tipo di applicazione, �e dovuto alla possibilit�a che si ha

con un fascio di modularne l'energia e quindi la capacit�a di penetrazione nel materiale,

e l'intensit�a, ovvero l'esposizione della lastra e quindi la risoluzione. Ad esempio, la

ricostruzione di immagini tomogra�che per la rivelazione di difetti in materiali plastici e

in altri materiali leggeri, o in lastre sottili di acciaio di 120�150 mm si pu�o e�ettuare con

radiazione di qualche centinaio di keV; per lastre di acciaio di 500�600 mm di spessore

invece �e richiesta una radiazione di circa 10 MeV di energia.

Con fasci di elettroni �e anche possibile e�ettuare difettoscopie di super�ci, misurando le

correnti di ri essione degli elettroni sulla super�cie colpita. Il metodo �e particolarmente

e�ciente quando si riduce l'angolo di incidenza del fascio di elettroni sulla super�cie,

poich�e in questo caso la corrente di ri essione aumenta considerevolmente.

10

4 Applicazioni in biomedicina

Il 50% dei circa 10000 acceleratori operanti nel mondo sono dedicati ad attivit�a nel settore

biomedico [12]. Gli acceleratori lineari di elettroni sono la pi�u di�usa sorgente di raggi

X utilizzata per la radioterapia dei tumori, e per le loro caratteristiche sono oggi da

preferire alla pi�u convenzionale tecnica che utilizza sorgenti di Co60. L'escursione in

energia richiesta per queste applicazioni �e di 5�25 MeV. Le macchine dedicate alla

radioterapia sono solitamente installate negli ospedali e la descrizione del loro utilizzo

esula dagli intenti di questa nota dal momento che per l'esclusivit�a del loro esercizio non

�e possibile considerare il loro utilizzo come una parte di un'applicazione interdisciplinare.

Vi sono tuttavia altre applicazioni speci�che che meritano di essere menzionate come

possibili settori di attivit�a di un centro interdisciplinare di irraggiamento.

4.1 Ricerca nel settore dei biomateriali

In medicina vi �e un bisogno costante di elaborare materiali che siano compatibili con

tessuti vivi e non creino crisi di rigetto nel paziente. Tipicamente si tratta di materiali

per la costruzione di organi o altri elementi arti�ciali. I biomateriali sono realizzati di

solito con polimeri che hanno la propriet�a di non causare e�etti indesiderati quando

messi a contatto con tessuti vivi. I migliori materiali da impiantazione biologica sono

gli idrogel, che sono in grado di assorbire e preservare una considerevole quantit�a di acqua

(tipicamente pi�u del 10%), oltre a possedere delle propriet�a di interfaccia con le soluzioni

acquose che minimizzano le interazioni con le proteine e quindi il pericolo di trombocitosi

e altri meccanismi di incompatibilit�a �siologica. Al �ne di ottenere la forma desiderata

di solito gli idrogel vengono combinati con delle sostanze con buone caratteristiche di

compostezza meccanica (tipicamente un polimero idrofobo). Il processo di combinazione

avviene tramite radiografting (vedi capitolo 2.1). Modi�cando il rapporto di sostanze

idro�le e idrofobe �e possibile cambiare notevolmente le propriet�a del biomateriale.

In generale i biomateriali vengono ottenuti tramite graft-polimerization di monomeri

e polimeri, o tramite cross-linking. Tra i vantaggi di queste tecniche su altre vi �e an-

che l'automatica sterilizzazione del campione durante il processo (vedi il capitolo 4.2).

I materiali impiegati sono tipicamente il te on, l'a on con acido dimetilacrilato graft-

polimerizzato sulla super�cie. La graft-polimerization migliora anche la compatibilit�a di

questi polimeri con il sangue [13].

11

4.2 Sterilizzazione

La sterilizzazione di presidi medico-chirurgici �e stata una delle prime applicazioni su scala

industriale degli acceleratori di elettroni, ed �e tuttora l'applicazione radiobiologica di

queste macchine pi�u di�usa. Questa tecnologia o�re i seguenti vantaggi rispetto ad altri

sistemi quali la bollitura, il riscaldamento a secco o l'ETO gas (ossido di etilene):

� la dose necessaria per eliminare tutti i microorganismi (tipicamente � 25 kGy) non

causa alcun tipo di danneggiamento all'apparecchio medico (�li e strumentazione

chirurgica, siringhe ed altri materiali contenenti gomma, metalli, plastica ed altro);

� altri sistemi di sterilizzazione, come la bollitura non sono sempre possibili, o peg-

giorano le propriet�a dell'oggetto. La resistenza di un �lo di sutura radiosterilizzato

�e dieci volte superiore a quella di un �lo sterilizzato mediante bollitura;

� gli oggetti possono essere sterilizzati anche dopo essere stati confezionati;

� il processo ha un elevato coe�ciente di a�dabilit�a;

� il processo ha una maggiore e�cienza di produzione.

In ragione di questi vantaggi, la produzione attuale di articoli sterilizzati con fasci di

particelle ionizzanti corrisponde oggi al 80% della produzione totale [14], ed il numero di

impianti dedicati realizzati a questo scopo �e in continua crescita [15], [16], [17]. Un esempio

di un impianto di questo tipo, realizzato dalla IMPELA, �e rappresentato in �gura 4.2.

Di regola un irraggiamento di 25 kGy consente di ottenere purezze di sterilizzazione di 1

campione non sterile su 100 milioni trattati. Le radiazioni ionizzanti vengono impiegate

anche nella preparazione di vaccini. In questo caso la dose impiegata �e inferiore al caso

della sterilizzazione, cos�i che i microorganismi vengono solo indeboliti per essere utilizzati

come vaccinatori.

12

Figura 2: Schema di un impianto per la sterilizzazione con fascio di elettroni.

5 Applicazioni in agricoltura

La sterilizzazione di materiale alimentare sta acquisendo importanza in applicazioni in-

dustriali negli ultimi anni, anche a causa del bando di alcuni trattamenti chimici usati

in passato che si sono rivelati altamente inquinanti, come ad esempio l'etilene dibromide

(EDB), utilizzato �no al 1984, per la disinfestazione di frutta e verdura. Inoltre le leggi in-

ternazionali sui quantitivi massimi di metil bromidi residui, utilizzati per la conservazione

di frutta secca, mele ed alcuni tipi di verdura, di�eriscono e non consentono il commer-

cio internazionale. �E inoltre probabile che con il tempo l'uso di queste sostanze venga

fortemente limitato. Il congresso americano ha �nanziato numerose attivit�a che operano

nel settore della ricerca di tecnologie di irraggiamento di alimenti, e ne ha regolamentato

l'attivit�a attraverso il US Food and Drug Administration, FDA, che consente l'utilizzo

di irraggiamento di alimenti per dosi che non eccedono i 100 krad [18], regolamentando

13

anche il tipo di particelle utilizzate nell'irraggiamento e l'energie massime consentite. In

Europa la materia non �e ancora regolamentata in modo organico e diversi paesi hanno

regolamentazioni di�erenti. La materia �e quindi a tutt'oggi al centro di un'intensa attivit�a

di studio.

5.1 Disinfestazione di cereali

Un problema importante in agricoltura �e la conservazione e la preservazione del raccolto.

Gli insetti presenti nei cereali sono responsabili, nel periodo di stoccaggio, della distruzione

di circa il 5�10% del raccolto mondiale e di circa il 50% del raccolto nei paesi tropicali.

Il metodo principale utilizzato per l'eliminazione degli insetti nocivi �e l'attacco chimico,

utilizzato sia in fase di stoccaggio che in fase di trasporto. Questo sistema ha il duplice

svantaggio di un costo elevato e della potenziale tossicit�a dei prodotti utilizzati. Ricerche

in questo campo hanno dimostrato che irraggiamenti con dosi di 100-200 Gy consentono

la sterilizzazione di tutti gli insetti presenti e la loro completa eliminazione in tempi di

2-3 settimane. Questo trattamento �e noto con il nome di radiodeinsettizzazione. La

radiodeinsettizzazione consente una protezione parziale del cereale raccolto per un certo

periodo di tempo, poich�e la fertilit�a degli insetti che si aggiungono al campione raccolto

viene diminuita in conseguenza dell'accoppiamento dei nuovi insetti con insetti sterili. Un

metodo simile viene utilizzato in ambiente naturale disseminando insetti sterili in campo.

5.2 Conservazione del legno

Anche in questo caso l'irraggiamento con elettroni viene utilizzato per eliminare dal le-

gname insetti nocivi (in particolare nematodi). Questa azione �e molto importante per

l'esportazione del legname dal momento che le leggi che ne regolano il transito da un paese

all'altro contengono norme che riguardano l'infestazione del materiale. Vanno inoltre qui

ricordate le applicazioni su legno di polimeri come descritto nel capitolo 2.

5.3 Degermogliazione

Il problema della germogliazione, che avviene quando il periodo di stoccaggio di un prodot-

to si prolunga, pu�o essere risolto con l'irraggiamento. Per esempio l'irraggiamento di

patate con dosi di 50�150 Gy previene la formazione di germogli per 5�10 mesi in

stoccaggio a temperatura ambiente. L'irraggiamento viene e�ettuato poche settimane

14

dopo il raccolto. Va osservato che le patate non possono essere irradiate direttamente nei

container e che i germogli profondi del tubero non possono essere trattati ai livelli di dose

descritti. Anche le cipolle possono essere degermogliate con dosi di circa 100 Gy rilasciate

immediatamente dopo il raccolto.

5.4 Selezione genetica

Le radiazioni ionizzanti rappresentano un importante strumento per ottenere mutagenesi

di un'ampia variet�a di piante. La mutagenesi ottenuta per irraggiamento �e un processo

casuale e solo una piccola frazione delle mutazioni ottenute pu�o considerarsi potenzial-

mente utile. Tuttavia con questo metodo, i tempi del miglioramento genetico possono

essere fortemente ridotti e nuovi prodotti altamente performanti possono essere ottenuti.

Tipicamente si preferisce irradiare il seme, con dosi dell'ordine del centinaio di Gy. �E con

questi metodi di mutagenesi che sono stati ottenute alcune variet�a di grano, con alti livelli

di produttivit�a. A tutt'oggi pi�u di 500 variet�a di colture ottenute per radiomutagenesi

sono state di�use nel mondo.

15

6 Protezione ambientale

Gli acceleratori di particelle hanno trovato recentemente applicazioni nel settore ecologico,

per la riduzione o l'eliminazione di sostanze inquinanti di vario tipo [27]. In particolare

possono essere trattati due tipi fondamentali di agenti inquinanti:

� sostanze in atmosfera (gas prodotti da combustione in ciminiera, aerosol, solventi

evaporati);

� sostanze in acqua, nel suolo e in fognatura.

6.1 Trattamento di gas combusti in ciminiera

Prodotti quali SO2 e NOx, prodotti dalla combustione ed emessi in atmosfera sono noti

per essere altamente inquinanti. La quantit�a di anidride solforica e ossido di azoto emessi

in atmosfera nel nostro pianeta sono dell'ordine di milioni di tonnellate, responsabili della

formazione di piogge acide ed altri danni ambientali rilevanti. I sistemi attualmente

utilizzati sono il Wet Scrubber per l'eliminazione del SO2 e Selectic Catalytic Reaction

per l'eliminazione del NOx. Lo smaltimento delle scorie di tali trattamenti rimane per�o

di�coltoso. L'uso di acceleratori di elettroni in questo settore �e in via di sperimentazione

in alcuni paesi, quali la Germania, gli Stati Uniti, il Giappone [28] e la Polonia [27].

La ionizzazione prodotta sui fumi di molecole di N2, H2O, CO2 e O2 produce radicali

liberi che si possono combinare con le molecole di SO2 e NOx per formare i rispettivi

acidi. Poich�e il trattamento avviene in ammonia, gli acidi prodotti vengono a loro volta

convertiti in solfati di ammonio e nitrosolfati di ammonio, ovvero in prodotti che possono

essere riutilizzati a loro volta come fertilizzanti in agricoltura e per altri prodotti di utilizzo

corrente. L'e�cenza di trasformazione �e stata stimata essere il 95% per SO2 e 80% per

NOx. Le potenze attualmente richieste per tali macchine acceleratrici sono dell'ordine

di 50-100 kW con energie dell'ordine di 1 MeV. Analisi economiche e�ettuate su questa

tecnologia dimostrano che �e economicamente vantaggiosa per volumi di gas di scarico

minori di 120000 Nm3/h, ma il costante sviluppo di macchine acceleratrici e il conseguente

abbattimento dei loro costi potr�a presto modi�care sostanzialmente questi risultati.

6.2 Trattamento di acque e fognature

Nei trattamenti convenzionali di depurazione delle acque per ogni tonnellata di acqua

depurata diversi chili di sostanze inquinanti vengono raccolti. Inoltre i metodi biologi-

16

ci sono lenti, costosi e soprattutto sensibili alle sostanze chimiche presenti nell'acqua, e

non �e sempre possibile garantire un alto livello di sterilizzazione dell'acqua di de uvio

dall'impianto. I metodi termici per altro sono costosi e non possono essere utilizzati su

scala industriale. Studi sull'utilizzo di radiosterilizzazione dell'acqua hanno dimostrato

che l'irraggiamento non modi�ca la struttura chimica dell'acqua e non ne altera le propri-

et�a biologiche. Inquinanti quali il percloroetilene e il tricloroetilene vengono e�cacemente

decomposti a dosi di 100-500 Gy [27]. Il trattamento �e molto e�cace quando combinato

con processi di ozonizzazione. Le energie richieste per questo tipo di applicazione sono

tipicamente di 4�10 MeV, con potenze di 50-200 kW. �E stato dimostrato [29] che questo

trattamento �e estremamente potente anche per eliminare la contaminazione di falde ac-

quifere con pesticidi e erbicidi �ltrati dal terreno, con applicazioni di irraggiamenti di

0.5-1 Mrad. Ricerche sperimentali in questo settore vengono correntmente svolte in molti

laboratori. In Italia, presso l'ENEA di Frascati, �e stato e�ettuato uno studio per eliminare

polifenoli dalle acque di scarico dei frantoi [30]. I risultati, ottenuti con un acceleratore

da 5 MeV si sono rivelati estremamente promettenti. �E forse inutile sottolineare come sia

estremamente importante estendere le analisi a vari tipi di processi per caratterizzare al

meglio le potenzialit�a di questa metodologia.

Un'altra applicazione possibile riguarda la sterilizzazione delle acque fognarie. �E noto

che il composto ottenuto trattando i liquami provenienti dalle fognature municipali costi-

tuisce potenzialmente un ottimo additivo ai fertilizzanti utilizzati in agricoltura. Il riciclo

delle acque di scarico �e limitato principalmente da due fattori:

� presenza di sostanze tossiche, organiche ed inorganiche;

� esistenza di organismi patogeni, potenziali veicoli di malattia per animali e piante.

Diverse stazioni di test sono state costruite per sperimentare l'impatto di un trattamento

ad irraggiamento su acque di fognatura. I risultati sono anche in questo campo molto

promettenti e garantiscono, con l'utilizzo di acceleratori adeguati, la depurazione di grosse

portate d'acqua. Le energie utilizzate sono di 2�10 MeV, con potenze di irraggiamento

di 50-200 kW.

Recentemente vengono e�ettuati test che riguardano anche lo smaltimento di ri�u-

ti solidi organici, un aspetto che per dimensioni, milioni di tonnellate in paesi media-

mente popolati, rappresenta una delle principali s�de al problema globale della protezione

dell'ambiente. Va aggiunto qui che esistono alcuni programmi di �nanziamento dell CEE

per la creazione di strutture adibite alla ricerca e alla realizzazione di impianti dedicati

alla protezione dell'ambiente. Si veda ad esempio il progetto LIFE [31].

17

Una tavola sinottica delle applicazioni industriali di fasci di elettroni discusse nei

paragra� precedenti �e riportata in tabella 3.

18

Prodotto Risultato e vantaggi Processo

Isolanti per �li e cavi, Materiali termorestringenti, cross-linkink, vulcanizzazione

isolanti plastici, resistenza all'usura, al calore,

imballaggi plastici, �lm; migliore omogeneit�a dielettrica.

polietilene in schiuma; Compressione, restenza alla tensione cross-linkink, vulcanizzazione

gomma naturale e sintetica; stabilit�a alle alte temperature,

resistenza alle abrasioni; vulcanizzazione

a freddo, eliminazione di agenti chimici

per la vulcanizzazione

fumi da inceneritori; Precipitazione di SO2 e NOx reazione chimica

semiconduttori a stato solido; riduzione dello switching time, alterazione cristallina

aumento dell'e�cenza di resa, stabilizzazione

del guadagno, riduzione del rumore nei diodi

zener, alterazione dei livelli beta

pietre preziose, cristalli colorazione permanente

e vetri;

materiali adesivi; aumento della forza di incollaggio; migliore Curing, polimerizzazione

resistenza chimica, alle abrasioni, alle

condizioni atmosferiche; eliminazione

dei solventi, trattamento rapido, trattamento a

basse temperature, no limitazioni sui colori

rivestimenti, vernici e

inchiostri su legno,

metallo e plastica

legno e cemento; resistenza al danneggiamento, righe, abrasioni, polimerizzazione

torsioni; stabilit�a dimensionale;

uniformit�a super�ciali; miglioramento di

legni di bassa qualit�a (parquet)

cellulosa; aumento dei legami chimici depolimerizzazione

�bre in tessuto; stirabilit�a, resistenza al lavaggio, grafting

resistenza all'usura, migliore colorabilit�a,

migliore dissipazione statica, stabilit�a

termica

�lm e carta adesivit�a, resistenza all'umidit�a

patate, grano, riso, aumento del tempo di conservazione pastorizzazione, disinfestazione

cipolle, pesce, pollo,

fragole;

acque di scarico; trattamento dei ri�uti solidi, riutilizzo

in agricoltura dei derivati del trattamento

presidi medici e processo di materiali non resistenti al calore, sterilizzazione

contenitori sterilizzati; alta velocit�a di lavorazione, bassi consumi di

lavorazione

Tabella 3: Tavola sinottica delle applicazioni industriali di acceleratori di elettroni.

19

7 Applicazioni di acceleratori di protoni e ioni

Fasci di ioni sono utilizzati in molte applicazioni complementari per determinare la com-

posizione atomica di un materiale. Le tecniche maggiormente note sono [19], [20]:

� Rutherford Backscattering (RBS)

� Proton Induced X-ray Emission (PIXE)

� Charged Particle Activation Analysis (CPAA) o Nuclear Reaction Analysis (NRA)

� Secondary Ionization Mass Spectrometry (SIMS)

� Particle Desorption Mass Spectrometry

Le tecniche RBS e PIXE sono note oramai da alcuni anni, mentre CPAA e NRA sono

pi�u recenti. Mentre RBS �e molto adatto allo studio di elementi pesanti in substrati

leggeri (viene ad esempio impiegata nella ricerca nel campo dei semiconduttori), l'NRA

pu�o essere utilizzata nello studio di elementi leggeri in substrati spessi (metalli) e trova

applicazioni in metallurgia. In particolare �e stata utilizzata per comprendere la struttura

e il comportamento di superconduttori caldi.

La CPAA viene utilizzata in due ambiti: lo studio di concentrazioni di bassisima

densit�a e studi di difetti (erosione e corrosione). Nel primo caso �e possibile ricostruire

abbondanze di elementi presenti in un campione con risoluzioni dell'ordine del ppb (una

parte per miliardo i.e. 10�9). Si possono cos�i determinare impurit�a di C, N o O ed altri

eventuali contaminanti in campioni di metallo. Le energie di fascio per queste applicazioni

stanno, a seconda della profondit�a di analisi richiesta (�m�mm), nell'intervallo 1�45

MeV. La seconda applicazione richiede l'attivazione di una sottile pellicola di materiale,

e nel monitoraggio della radiazione emessa, una variazione negativa di radiazione emessa

corrisponde ad un de�cit di massa.

L'utilizzo di fasci di piccole dimensioni, detti anche microsonde nucleari, ha consentito

la trasfomazione della tecnica di PIXE da uno strumento di tipo analitico ad uno atto

alla ricostruzione di immagini (imaging). Consente di ottenere una mappa dei materiali

presenti nel campione, ed in questo senso questa applicazione pu�o essere considerata un

tipo di microscopia nucleare. Si tenga presente che �e tecnologicamente possibile arrivare

a risoluzioni spaziali eccellenti con dimensioni del fascio di 1 �m. Applicazioni di questa

tecnologia includono la mappatura di strutture a multistrato nei semiconduttori, lo studio

di superconduttori caldi, l'analisi di difetti nelle saldature ed altro.

20

La combinazione di RBS (per l'analisi in profondit�a) e PIXE consente la ricostruzione

di immagini e mappature atomiche tridimensionali.

Mentre in tutte queste applicazioni, dette di Ion Beam Analysis, l'acceleratore viene

utilizzato per bombardare il campione da analizzare, nellaAccelerator Mass Spectroscopy

sono gli ioni stessi del campione che vengono accelerati al �ne di identi�carne la struttura

in massa, come descritto nel capitolo 7.1.

7.1 Applicazioni AMS

AMS sta per Accelerator Mass Spectrometry ed identi�ca una tecnologia che sfrutta

l'accelerazione di ioni estratti da un campione per identi�carne la struttura di massa

e misurarne l'abbondanza. Questa tecnologia, che �e stata sviluppata circa 15 anni or

sono [21], �e in rapido sviluppo e trova applicazioni in diverse aree di ricerca (vedi [22]),

mentre si moltiplicano in tutto il mondo i laboratori che praticano questa metodologia.

7.1.1 Applicazioni biomediche

L'elevata sensitivit�a dell'AMS consente di e�ettuare misure accurate di dosimetria di

tossine, mutageni e carcinogeni a livelli di dose corrispondenti alla esposizione naturale

dell'ambiente. La sensitivit�a di questa tecnologia consente l'analisi di isotopi presenti in

percentuali di una parte per miliardo (1:109) in campioni di qualche milligrammo di peso.

In realt�a �e stato dimostrato che la sensitivit�a dell'AMS in queste applicazioni raggiunge

livelli di zeptomole (zmole = 10�21 mole), e possiede un'ampia dinamica (�no a livelli di

100 femtomole) [23] per la rivelazione di isotopi 3He, 14C, 27Al e 41Ca. �E da osservare che

molte applicazioni in questo settore si possono ottenere con piccole macchine ottimizzate

per 14C ed 3H, poich�e con questi traccianti si possono probabilmente e�ettuare la maggior

parte delle analisi nel settore biomedico. Un esempio di una potenziale macchina di questo

tipo, proposta da Purser [24] �e mostrata in 7.1.1.

7.1.2 Applicazioni in archeologia

La possibilit�a di fornire, tramite AMS, datazioni accurate da campioni di un milligrammo

o meno di carbonio, ha generato un notevole interesse nel settore archeologico, ed ha

prodotto negli ultimi anni una notevole messe di analisi in questo settore. Un esempio

rilevante �e la datazione dell'uomo di Hauslabjoch, ritrovato nel 1991 nel massiccio di

Similaun in sud Tirolo (Italia) (un reperto noto anche col nome di uomo di ghiaccio).

21

Figura 3: Schema di uno spettrometro per applicazioni cliniche o biomediche.

L'utilizzo di tecniche AMS per la radiodatazione al carbonio ha consentito di situare

l'et�a dell'uomo di ghiaccio in un periodo di tempo compreso tra il 3350 e il 3100 AC [25],

fornendo quindi un tassello importantissimo nella ricostruzione storica del periodo dell'et�a

del bronzo nel nord Italia.

7.1.3 Applicazioni in geologia ed ecologia

Una grande quantit�a di dati �e oggi necessaria nel settore delle geoscienze, al �ne di veri-

�care la descrizione con sistemi di simulazione di grandi sistemi biogeochimici. Molti dei

parametri necessari, nei di�erenti campi di interesse geo�sico quali la paleoclimatologia, la

chimica e la dinamica dell'atmosfera, l'oceanogra�a, lo studio di processi di erosione e delle

glaciazioni, possono essere misurati con tecnologie AMS che utilizzano isotopi traccianti

e cronometrici per lo studio del geociclo del carbonio.

La possibilit�a di e�ettuare misure accurate di piccole concentrazioni di isotopi ra-

dioattivi di lunga vita media, consente inoltre di svolgere valutazioni di dosimetria at-

mosferica. Una misura e�ettuata su campioni prelevati a Hiroshima e Nagasaki [26] con

22

l'ausilio di tecnologia AMS sull'isotopo 36Cl, ha consentito la misura della concentrazione

di quest'isotopo in funzione della distanza dall'esplosione, ed ha fornito importanti risul-

tati, in concomitanza con l'analisi epidemiologica dei sopravissuti, sulla comprensione

degli e�etti di danneggiamento biologico da neutroni e sui meccanismi di trasporto con-

seguenti allo scoppio. Misure con 129I per la caratterizzazione di contaminazioni dovute

alla presenza di scorie nucleari sovietiche nell'Artico, e al disastro di Chernobil, sono

attualmente e�ettuate presso molti laboratori AMS.

7.2 Produzione di isotopi per Positron Emission Tomography

Acceleratori di protoni vengono utilizzati da tempo per la creazione di isotopi per uso

biomedico, quali ad esempio 201Tl, 123I, 63Ga utilizzati nelle tomogra�e SPECT (Single

Photon Emission Computed Tomography). Questi isotopi hanno vite medie relativamente

lunghe e possono essere acquistati in vari laboratori nel mondo. Diversa �e invece la

situazione per gli isotopi che vengono utilizzati nella tomogra�a PET, 11C, 13N, 15O, 18F.

Questi isotopi infatti hanno vite medie che vanno dai 2.1 ai 110 minuti ed devono quindi

essere prodotti in situ per poter essere utilizzati. La macchina necessaria allo scopo pu�o

essere un ciclotrone [32] o un linac [33] di protoni con energie che vanno dai 10 ai 18

MeV, con correnti dell'ordine di 10�50 �A. La sala di trattamento del paziente, per la

realizzazione della tomogra�a, andrebbe posta in questo caso il pi�u possibile in prossimit�a

dell'acceleratore, al �ne di minimizzare i tempi richiesti per il trasporto.

7.3 Impiantazione Ionica

Questa �e una della pi�u di�use applicazioni industriali di fasci di ioni esistenti oggi.

L'impiantazione ionica �e una tecnica che consente di drogare un semiconduttore con tipi

speci�ci di ioni, che accelerati ad una determinata energia, vengono impiantati nel semi-

conduttore ad una data profondit�a. Questa tecnologia ha rimpiazzato le tecniche di

impiantazione per di�usione consententendo la rapidissima evoluzione tecnologica che si

�e veri�cata negli ultimi anni nel settore della microelettronica.

Gli impianti attualmente pi�u di�usi sono acceleratori di bassa energia (pochi keV)

con correnti dell'ordine del mA. L'impiantazione ionica consente anche di modulare altre

propriet�a dei materiali quali la conduttivit�a elettrica, la durezza super�ciale, la resistenza

alla corrosione, il coe�cente di attrito, le propriet�a adesive e catalitiche. Vi sono appli-

cazioni nel settore ferroviario dell'alta velocit�a, per il miglioramento dei componenti ad

23

alto stress quali cuscinetti, rotori, alberi ed altre parti meccaniche soggette a rapida usura,

e nel settore medico, nel campo degli arti arti�ciali, soprattutto per la realizzazione di

articolazioni e protesi d'anca.

24

8 Centri di irraggiamento in Europa: alcuni esempi

L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare [34] �e uno dei pi�u importanti istituti di ricerca in

Italia. �E organizzato in 19 sezioni, 4 laboratori nazionali e collabora con istituti di ricer-

ca di tutto il mondo in progetti di ricerca sperimentale e teorica nel settore della Fisica

nucleare e subnucleare. Uno dei quattro laboratori nazionali, il laboratorio di Legnaro

(Padova), in collaborazione con la PROEL Tecnologie S.p.A. e LABEN S.p.A. (grup-

po IRI-FINMECCANICA) e con l'Istituto di Fisica Nucleare di Novosibirsk (Russia) ha

installato e reso operativo un acceleratore di elettroni (modello ILU6) con lo scopo di pro-

muovere e attivare la ricerca e lo sviluppo di nuovi processi quali alcuni di quelli descritti

nelle sezioni precedenti [35]. L'impianto �e entrato in servizio nel 1994 ed ha permesso

di ottenere importanti risultati nella ricerca di nuovi materiali utilizzati prevalentemente

a scopo scienti�co, medico-ambientale ed aerospaziale. ILU6 �e un acceleratore lineare

a singola cavit�a risonante che raggiunge un'energia massima di 2.5 MeV e una potenza

di 20 kW, anche se, per ragioni logistiche e di radioprotezione l'apparecchiatura �e stata

utilizzata �no a potenze massime di 1 kW.

Un centro che per le sue caratteristiche rappresenta un ottimo esempio delle poten-

zialit�a discusse in questa nota �e situato presso l'Universit�a di Gent in Belgio. Questo

istituto [36] �e equipaggiato con un acceleratore lineare di elettroni di 15 MeV di energia

e pu�o raggiungere potenze massime di 20 kW. �E stato inizialmente concepito per ricerche

fondamentali nel campo della �sica nucleare e durante gli ultimi anni �e stato potenziato

per a�rontare un intenso programma di ricerca nei settori della ricerca di biomateriali,

chimica dei polimeri, tecnologie alimentari, radiologia e dosimetria. L'intensit�a del fascio

prodotto dall'acceleratore copre 16 ordini di grandezza: da un intensit�a dell'ordine di

pochi elettroni al secondo, �no a correnti medie di 2 mA, mentre l'energia del fascio pu�o

essere modulata da 1.75 a 15 MeV. Il centro �e organizzato con una linea di fascio primario

che serve 7 linee di fascio secondarie che vengono dirette ad altrettante sale sperimen-

tali (vedi in Figura 8). Alla �ne della prima sezione di accelerazione, elettroni da 1.75

MeV possono essere de essi nella linea C0, utilizzata per irraggiamenti di bassa energia

(trattamenti super�ciali). Le linee C1,C2 e C5 sono state concepite per l'utilizzo di fasci

di fotoni mentre nelle rimanenti 3 linee (C3, C4 e C6) vengono utilizzati gli elettroni.

Ogni linea �e equipaggiata per trattare i fasci �no alle loro intensit�a massime (2 mA), con

risoluzioni in energia dell'ordine del 1%. A seconda delle sezioni di fascio utilizzate, si

possono raggiungere densit�a di potenza �no a 100 kW/cm2. La zona C2 in particolare

�e stata disegnata per produrre un intenso fascio di fotoni di ampia sezione (25 cm) ma

uniforme, con ratei di -dose �no a un massimo di 10 kGy/h in aria e con un'omogeneit�a

25

Figura 4: Schema del sistema di distribuzione dei fasci dell'acceleratore lineare di Gent.

migliore del 5%. Su questa linea vengono eseguite ricerche su e�etti della radiosteriliz-

zazione di polimeri biocompatibili, radiografting su polimeri, sterilizzazione del legno e di

derrate alimentari. La linea C3 �e di media potenza (� 1 kW) e fornisce un fascio di piccole

dimensioni (�1cm) utilizzato prevalentemente per e�ettuare studi di invecchiamento da

radiazione dei materiali, eseguiti a diverse temperature. La linea C4, di bassa potenza, �e

utilizzata per lo sviluppo, il test e la calibrazione di rivelatori di particelle.

Gli esperimenti di uorescenza e risonanza nucleare vengono realizzati sulla linea C5,

utilizzando un fascio di fotoni polarizzato, ove si ottengono polarizzazioni medie del 18%

con valori di picco del 30% a energie di 5 MeV. La linea C6 in�ne viene utilizzata per il

trasporto del fascio di elettroni dotato di un sistema di scanning per l'irraggiamento ad

alta potenza. Anche questa linea �e stata disegnata per e�ettuare ricerche su irraggiamento

di derrate alimentari e studio di produzione di biomateriali, con enfasi sul confronto di

irraggiamento a elettroni e fotoni.

Il centro �e estremamente interessante perch�e combina caratteristiche tipiche di accel-

eratori utilizzati nella ricerca di base, (risoluzione in energia, qualit�a di fascio, versatilit�a)

con le propriet�a di macchine disegnate pi�u speci�catamente per applicazion industriali,

quali la potenza di fascio e l'intervallo di variabilit�a in energia.

Un altro centro che �e stato creato per applicazioni di questo tipo �e l'Institute of Nucle-

ar Chemistry and technology di Varsavia. Il centro [37], diversamente da quanto �e stato

realizzato in quello di Gent, possiede diversi piccoli acceleratori di elettroni con caratter-

istiche diverse, prodotti per le speci�che applicazioni richieste. Le attivit�a del centro con

la descrizione delle macchine utilizzate �e riassunta nella tabella 4.

26

Tipo di acceleratore Caratteristiche di fascio Anno di installazione Applicazioni

Linear accelerator (LAE 13/9) 5-13 MeV, 9kW 1971 radiochimica

Acceleratore risonante ILU-6 0.7-2 MeV, 20 kW 1988 Impianto pilota

Acceleratore elettrostatico AS-2000 0.2-2 MeV, 0.2 keV 1988 Radio�sica

Acceleratore lineare PILOT 10 MeV, 1 kW 1990 Irraggiamento di alimenti

Acceleratore ELV 3A 800 keV, 2x50 kW 1991 Irraggiamento di fumi

Acceleratore lineare U-003 10 MeV, 10 kW 1992 Irraggiamento di alimenti

Acceleratore lineare U-003 10 MeV, 15 kW 1992 Sterilizzazione

Acceleratore lineare LAE 10 10 MeV, 0.5 kW 1993 Radiochimica

Tabella 4: Attivit�a realizzate presso il ICHTJ.

27

9 Conclusioni

L'importanza dell'aspetto interdisciplinare nelle potenzialit�a di utilizzo delle macchine ac-

celeratrici, �e l'elemento chiave nella valutazione dell'interesse che pu�o avere in Piemonte la

realizzazione di un centro di irraggiamento. �E stato visto infatti come sia ampio il numero

di applicazioni degli acceleratori di particelle in vari settori della ricerca tecnologica ed

industriale, e come siano eterogenei e diversi tra loro i campi di interesse discussi. Questa

interdisciplinariet�a giusti�ca l'ambizione di realizzare un centro che possegga il massimo

di versatilit�a, quali�candolo quindi come progetto pilota per realizzazioni speci�che nei

diversi campi di applicazione, e non come centro con caratterizzazioni predeterminate e

modellate su scopi speci�ci. Solo in questo modo infatti �e possibile convogliare in un

unico centro di studio interessi disparati e diversi�cati, ma con ampi margini di sovrap-

posizione, e quindi, con buone opportunit�a di scambio di informazioni e competenze. Si

tenga presente inoltre che una frazione consistente dei fondi di �nanziamento richiesti per

un progetto di questo tipo deve essere riservata alle infrastrutture (realizzazione del bunker

che ospita l'acceleratore e delle sale di trattamento, che a seconda delle potenze impiegate

sono soggette a precise de�nizioni legislative) e ai sistemi di sicurezza e radioprotezione.

Poich�e questa �e una frazione consistente della spesa, la possibilit�a di convogliare interessi

provenienti da diversi tipi di utenze, scienti�che ed industriali, giusti�ca a livello eco-

nomico l'interesse per un tipo di impresa di ricerca di tipo sinergico ed interdisciplinare.

Inoltre la costruzione delle infrastrutture, se realizzata con buoni margini di versatilit�a,

pu�o garantire la presenza di un centro di accoglienza per sviluppi futuri conseguenti e

non alle attivit�a del centro (migliorie della macchina, aggiunta di macchine secondarie

per applicazioni complementari e cos�i via).

Mi auguro che il materiale raccolto in questa nota possa trovare attenzione per l'avvio

di uno studio di interesse ed utilit�a territoriale di questo progetto. Il pro�lo della macchi-

na da realizzare potr�a essere de�nito solo dagli utilizzatori, e la de�nizione tecnica del

progetto potr�a quindi procedere solo di pari passo con la de�nizione delle �nalit�a richieste

dai medesimi.

28

10 Ringraziamenti

Ringrazio i prof. Pachan e Plawski, del Soltan Institute for Nuclear Research di Varsavia

per le informazioni riguardanti le applicazioni industriali di acceleratori di elettroni cor-

rentemente utilizzate in Polonia, ed il dott. Tecchio dell'Istituto Nazionale di Fisica

Nucleare per la documentazione ricevuta sulle ricerche e�ettuate presso i laboratori di

Legnaro con l'acceleratore ILU6.

Vorrei ringraziare la dott.ssa Elisa Sacchi per avermi fornito informazioni sull'acceleratore

del centro ANSTO in Australia e sulle applicazioni in generale della spettrometria AMS

in geologia, ed il dott. Quirico Migheli per i suggerimenti sui possibili utilizzi di fasci di

elettroni nei settori dell'agricoltura e dell'alimentazione.

Un ringraziamento in�ne alla Prof.ssa Carla Lombardi, del Politecnico di Torino per

avermi aiutato nella ricerca di soggetti industriali potenzialmente interessati al tipo di

applicazioni discusse nella presente nota.

29

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[37] High Technologies Advanced Materials Diagnostics, ICHTJ, Warsaw, Poland.

32

Indice

1 Introduzione 1

2 Processi chimici indotti da radiazioni ionizzanti 3

2.1 Polimerizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Cross-linking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Radiodistruzione di polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Processi combinati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Applicazioni nell'industria metallurgica 9

3.1 E�etti termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Applicazioni in biomedicina 11

4.1 Ricerca nel settore dei biomateriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.2 Sterilizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5 Applicazioni in agricoltura 13

5.1 Disinfestazione di cereali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.2 Conservazione del legno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.3 Degermogliazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.4 Selezione genetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

6 Protezione ambientale 16

6.1 Trattamento di gas combusti in ciminiera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.2 Trattamento di acque e fognature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

7 Applicazioni di acceleratori di protoni e ioni 20

7.1 Applicazioni AMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

7.1.1 Applicazioni biomediche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

7.1.2 Applicazioni in archeologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

33

7.1.3 Applicazioni in geologia ed ecologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

7.2 Produzione di isotopi per Positron Emission Tomography . . . . . . . . . . 23

7.3 Impiantazione Ionica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

8 Centri di irraggiamento in Europa: alcuni esempi 25

9 Conclusioni 28

10 Ringraziamenti 29

34

Elenco delle �gure

1 Sommario schematico delle reazioni primarie indotte da irraggiamento di elettroni. . . . 4

2 Schema di un impianto per la sterilizzazione con fascio di elettroni. . . . . . . . . . . 13

3 Schema di uno spettrometro per applicazioni cliniche o biomediche. . . . . . . . . . . 22

4 Schema del sistema di distribuzione dei fasci dell'acceleratore lineare di Gent. . . . . . 26

35

Elenco delle tabelle

1 Propriet�a meccaniche di alcuni tipi di legno prima e dopo il radiotrattamento con

polimetilmetacrilato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Propriet�a del cemento arricchito con polimeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Tavola sinottica delle applicazioni industriali di acceleratori di elettroni. . . . . . . . . 19

4 Attivit�a realizzate presso il ICHTJ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

36

Miriam Ricci

DOTTORATO IN “CULTURA E IMPRESA”

TRASFERIMENTO DELLE CONOSCENZE SCIENTIFICHE ALLE IMPRESE

- 1 -

APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEGLI ACCELERATORI DI ELETTRONI

IL PROGETTO E-BEAM IN PIEMONTE

Diffusione della tecnologia E-BEAM presso imprese piemontesi La Federpiemonte, Federazione delle Associazioni Industriali del Piemonte, in collaborazione con l’INFN di Torino, sta svolgendo un progetto mirato alla diffusione presso le imprese piemontesi della tecnologia a fasci di elettroni accelerati (E-Beam) in diversi campi di applicazione:

- Polimerizzazione - Reticolazione di polimeri - Vulcanizzazione della gomma - Grafting - Indurimento di lacche e vernici - Sterilizzazione e pastorizzazione.

Dopo un sondaggio telefonico che ha permesso di valutare l’interesse delle aziende verso la tecnologia E-Beam, sono stati organizzati presso la sede di Federpiemonte alcuni incontri ristretti con le aziende interessate. Durante tali incontri, i rappresentanti delle aziende convocate hanno illustrato brevemente la loro attività ed i prodotti, soffermandosi sulle caratteristiche principali che ne determinano la qualità. Quindi è stata illustrata la tecnologia E-Beam ed i vantaggi che comporta nei settori di attività delle aziende presenti. Sono poi state delineate le possibilità di finanziamento per effettuare test su campioni forniti dalle aziende, presso centri specializzati nelle tecniche di irraggiamento con elettroni accelerati, in Italia ed all’estero. Successivamente, si sono svolte visite presso ciascuna azienda per ottenere un quadro dettagliato dei processi produttivi, dei materiali utilizzati e dei prodotti, in modo da valutare con ogni singola azienda il tipo di campione da irraggiare e le eventuali possibilità di inserire il trattamento con E-Beam nel normale processo produttivo. Il mio ruolo è stato inizialmente quello di contattare una decina di aziende che avevano già partecipato ai due seminari sulla tecnologia E-Beam, per avere una conferma della loro disponibilità ad incontri più approfonditi sulla tecnologia. Successivamente ho partecipato agli incontri con le aziende ed alle visite in loco, organizzate dall’Euro Info Centre della Federpiemonte, come referente tecnico-scientifico e sotto la supervisione del Dr A. Staiano e del Prof. P. Volpe.

Le aziende visitate DI VITA L’azienda produce conserve, sott’olio e sott’aceto, inscatolati in vetro e latta destinati soprattutto alla ristorazione ed alla grande distribuzione. Produce anche prodotti in vaschette in PET. Il tappo della confezione è dotato di una capsula in metallo.

Miriam Ricci



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Il 5% della produzione totale è destinata all’esportazione, mentre la quota di mercato italiano nel settore delle conserve è di 600 - 700 Miliardi di Lire. L’interesse per l’irraggiamento con elettroni è dovuto alla possibilità di utilizzare un metodo alternativo alla pastorizzazione delle conserve, che impiega dai 40 ai 60 minuti. La temperatura è di 80°C in pre e post pastorizzazione, mentre durante il riscaldamento vero e proprio si arriva ai 92°C. Normalmente si pastorizzano dai 50.000 ai 100.000 barattoli al giorno, con un ciclo continuo. Un pastorizzatore costa 500 milioni – 1 miliardo di lire. Se si vuole invece sterilizzare il prodotto in autoclave si arriva a temperature e costi dell’impianto decisamente maggiori, ma il numero di prodotti che si possono trattare è minore a causa della ridotta capienza di un autoclave. I controlli di qualità vengono effettuati sul Ph, sulla temperatura della pastorizzazione e sulla chiusura dei barattoli. È più facile pastorizzare i prodotti che hanno un Ph basso (prodotti acidi). L’ipotesi di lavoro proposta dall’azienda è di irraggiare un prodotto piccolo, facile da trasportare e le cui proprietà organolettiche non mutino nel processo di pastorizzazione. Possibilità di irraggiare anche le vaschette in PET. OZELLA (FTS) L’azienda non è una PMI, infatti è parte della SAIAG. Produce tessuti tecnici pre-impregnati, ottenuti secondo due metodi: - immersione del tessuto in un bagno di resina e solvente - la resina fusa viene spalmata sul tessuto. Il tessuto così trattato viene poi scaldato e diventa pronto per l’uso. L’azienda produce soprattutto tessuti per nastri trasportatori e per il settore automobilistico. Il loro interesse è di migliorare l’adesione tra tessuto di base e polimero. Attualmente si rivolgono ad un centro tedesco per la parte di lavorazione del tessuto, che potrebbe essere sostituita con E-Beam. Hanno provato l’E-Beam presso la Tecnotessile di Prato, irraggiando 1 metro di tessuto pre-impregnato. I tessuti prodotti sono in poliestere, poliammide, in fibre continue, para-aramidiche e fibre di carbonio. I polimeri usati sono il PVC, il poliuretano e gli elastomeri. Il piano di lavoro proposto ipotizza il trattamento di campioni 50x50 cm in - Poliestere, per accoppiamenti con gomma, poliuretano e PVC - Fibra di Carbonio, per accoppiamenti con resine epossidiche. METLAC (Ce.Ri.Tec.) Grande azienda al 60% di proprietà italiana, non è PMI. Possiede un proprio centro ricerche, costituito come impresa denominata Ce.Ri.Tec., in cui sono impiegati circa 20 ricercatori. L’azienda produce vernici, lacche ed inchiostri per imballaggio alimentare ed è a conoscenza della tecnologia E-Beam, avendo già contattato il centro ASTRID, presso Codroipo (UD), e la Tecnotessile (Prato). I laboratori della Ce.Ri.Tec. svolgono le prove ed i test di qualità sulle vernici prodotte. Si insiste moltissimo sulla qualità delle vernici dato che esse sono utilizzate per rivestire soprattutto l’interno di imballaggi a contatto con alimenti. Le tecniche che attualmente usano per reticolare le vernici sulle lastre metalliche, fornite dai loro clienti, sono quella termica, che utilizza solventi appositi, e tramite UV, usata solo per i rivestimenti esterni. La tecnica UV non è ancora usata per i rivestimenti interni

Miriam Ricci



- 3 -

per un problema di cultura e per l’uso di foto-attivatori che non dovrebbero andare a contatto con gli alimenti. Sono interessati a irraggiare due tipi di prodotti: - lastre metalliche verniciate e reticolate con le tecniche tradizionali, per vedere se si

riesce a ridurre la migrazione di monomeri nel cibo; - lastre metalliche verniciate ma non trattate, su cui l’irraggiamento dovrebbe avere

l’effetto di reticolare ed indurire la vernice. Lo spessore delle lastre di alluminio (banda stagnata e banda cromata) è di 0.16 – 0.25 mm, lo spessore della vernice è di 5 – 13 micron. L’azienda si farebbe carico di eseguire i test di qualità dopo l’irraggiamento per valutarne gli eventuali benefici. TUBIGOMMA Azienda di piccole dimensioni (circa 90 addetti) che produce tubi in gomma soprattutto per il settore automobilistico (60% dell’intero fatturato), ma anche per l’edilizia e le infrastrutture (oleodotti, ecc.). Non hanno imprese concorrenti in Piemonte, solo la IGV nel Veneto. Non producono direttamente le mescole per i tubi, che invece vengono acquistate già pronte. Dalla gomma grezza si ricavano per es. i manicotti delle automobili, che vengono fatti nella forma e dimensione finale e poi vengono vulcanizzati in autoclave. Sono necessari i “maschi sagomati”, di cui il cliente fornisce il disegno e che poi Tubigomma fa realizzare da propri fornitori. I manicotti, destinati a FIAT, IVECO, ecc., sono anche ricoperti da uno strato di fibre tessili (aramidica, kevlar, cotone, nylon, poliestere) in un processo chiamato magliatura. Poi si ricopre il tutto con un altro strato di gomma. Per attivare la vulcanizzazione, nella mescola originaria sono presenti anche delle percentuali di solventi, che invece non sarebbero necessari se si usasse l’E-Beam. La vulcanizzazione dura circa 20 minuti con i seguenti parametri: - 5.5 bar, 120°C, accelerante: zolfo - 10 bar, 160°C, accelerante: perossido. Alcune proprietà meccaniche dei tubi sono raggiunte mediante additivi nelle mescole iniziali, che fanno alzare il prezzo. La Ozella è un loro fornitore. Le finiture sui tubi con inchiostri e vernici sono fatte in appalto esterno. Il piano di lavoro proposto ipotizza di irraggiare dei campioni da pre-vulcanizzare, con quantità di additivi diverse per testare i benefici dell’E-Beam, che poi verrebbero valutati nel laboratorio di controllo di qualità dell’azienda. OLSA

L’azienda è una media impresa che conta circa 200 addetti. Produce fanaleria e sistemi di illuminazione interna ed esterna delle vetture, rivolgendosi quindi all’industria automobilistica. Uno dei problemi riscontrati risiede nelle sollecitazioni meccaniche e termiche a cui dovranno sottostare i pezzi una volta in funzione. Infatti la temperatura media di utilizzo è di 100°C, per questo si utilizzano come materiali primari l’ABS (stirene + butadiene) ed il policarbonato. Il policarbonato, però, presenta grandi difficoltà nello stampaggio. Il polipropilene va bene, ma la resistenza meccanica non eguaglia quella del policarbonato. Il poliammide crea dei problemi, infatti diventa fragile se troppo caricato con policarbonato.

Miriam Ricci



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Per i catarifrangenti, la parte superiore è costituita da metacrilato. L’azienda ha partecipato ad alcuni progetti DIADI. Il piano di lavoro proposto ipotizza l’irraggiamento di pezzi fatti solo di polipropilene, che costa poco ed è facilmente stampabile. I pezzi così trattati verrebbero poi testati presso il laboratorio di qualità dell’azienda stessa. CMP

L’azienda, che conta circa 15 dipendenti, si occupa della ingegnerizzazione di prodotto per diversi tipi di aziende, partendo dal prototipo iniziale per realizzare il prodotto finito. Si esegue stampaggio ad iniezione. I materiali che la CMP tratta sono poliolefine (ABS,…), tecnopolimeri e superpolimeri. L’azienda ha poi una propria linea di produzione di tappi sintetici per bottiglie, sui quali la tecnologia E-Beam potrebbe essere applicata per migliorarne le caratteristiche elastiche (compression test) e analizzare il problema della marcatura dei tappi con inchiostri, che riguarda la loro potenziale tossicità. Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di tappi di specifica composizione chimica, al fine di valutare l’effetto dell’E-Beam sulle proprietà elastiche e sull’inchiostro di marcatura. L’azienda possiede gli strumenti per effettuare i test sui campioni irraggiati per confrontarli con quelli non irraggiati. ROTOTECH

L’azienda produce serbatoi in polietilene per il settore automobilistico. I serbatoi non vengono sottoposti ad alcun processo di reticolazione. In passato l’azienda aveva incominciato ad adottare il metodo della reticolazione termica, ma l’aveva abbandonato per problemi di tossicità causati dagli additivi chimici presenti nella mescola. I serbatoi prodotti sono in polietilene caricato con Carbon Black (1.5-2%), che conferisce loro un colore nero proteggendoli dai raggi UV. Il polietilene in grani viene acquistato già caricato da un fornitore esterno. I maggiori problemi riscontrati sui serbatoi dipendono dall’assenza di reticolazione, che provoca indesiderate vibrazioni dei prodotti in condizioni operative ed insufficiente resistenza ed impermeabilità al gasolio ed ai nuovi carburanti. L’azienda produce anche condotti aria in polipropilene, anch’essi destinati all’industria automobilistica. Questi prodotti registrano frequenti problemi di resistenza alle alte temperature di utilizzo (115-120 °C). Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di piccoli campioni in polietilene caricato e polipropilene, per verificarne le modificazioni apportate. L’azienda dispone di un proprio laboratorio di prove termo-meccaniche per valutare la qualità dei pezzi prodotti. TECNIKABEL

L’azienda impiega circa 120 addetti, è una PMI e si trova in una zona Obiettivo 2. Produce cavi elettrici per il settore automobilistico, elettronica industriale e telecomunicazioni. I cavi prodotti vengono reticolati attraverso un processo di riscaldamento con acqua calda, che comporta due procedimenti: - la reticolazione della parte interna del cavo (isolamento);

Miriam Ricci



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- la reticolazione della parte esterna (guaina). I cavi sono prodotti a partire da mescole già pronte che l’azienda compra da fornitori esterni. L’azienda ha in passato tentato la via dell’irraggiamento tramite fasci di elettroni accelerati, rivolgendosi alla Beta-Gamma Services, un centro privato tedesco di irraggiamento. Le prove effettuate, però, non hanno dato buon esito a causa della scarsa consulenza specifica offerta dalla Beta-Gamma. I cavi elettrici prodotti si trovano ad operare in ambienti talvolta molto aggressivi, dal punto di vista della temperatura e degli sforzi meccanici. Alle guaine in poliuretano, ad esempio, si richiede un’altissima resistenza alle scintille, che si possono sviluppare durante l’utilizzo. Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di campioni, lunghi almeno 1 metro per consentirne una successiva analisi termo-meccanica preso i laboratori dell’azienda, nei seguenti materiali: - Poliuretano - Poliolefine varie (LSZH, halogen free) - Polietilene puro VALGOMMA

L’azienda, che conta circa 15 dipendenti, produce tappetini e paraspruzzi per il settore automobilistico, rivolgendosi in particolare a FIAT e IVECO. I materiali utilizzati sono gomma naturale e gomma sintetica (NBR, SBR). Si parte dalla gomma naturale, poi si aggiungono altri polimeri e additivi chimici acceleranti (1-2%). Il composto viene sottoposto alla calandratura, in cui viene schiacciato, poi alla fustellatura, in cui viene sagomato. Va quindi incontro allo stampaggio, che può essere di 2 tipi: - stampaggio a compressione: i prodotti pre-formati dalla fustellatura vengono

introdotti in uno stampo a compressione, che li scalda ad una temperatura di circa 180 °C e li vulcanizza simultaneamente;

- stampaggio ad iniezione: la mescola viene direttamente iniettata nello stampo, in cui avviene anche la vulcanizzazione ad una temperatura di circa 170 °C.

L’elevata temperatura serve per stampare correttamente i pezzi, ma richiede un notevole dispendio di energia, quindi l’azienda lamenta forti costi energetici. Il reparto dello stampaggio a compressione è al momento inattivo. L’azienda desidera testare la tecnologia E-Beam su prodotti stampati ad una temperatura minore, circa 120%, che però abbiano la stessa qualità esteriore di quelli stampati a temperature maggiori. CEBAL

Nell’azienda operano circa 155 addetti, ma essa non rientra nella definizione di PMI poiché è parte del Gruppo PECHINEY, con sede in Francia. L’azienda è specializzata nella produzione di tubetti per creme ed altri prodotti simili. I tubetti prodotti sono in polietilene, mentre il tappo è in polipropilene. Il polietilene viene acquistato in granuli da fornitori esterni, quindi attraverso un processo di riscaldamento e fusione viene estruso sotto forma di tubo continuo, che poi viene modellato e tagliato a seconda delle caratteristiche del prodotto finale.

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In seguito si aggiunge la testa ad ogni tubetto e lo si vernicia su apposito mandrino. Il processo della stampa richiede una preliminare fiammatura di ogni tubetto ed è seguito dalla laccatura. Il prodotto finito deve poi essere riempito e saldato a cura del cliente. La saldatura in particolare può presentare dei problemi se la temperatura è troppo alta, nel qual caso il prodotto non può essere saldato. Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di alcuni campioni in polietilene, per verificare se migliorano le proprietà di adesione dell’inchiostro e di saldatura. NEOGRAFT

L’azienda è leader nella stampa e metallizzazione di film plastici per imballaggio, in prevalenza per il mercato alimentare, ma anche per il settore cartografico (decorazioni). È stata fondata nel 1978 e attualmente impiega 180 addetti, di cui 140 in produzione. Altre aziende collegate alla NEOGRAFT sono: - ROTOFLEX, specializzata nella produzione di carta metallizzata; - HOLOVISION, specializzata in effetti prismatici e ologrammi su imballaggi; - EUROPLASTIC, specializzata nella metallizzazione di film plastici in Polonia. I materiali plastici che vengono metallizzati sono: - Polietilene - Polipropilene - Poliestere - PVC - Materiali tecnici per l’isolamento, nel settore dell’edilizia. La metallizzazione avviene in autocisterna, dove il rotolo di film plastico viene svolto e messo a contatto con vapori di alluminio, ottenuti da un filo di alluminio riscaldato da blocchetti in materiale ceramico. La deposizione dell’alluminio avviene su un solo lato del film plastico, che viene quindi riavvolto in una bobina e successivamente stampato e tagliato. Le bobine hanno una larghezza che va da 5 a 240 cm, mentre lo spessore del film plastico è di 12-250 micron. L’interesse per la tecnologia E-Beam nasce da una sempre maggiore richiesta, da parte dei consumatori, di confezioni trasparenti, dalle quali si possa vedere il prodotto che si desidera acquistare. L’alluminio depositato sul film plastico, infatti, lo rende opaco. Un possibile metodo per ottenere film plastici metallizzati ma trasparenti, che abbiano la stessa impermeabilità di quelli in uso attualmente, consiste nel depositare ossidi di alluminio (allumina) o di silicio (silice). In Giappone si utilizzano proprio fasci di elettroni per far evaporare gli ossidi e depositarli su film plastici. L’azienda sta inoltre sperimentando un trattamento al plasma mirato al miglioramento della bagnabilità dei film per la successiva stampa. Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di campioni di film plastici prima della stampa, al fine di valutarne i benefici alle proprietà di adesione degli inchiostri. TEXTRON

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L’azienda è stata acquisita da una multinazionale americana, la Collins & Aikmann. Vi operano circa 200 addetti. Vi sono due stabilimenti nel Nord Italia e tre nella zona di Frosinone. L’azienda produce componenti per l’industria automobilistica, in particolare paraurti, spoiler, cruscotti e serbatoi. Il cliente principale è FIAT Auto. I processi che l’azienda utilizza maggiormente sono lo stampaggio termoplastico e la schiumatura. I materiali utilizzati sono: - Polipropilene caricato con talco, destinato alla produzione dei paraurti, sottoposto a

verniciatura (il talco migliora l’adesione delle vernici); - Polipropilene non caricato, destinato alle finizioni, non sottoposto a verniciatura; - HDPE per la produzione di serbatoi; - Poliuretano (RIM). La verniciatura avviene tramite flammatura, che migliora la bagnabilità del materiale, con l’ausilio di un primer. Il processo non è molto costoso, ma la tecnologia E-Beam potrebbe permettere l’eliminazione del primer. Per i prodotti verniciati è quindi molto importante la proprietà di adesione delle vernici. Per quanto riguarda i prodotti non verniciati, l’obbiettivo è di migliorarne la resistenza ai graffi. Alcuni componenti in polipropilene devono poi essere incollati tra loro per ottenere il pezzo finito. Attualmente l’azienda utilizza il metodo dell’incollaggio tramite hot melt, attraverso una colla speciale. L’obbiettivo è di ottenere un incollaggio strutturale, realizzato mediante legami chimici. A questo scopo, il grafting tramite irraggiamento con elettroni potrebbe essere una soluzione. Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di placchette di materiali diversi per ottenere un miglioramento delle caratteristiche termo-meccaniche e di adesione delle vernici. L’azienda possiede un laboratorio di analisi per svolgere le prove sui pezzi trattati. SATURNO

L’azienda è una media impresa con sede a Grugliasco, specializzata nella produzione di componenti auto per interni (portaspecchietti, parasole, cappelliere, ecc.) in plastica, utilizzando in particolare i seguenti polimeri: - PE - PP - Policarbonato - ABS. I componenti vengono stampati ad iniezione e saldati tra loro tramite elettro-saldatura ad alta frequenza (27 MHz). L’azienda produce principalmente componenti per interni d’auto, quali parasole (composti da un’anima di Polipropilene ricoperta da Polietilene espanso ed avvolta con PVC, oppure fabbricati in schiumatura di Polipropilene) e cappelliere (fabbricate in Polipropilene caricato legno con un’anima in metallo). Una delle esigenze dell’azienda è quella di ridurre il peso dei propri prodotti, eliminando per esempio la struttura in metallo delle cappelliere, senza inficiarne la resistenza alle vibrazioni ed agli urti. Per questo motivo la tecnologia E-Beam è considerata di potenziale

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interesse e si vogliono approfondire le tecniche di indurimento dei polimeri. Si è riscontrato un interesse anche per l’indurimento delle vernici. Il piano di lavoro ipotizzato prevede l’irraggiamento di campioni di varie forme e dimensioni per verificare gli effetti della tecnologia a fasci di elettroni sulle caratteristiche meccaniche dei prodotti. TECNOVER

L’azienda, una PMI con sede a Volpiano, produce vernici per l’industria, in particolare vernici acriliche, fenoliche e poliuretaniche, e si occupa della verniciatura di penne. I materiali impiegati sono in prevalenza Polipropilene e ABS. FIBET

L’azienda, una media impresa con 120 addetti e sede a Moncalieri, si occupa dello stampaggio di componenti in gomma-metallo, tipicamente articolazioni elastiche e supporti antivibranti, nonché di applicazioni speciali su progetto. Tra i clienti, l’industria automobilistica ha un ruolo rilevante sebbene la grande diversificazione dei prodotti offerti permetta alla FIBET di avere un mercato di destinazione ampio ed in larga misura internazionale. La gomma utilizzata viene acquistata come materia prima e successivamente lavorata e stampata prevalentemente ad iniezione. La parte metallica del pezzo finito viene lavorata e verniciata con particolari sostanze (primer e cover) che ne consentano la successiva adesione alla gomma (processo di aderizzazione). Durante lo stampaggio la gomma viene anche vulcanizzata. La tecnologia E-Beam presenta qualche difficoltà di inserimento nel processo produttivo, in quanto la vulcanizzazione della gomma avviene contemporaneamente allo stampaggio. Inoltre la presenza del metallo, in alcuni casi in grande quantità, pone seri limiti all’applicazione di tale tecnologia, a causa degli effetti secondari di interazione tra elettroni e metallo che comprometterebbero l’omogeneità della dose impartita. C’è comunque interesse per effettuare test su prodotti particolari la cui composizione sia compatibile con le applicazioni dell’E-Beam. Inoltre si riscontra un grande interesse qualora la tecnologia potesse essere utilizzata anche per lo smaltimento degli scarti di lavorazione della gomma, che comportano attualmente un grande dispendio di risorse economiche per l’impresa. ALTRE AZIENDE VISITATE

Sono state altresì visitate la BTR e l’ARPA INDUSTRIALE, entrambe grandi imprese che non rientrano nella definizione di PMI, che producono rispettivamente tubi in gomma e laminati plastici. Nel primo caso, la tecnologia E-Beam potrebbe costituire una valida alternativa per la vulcanizzazione, nel secondo l’azienda è interessata ad utilizzare fasci di elettroni per irraggiare ed indurire le vernici sui laminati. I PRODOTTI IRRAGGIATI

(Manca)

CONCLUSIONI

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Le visite in azienda hanno permesso di entrare a contatto con la realtà produttiva e concreta di ogni impresa contattata e di valutare, quindi, le possibili modalità di impiego della tecnologia E-Beam. Ogni azienda costituisce infatti un caso particolare, a causa del tipo di prodotto sviluppato, del processo di fabbricazione, dell’impianto produttivo e della catena produttiva, delle specifiche esigenze e requisiti tecnici a cui il prodotto finito deve soddisfare. È da rilevare l’interesse a la disponibilità con cui le aziende, attraverso propri rappresentanti, hanno accolto l’attività di informazione ed approfondimento sulla tecnologia proposta. A fronte delle informazioni raccolte durante le visite, si possono quindi fare le seguenti considerazioni: o Il settore agro-alimentare, che pure avrebbe notevoli applicazioni della tecnologia E-

Beam nell’ambito della sterilizzazione e pastorizzazione di particolari tipi di derrate alimentari, non costituisce nella pratica un campo di interesse a causa della rigida legislazione in materia di cibo e radiazioni ionizzanti in alcuni paesi europei, tra cui l’Italia;

o Il settore delle materie plastiche, della gomma e delle vernici è potenzialmente ricco

di interesse da parte delle aziende che ne fanno parte; o Tra i produttori di componenti in gomma si è riscontrato interesse per la

vulcanizzazione, sebbene risulti al momento problematico l’inserimento della tecnologia E-Beam nel processo produttivo, a causa di vincoli relativi al processo utilizzato per formare e stampare la gomma. La vulcanizzazione avviene infatti durante lo stampaggio, mentre l’utilizzo dell’E-Beam richiederebbe l’irraggiamento del prodotto finito, che in questo caso sarebbe già vulcanizzato.

o La versatilità della tecnologia E-Beam ne consente l’applicazione su diversi tipi di

prodotti, composti da differenti miscele di polimeri e cariche. Tuttavia spesso la precisa composizione della mescola di partenza non è nota, sia per ragioni di segretezza industriale, sia più frequentemente perché i produttori stessi non la comunicano in modo dettagliato ai propri clienti. Pertanto l’applicabilità dell’E-Beam, almeno in fase di test preliminare, avrebbe maggiori possibilità di successo qualora si avesse un controllo più stretto sulla materia prima che si desidera irraggiare;

o Molto spesso l’applicabilità della tecnologia E-Beam è influenzata e limitata da

esigenze tecniche di processo. Infatti, nel caso di prodotti verniciati, la possibilità di avere un acceleratore di elettroni direttamente inserito nella catena produttiva sarebbe la prospettiva ottimale, in quanto l’irraggiamento deve seguire immediatamente il processo di verniciatura. In questo caso non sarebbe tecnicamente praticabile l’affidamento a terzi del servizio di irraggiamento.

o Solitamente le PMI che potrebbero beneficiare della tecnologia E-Beam non hanno poi

la capacità finanziaria di investire nell’acquisto e nella manutenzione di un acceleratore di elettroni industriale, che richiede anche l’impiego di personale dedicato altamente qualificato. La prospettiva di utilizzare in modo continuativo un servizio esterno di irraggiamento, vista la mancanza di centri nel Nord-Ovest della penisola, non è economicamente appetibile per i costi e i tempi di trasporto. Pertanto, per quelle PMI che almeno in fase di test preliminare abbiano apprezzato la tecnologia E-Beam, la costruzione di un centro di irraggiamento in Piemonte potrebbe essere un fattore decisivo verso l’introduzione di processi e prodotti innovativi;

Miriam Ricci



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o Sarà necessario indagare sulle applicazioni della tecnologia E-Beam alla post-

vulcanizzazione di componenti in gomma, quali alcuni tipi di guarnizioni per i motori, che operano in condizioni di stress meccanici e termici particolarmente elevati. Inoltre, visto l’interesse di tutte le aziende produttrici di componenti in gomma, sarà utile reperire ulteriori informazioni sulle applicazioni dell’irraggiamento per lo smaltimento o riciclaggio degli scarti di lavorazione.

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARESEZIONE DI TORINO

Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino Tel. +39-011-6707271 Fax 6699579http://www.to.infn.it email [email protected]

Torino, 9 luglio 2002

LETTERA D’INTENTI PER ACCORDO APPLICATIVONELL’AMBITO DELL’INTESA TRA

CONFINDUSTRIA EISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

PREMESSA

VISTA l’Intesa siglata tra Confindustria e Istituto Nazionale di FisicaNucleare (INFN) il 15 febbraio 2000 ed in ordine all’attuazione di quanto inessa contenuto si definisce accordo applicativo tra la Federazione delleAssociazioni Industriali del Piemonte (Federpiemonte), aderente aConfindustria, e la Sezione INFN di Torino.

Parte I – Generalita’

La Federpiemonte e la Sezione INFN di Torino

CONSIDERATO

• l’importanza dell’innovazione tecnologica per la competitivita’ delleImprese;

• la versatilita’ e il gran numero di applicazioni industriali diacceleratori per fasci di elettroni;

• che nella regione Piemonte non sono disponibili acceleratori per fascidi elettroni per utilizzo industriale;

• che la proposta della Sezione INFN di Torino di verificare l’interessedelle Imprese piemontesi per l’utilizzo di un acceleratore per fasci dielettroni ha incontrato pieno riscontro nella Federpiemonte;

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARESEZIONE DI TORINO

Via Pietro Giuria 1, I-10125 Torino Tel. +39-011-6707271 Fax 6699579http://www.to.infn.it email [email protected]

CONSTATATO• che l’utilizzo di acceleratori per fasci di elettroni richiede uno

specifico bagaglio di conoscenze tecnologiche e fisiche;• che la Sezione INFN di Torino possiede tali competenze per

perseguire i propri fini istituzionali di ricerca in fisica del nucleo edelle particelle elementari;

CONCORDANO QUANTO SEGUE

1. La Federpiemonte e la Sezione INFN di Torino si impegnano apromuovere e sviluppare forme di collaborazione atte a favorirel’utilizzo di acceleratori a fasci di elettroni da parte delle Impresepiemontesi;

2. la Federpiemonte si impegna a diffondere l’iniziativa presso i suoiassociati;

3. la Sezione INFN di Torino si impegna a collaborare alla realizzazionedi tali iniziative.

Parte II - Iniziative specifiche

Nell’ambito di quanto sopra concordato la Sezione INFN di Torino si rendedisponibile a fornire competenze sui seguenti argomenti:

1. valutazione delle caratteristiche dell’acceleratore in funzione dellerichieste produttive dell’Impresa;

2. disegno delle strutture necessarie a soddisfare le normeradioprotezionistiche in vigore;

3. sviluppo e realizzazione di apparecchiature che permettanoun’eventuale attivita’ di ricerca applicata complementare all’utilizzodi acceleratori per fasci di elettroni.

Per Federpiemonte

Per Sezione INFN di Torino

B2. PROPOSAL DESCRIPTION

PROPOSAL FULL NAME: E-BEAM processing of materials and compositesPROPOSAL ACRONYM: E-BEAM

1. Objectives, relevance to SMEs and innovation

� Main project objectives

Accelerated electron beams (referred to as e-beams for simplicity purposes), widely usedin advanced physics experiments, are now exploited for industrial applicationsespecially by large firms in the US and Japan. Presently, there are over 1250 acceleratorsfor industrial applications all over the world. Historically, intense investigations onindustrial radiation technology dates back to the 1950s, when irradiation sterilisation ofmedical facilities and modification of polyethylene opened up the way to a wide-scale useof e-beams.

The proposed project aims at encouraging European SMEs, focusing on those ones thatprocess materials and composites, to test and consequently introduce e-beamtechnology into the normal production process. As it will be explained in the followingparagraphs, accelerated electron beams can be used as an industrial tool for a wide rangeof applications and involve numerous market sectors, which are well represented by theIAGs. E-beam technology opens up possibilities for chemically combining substancesincompatible by other methods and for obtaining strong multilayer and combinationmaterials.

The physical principles that rule the interaction between matter and electron beams canbe easily explained as follows.When passing across any matter, accelerated e-beams apply energy to molecules, therebycausing excitation and ionisation. Charged and uncharged fragments of moleculesresulting from bond breaking feature high chemical activity and tend to quickly react withone another and with other molecules. New active particles (free radicals and secondaryions) arising from this activity also start reacting. As a consequence, the molecularstructure of the irradiated material undergoes transformation and a new substance withnew properties is obtained.

A detailed list of radio-chemical effects of e-beams and the industrial sectors involvedthat can benefit from the proposed research project will be given in the next paragraph.

Nowadays, electron beams may be used as an alternative method in a variety ofindustrial processes, which normally entail the use of:• Chemical treatments• Thermal treatments• UV (ultra-violet rays) treatments• Gamma ray treatmentsThe aforementioned traditional techniques pose environmental and working conditionrelated problems, due to the use of hazardous chemicals, radioactive substances and hightemperatures required; moreover, their flexibility is poor as well as the scope for furtherimprovements of products and processes.

Electron beam processing represents an innovative alternative to traditional techniques,such as chemical and thermal treatments, and proves to be cost-effective, faster andsafer, as it does not entail the use of harmful chemical substances.

B2. PROPOSAL DESCRIPTION (continued)

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However, e-beam technology features high initial investments, in terms of technologycheck-ups, research studies, highly skilled personnel, expenditures for the facility,compliance to radioprotection requirements (as imposed by the use of charged particles).These drawbacks, normally negligible for large companies often equipped with their ownresearch facilities and capable of planning strategic research studies, can become relevantobstacles for SMEs.

E-beam techniques have not yet become usual practices in European SMEs because of thetypical inertia that affects small companies when innovation is to be introduced. Thatrepresents a crucial problem that the European Commission has often pointed out as oneof the main causes of the innovation gap between Europe and, respectively, USA andJapan.Large companies, equipped with their own research facilities and employing dedicatedR&D experts, are more open to innovation, while SMEs do not possess a critical mass, interms of research attitude and resources, to pursue innovation.In fact moving on to e-beam processing requires time-consuming feasibility studies andtests on the particular material to be treated or industrial process to be improved. On theother hand, medium term benefits will largely compensate start-up investments and initialresearch efforts. Such benefits will certainly help not only the target SMEs, largelyrepresented by the proposer and its partners, but also other EU SMEs through a rigorousPlan for Exploitation and Dissemination of Knowledge.

The main project objectives can be summarised as follows:

• Improve European SMEs knowledge base and competitiveness on the internationalmarket;

• Improve environmental impact and working conditions of a wide range ofindustrial processes;

• Encourage SMEs to pursue not only process innovation but also productinnovation

• Stimulate the flow of innovation from the Core Group of SMEs into all the industrialsectors involved;

• Foster technology spill-over into other industrial sectors and the creation of start-ups, operating in new market niches opened up by unique possibilities offered byemerging e-beam technologies;

• Exploit European research facilities and highly skilled human resources,contributing to reduce brain-drain to U.S.

The proposed project conforms to the general scope and objectives of the call regardingPilot Actions on Collective Research, as it aims to tackle medium-term issues of benefitsto a large number of European SMEs, by fostering technology transfer and scientificknowledge dissemination among them.

Moreover, promoting the use of e-beam technology will contribute to achieving theobjectives set by the “Competitive and Sustainable Growth” priority, in particular:• The modernisation of industry, by improving industrial capability and innovation

capacity• The improvement of overall quality of processes and products• The minimisation of waste, use of hazardous substances and resource consumption

The need for innovation among SMEs represented by the IAG proposers has arisenbecause traditional techniques for processing of materials, such as thermal and chemicaltreatments, do not completely fulfil environment and flexibility requirements.


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The project will involve, besides the Industrial Associations, a core group of EuropeanSMEs that will provide sample materials to be tested and will analyse the obtained resultsalongside with selected RTD performers, assessing their compliance to the desiredindustrial usage.

� Expected impact of the project

Through a rigorous research, co-ordination and management plan, the proposed projectwill allow European SMEs to acknowledge, test and introduce both traditional andemerging e-beam technologies. The project’s research studies will initially involve aCore Group of SMEs, as explained in Paragraph 4, belonging to the IAGs. The benefits ofthe project will then be shared among all the SMEs belonging to the IAGs, through aneffective plan for disseminating the main results, both in terms of newly developedproducts and processes.The IAGs will ensure that the largest number of SMEs will benefit from the proposedproject, by promoting the development of SMEs business and the improvement ofcompetitiveness through innovation.

In order to explain how the results of the project will improve the competitiveness ofEuropean SMEs, a brief description of e-beam technology is given. The main radio-chemical processes triggered by e-beam irradiation are:

• Polymerisation: monomers combine with one another into polymeric chains of highmolecular weight; polymerisation can be performed in liquid, gas and solid phases, insolution and emulsion.

• Graft-copolymerisation: monomer is grafted onto polymer surface or is mixed upwith polymer.

• Polymerisation in heterogeneous systems: basis for producing combinationmaterials, such as wood-polymer and concrete-polymer materials.

• Cross-linking: creation of cross-links between linear molecules, producing three-dimensional (spatial) polymers.

• Destruction of polymers (degradation): polymer chain termination and decrease ofmolecular masses, increase of solubility and decrease of viscosity.

In addition, e-beams interact with living organisms, like bacteria, and can be used as ameans of sterilisation.

The processes listed above often occur simultaneously, depending on the energy and doseimparted by electrons to the materials. They improve crucial properties of differentmaterials, such as wear, heat and ageing resistance. In some cases (see Table 7), e-beamirradiated materials exhibit better performances than traditionally processed ones.

The following table outlines the benefits brought to different products and processes,provided by the current users of e-beam technology:

Table 1

Product Treated Product/ Process Improvement Process

Wire and cableinsulation, plasticinsulating tubing,plastic packaging

film

Shrinkability; impact strength, cut-through, heat, solvent, stress-cracking resistance, low dielectric losses

Cross-linking


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Foamedpolyethylene

Compression, tensile strength, reduced elongation Cross-linking

Natural andsynthetic rubber

High-temperature stability; abrasion resistance; coldvulcanization; elimination of vulcanizing agents Vulcanization

Butyl rubber fromwaste tires

Reclaiming process giving increased tensile strength andelongation

Destruction

Solid-statesemiconductors

Reduced switching time; increased yields; stabilization ofintegrated circuit gain; reduced zener diode noise level; tailoredSCR turn-on time; modification of beta levels

Crystalline alteration

Composites andadvanced composites

based on: carbonfibre, fibreglass,Kevlar, spectra

High strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, corrosionresistance, excellent wear-, impact- and damage-tolerances; low(ambient) temperature processing, 4-5 time faster than thermalcuring, reduced waste, safer working environment, reducedprocessing costs (savings from 25% to 65%)

Curing,polymerisation

Gems: Precious andsemiprecious;crystal, glass

Permanent colouring Crystalline alteration

Adhesives: pressure–sensitive flock;

laminate; Coatings,varnish, paints & ink

on woods, metals,and plastics;

Increased bonding; chemical-,chipping-, abrasion- andweathering resistance; elimination of solvents; 100%convertibility of coating; high-speed cure, flexibility in handlingtechniques; low energy consumption; room temperature cure; nolimitation on colours.


Wood and organicimpregnates

Mar-, scratch-, abrasion-, warping-, swelling- and weatheringresistance; dimensional stability; surface uniformity; upgradingof softwoods


Scrap Teflon Produce material for lubricants Degradation

Medical supplies,devices andinstruments

Processing of heat sensitive materials; high speed in-lineproduction, low energy consumption, no need to unwrap theproduct, no quarantine needed, no use of harmful chemicals.

Sterilization

Biomaterials:hydrogels, contact

lenses, artificialblood vessels,

coating oforthopaedic joints

Room temperature processing, no undesirable additives,increased compatibility with blood and living tissues

Polymerisation, graft-copolymerisation,

cross-linking

The industrial market sectors (and relevant products that can be treated with e-beams),which will mostly benefit from research carried out within the project, can be listed asfollows:

Table 2

SECTOR PRODUCT


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Automotive Vehicle structures, dashboard units, tires, coated components

Aircraft – Aerospace Components for aircraft and space vehicles

Electronics – ICT Printed circuit boards, semiconductors, wires and cables

Chemicals Lubricants, plastics, rubbers

Pharmaceuticals – Cosmetics Biomaterials, contact lenses, human artificial joints

Packaging Heat-shrinkable films for food, wrap

Textiles – Sporting goodsGolf, ski, tennis and hockey equipment, crease-resistant, fireproof,hydrophilic or hydrophobic fabrics

Infrastructures - FurnitureBuilding materials, water supply piping, wood-polymer, concrete-polymer, parquet

As a proof of the advantages offered by e-beam technology over traditional techniques,we provide the following table, which summarises the attainable goals and foreseendeliverables of the planned research activities:

Table 3

Therefore, the project will have a positive impact that can be broken into three levels:

1. Impact on the knowledge base and competitiveness of SMEs (members of the SMECore Group, members of the IAG proposers and other European SMEs).They will have the opportunity to improve their competitiveness thanks to:• Increased production speed, with consequent ability to increase their production

output and reduce time-to-market;• Improved process flexibility, meaning improved ability to easily adapt to

different customer’s needs and various product’s packaging;• Reduced energy consumption, with consequent reduced costs.The knowledge base of SMEs can also benefit from the research required during theproject, in fact this can lead to the creation of new patents, related to new processesor products developed by the companies.

2. Impact on the wider economic and strategic competitiveness of the target sectorsand regions.

Goals Foreseen deliverables

Development of new processes• Reduce process speed by 10-1000 times• Reduce energy consumption by 2-8 times• Increase cost savings from 25% to 65%

Development of new products

• Transform poor raw materials into high quality polymerisedcomposites

• Design new composites with improved ageing and wearresistance


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The project’s target SMEs belong to various sectors and operate in the field ofmaterial processing and composite development. The economic impact of the projectcan be understood by looking at some figures.The automotive industry, for example, is extremely important for the European (andworld) market and employment. In fact the automotive production in Europe in year2000 amounts to 17,600,000 units and the sector employs about 4,500,000 people.About 40% of the automotive suppliers operate in the field of plastic/rubber materials.Therefore, the impact of the project on the automotive sector in Europe can be veryimportant.Similar considerations can be made about the aerospace industry. Its turnover inyear 2000 amounts to 72,3 billion Euros and it employs 430,000 people.

3. Impact on the development of application markets for target SMEs and other usersof the RTD results.E-beam technology is characterised by a high degree of versatility, therefore can beapplied to various industrial sectors, such as manufacture of aircraft and spacevehicles, building materials, furniture, special fabrics and biomaterials. Examples arethe development of:• Integrated polymer/metal composites and new epoxy-type polymers;• Cryogenic fuel tanks and lines;• Foam filled polymer structures;• Micropowders made from virgin or recycled PTFE (polytetrafluooethylene);• Hydrogels for skin burn treatments;• Catheters for angioplasty;• Reinforcement of plastics and composite materials with agricultural fibres such

as flax and hemp.The results obtained during the research process may be potentially exploited bySMEs operating in different areas or encourage SMEs to broaden their target markets.The IAG proposers will promote the dissemination of the results by liaising withother IAGs in and outside Europe.Moreover, some applications of e-beam irradiation involve directly the preservationof the environment, as explained in Paragraph 3.

� Novelty of the proposal

European SMEs operating in the addressed industrial sectors widely use traditionalprocessing techniques, such as chemical and thermal treatments, to improve crucialproperties of materials before putting them on the market.However, those techniques present unpleasant side effects and limitations. In fact,adding heat or chemicals to the original material causes almost the same types of changesas using e-beams, but far less efficiently since all adjacent materials must be heated (inthe case of heat processing) and it can be difficult to completely use up the chemicals,leaving behind unwanted residues (in the case of chemical processing).Briefly, the main drawbacks of traditional techniques can be listed as follows:• Long treatment times• Little flexibility• High energy consumption• Use of harmful chemical hardeners and catalysts• Volatile emissions

Electron beam processing, mainly used by large firms in USA and Japan, consists inirradiating materials with electron beams, whose energy and associated dose depend uponthe specific target material and its desired performance.


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E-beam processing proves to be an innovative alternative to traditional techniques andovercomes their limitations, offering unique capabilities:• Reduced manufacturing costs and energy requirements• Reduced tooling costs• Reduced treatment times• Simplified processing and material handling• High flexibility• Improved environmental, safety and health compliance.

In some cases traditional techniques are simply unable to process certain types ofmaterials because of their shape, size or chemical composition, so that e-beam processingis actually the only viable solution.Therefore, encouraging SMEs within the target industrial sectors to sample e-beamtechnology through tailored R&D studies would lead them not only to innovateprocesses, but also to develop new products whose properties are not achievable throughtraditional processing methods.

The following tables show how e-beam technologies can overcome existing methods’limitations.

Table 4

Energy costs

Type of process/product E-beam Thermal

Polyethylene cross-linking 1 2,2

Rubber vulcanization 1 8,5

Polyester panels 1 4,2

Sterilization medical devices 1 2,0

Table 5

Treatment of coated panels

Features E-beam U.V.

Investment costs 1 0,5

Energy consumption 1 10

Coating costs 1 1,5

Process speed (millisecond) 1 1000

Limits None Only light colours

Table 6

Treatment of metal panels

Features E-beam Thermal


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Investment costs 1 1,25

Energy consumption (per hour) 1 2,20

Energy consumption (per square unit) 1 3,30

Production 1 0,66

Table 7

Heat resistance of cross-linked polyethyleneOperating temperature [°C]

Polyethylene Continuous Up to 100 h/year For short time

Chemical treatment 90 130 250

E-beam treatment 150 200 300

2. Community added value and contribution to EU policies

• European dimension of the problem

The industrial sectors being addressed, comprising a large number of the automotiveindustry suppliers, represents a significant amount of SMEs in Europe, especially in theregions where the Industrial Associations involved in the proposed project operate. In factFederpiemonte, the IAG Co-ordinator of the project, groups a large number of SMEs thatoperate as suppliers in the automotive market.

European SMEs manufacturing materials and composites have to tackle complexproblems, due to the limitations of the traditional techniques being used.Often the industrial process is not competitive enough if compared to large firms in USAand Japan, and the environmental implications, as well as unpleasant working conditions,call for an innovative solution.The proposed project aims at finding such a solution, however, since the entity of theproblem goes beyond the borders of single countries, the answer must be found at aEuropean level. A transnational approach is therefore essential.

In the globalised market, as a matter of facts, complex products (such as vehiclestructures) are assembled with components coming from all over the world, thereforeinnovation activities involving more than just one country are potentially capable ofmoving a whole sector forward. An international community then shares all the benefits.

The IAG proposers will ensure the development and strengthening of technological co-operation between each other and the exchange of knowledge among SMEs. They willalso seek the co-operation with other European organisations or IAGs over the duration ofthe project and its completion, in order to stimulate the flow of innovation to othercountries and other sectors.

• European added value


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The consortium, besides Federpiemonte, will comprise industrial associations from otherEuropean countries, such as Sweden, Spain and Austria, and will allow differentcompanies to get in touch during the planned training and dissemination activities.A brief description of the IAG proposers is provided.Federpiemonte (Italy), the project co-ordinator, represents over 5,500 companies inPiemonte, employing over 500,000 people mainly in the industrial sector. Federpiemonteis an industrial association and aims at improving the competitiveness of its associatedcompanies in their market sectors.The Association of Swedish Engineering Industries (VI) has some 3,000 membercompanies with 300,000 employees. The object of the association is to reinforce itsmember companies' international competitiveness and long-term profitability. The fieldsof activities are mainly: economic policy and business trends, collective negotiations andagreements, the environment, research and development, product requirements and tradepolicy, training policies, business law.Fomento del Trabajo Nacional (Spain) is a private regime company that assists associatedcompanies in a variety of services, encompassing economics, innovation andenvironmental policies.A great effort will be made in order to allow the maximum flow of information andexchange of knowledge among the IAG proposers, whose different and complementaryindustrial sectors may develop new co-operation activities during the project and after itscompletion.Manufacturers of various products may enrich their knowledge base from theconfrontation with complementary skills and interests, especially if such a dialogue issupported on a European level.Special effort will be made to ensure the maximum exchange of ideas and creation of newcollaborations among enterprises.As it will be outlined in Paragraph 5, the appointed RTD performers will be a veryeffective source of developing and disseminating best practices and innovation.

• Contribution to EU policies

The project is on line with the overall development of the EU policies.First of all, it supports SMEs, considered the productive heart of Europe, by providingsubstantial means for their growth, starting from the solid base represented by ScientificResearch.All the research activities will be geared towards innovation, in terms of the developmentof new processes and products. Innovation policy is regarded as the key to growth andimproved employment prospects, as outlined in the European Commission’sCommunication “Innovation in a knowledge-driven economy”, (COMM(2000)567).Furthermore the project will face a problem that potentially hits important industrialsectors with the involvement of a large number of European companies.Giving them a tool for their technological growth and medium-long term commercialadvances, the proposed project will strengthen the sector also in view of improvingEuropean competitiveness towards USA and Japan, which are the strongest competitorsin the field.Consequently employment will be improved, both in general terms and in the creation ofa new specialised profession.The project proposed herein also entails the integration of environment issues in thetechnological development strategy for SMEs, as the electron beam technique helpsreduce the use of hazardous substances and energy consumption in industrial processingof materials.


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3. Contribution to Community social objectives

As mentioned before, the introduction of e-beam techniques into the normal productionprocess can lead to improve competitiveness of SMEs, thanks to increased technicalabilities and production capacity.At the present stage, it is not easy to quantify exactly all the benefits to the target SMEs,however the impact will be relevant, considered the high number of human resourcesinvolved in the industrial sectors being addressed.Through the proposed project it is also possible to contribute to the European Communitysocial objectives:

� The improvement of health and safety, with particular regard to working conditions, isdirectly related to the intrinsic nature of the innovative process under study. In fact,irradiating materials with electron beams implies a simplified handling of the articles,with less burden on the workers. On the other hand, traditional techniques require theworkers to come into contact with harmful chemical substances and entail a morecomplex handling of the products.

� The improvement of employment prospects and level of skills in Europe is fosteredthrough the interaction between SMEs and RTD performers. In particular, employmentprospects can be improved at different levels:- within the SMEs, where new and highly requested professional profiles may be

created, due to the new technology being used. In fact, it requires a high degree ofcompetence and expertise in different fields, such as radiation physics, chemistry andengineering;

- in the applied research field, where science graduates may find new opportunities dueto increased interest by industries.

The level of skills in Europe can therefore be improved in both SMEs and researchenvironment. The proposed project will help extract the maximum innovative benefitfrom the European research effort also in terms of professional development, such astraining opportunities for workers of any level.

� Making no use of harmful chemical compounds during the process enhances thepreservation of the environment and natural resources, as electron beams are the onlyagents triggering polymerisation and curing processes. Faster treatments (few seconds)mean reduced energy consumption, unlike traditional techniques that require hightemperature for longer treatment times (several hours). Moreover, low doses guaranteethat irradiated materials do not develop hazardous substances, so no quarantine is requiredafter the treatments.

In addition to indirect environmental benefits, e-beam technology can actually helppreserving the environment in more direct ways. Some of the applications, which aregiven below, are just now coming on-line in industry while others are undergoing plant-scale trials. Although our research project does not address these fields of applications, itcan however promote the use of e-beam technologies in other sectors:

o Flue gas treatment: coal-fired plants used for generating electricity and heat producesignificant amounts of the acid-rain-causing gases, sulphur dioxide (SO2) and oxidesof nitrogen (NOx). Conventional methods for flue gas treatment are wet methods,which result in large volumes of wastewater that also have to be treated. E-beamtreatment was developed to cost-effectively eliminate this problem. The processtransforms flue gases into components for commercial fertilizers;


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o Water treatments: the use of e-beam treatment to decontaminate wastewater andgroundwater has been studied extensively for over three decades, but it wasconsidered more expensive than conventional methods such as chlorination orbiological treatment. A two-year pilot-scale study undertaken in Germany showedthat e-beam treatment was efficient and could become economically competitive withexisting technologies;

o Waste (sewage, animal, organic wastes) treatments: e-beam treatment is a currentindustrial process for handling many different waste streams, as it kills harmfulbacteria and reduces odour in many waste streams;

o Reduction of toxic emissions in the viscose/rayon process: the viscose producersconvert cellulose wood pulp or cotton linters into staple fibre, filament, cord, casingsor films. High concentrations of hazardous chemicals are used in the productionprocess. Under optimum conditions, the use of electron-treated pulp can reduce theconsumption of such chemicals by 25-40%.

4. Scientific/Technological content and dissemination

� Outline of the research approach

The project outlined herein aims at stimulating European SMEs, belonging to varioussectors, to adopt an innovative technique based on the irradiation of materials withelectron beams.The introduction of any new method in consolidated industrial processes inevitablyrequires the careful planning of research studies, which have to be specifically tailoredaccording to the type of article being produced.The core group of SMEs that will be defined from the start of the project will comprise avariety of producers, manufacturers and suppliers operating in different market sectors:• Automotive• Aircraft - Aerospace• Electronics – ICT• Chemicals• Pharmaceuticals – Cosmetics• Packaging• Textiles• Infrastructures - FurnitureEach company will be assisted and guided through all the phases of the research process,paying special attention to assess the risks and benefits that always characterise theimplementation of innovation. Efforts will be particularly made to create a fertileenvironment for knowledge exchange between SMEs and RTD performers.

� Disseminate the expected results

INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) will manage and monitor all the technicalaspects of the RTD activities, and will co-ordinate all the research studies devoting fulltime personnel and bursary holders.The technical and scientific activities of the project will be planned as a series ofworkpackages, in order to better monitor and analyse the partial results:

1. Definition: choice of sample materials to be treated, in collaboration between SMEsand RTD performers

2. Design: research activities are designed according to the specific properties of thesamples to be treated, choosing the more adequate e-beam facility


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3. Verification: the properties of irradiated samples are analysed against the desiredstandards, establishing the suitable energy dose-range

4. Validation: the new process or new product is validated and a specification isestablished, taking into account any patent-related issue

5. Release: the new process or new product is released6. Exploitation/Dissemination: the results of the research activities are disseminated

and exploited through:• Seminars, workshops and publications, to outline the main RTD activities, the

problems encountered and the solving methods• Training sessions, to familiarise workers with electron beam operating techniques

and RTD performers with practical constraints typical of industrial processes• Networking SMEs and RTD performers through traditional means and advanced

ICT tools, such as constantly updated web pages following up the project7. Co-ordination of all activities, encouraging the flow of innovation from the core

group of SMEs to the whole sector addressed and the applications to new potentialmarkets and different sectors.


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1.5.1 Main objectives list

OL. Main objectives list

ObjectiveNo

Objective description

1234567


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1.5.2 Work package list

WPL Workpackage list

Workpackage title EstimatedPerson-days

Key expected results for eachWPII-n

1 Definition

2 Design

3 Verification

4 Validation

5 Release

6 Exploitation/Dissemination

7 Co-ordination and Management

TOTAL


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1.5.3 Deliverables list

DL. Main deliverables list1

Deliver

able No

Deliverable description Deliverydate

No ofcorrespondingobjectives on

list OL

No ofcorrespondingworkpackages

WPII.n

1

50% offigures atthe end ofthe firstyear, theother 50 %at the endof thecontract

2

Asdeliverable

1

3

Asdeliverable

1

4

Asdeliverable

1

5

Asdeliverable

1

6

Asdeliverable

1

7

Asdeliverable

1

8

Asdeliverable

1


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1.5.4 Workpackages

WP1 Workpackage description

Workpackage title: Definition

Workpackage number: 1Participant numbers ofother partners involved:Person-days per partner:TOTAL Person- days

Objectives:

• Choice of the suitable SMEs for implementing e-beam technology• Choice of sample materials to be irradiated• Choice of the industrial process to be improved

Description of work:

The IAGs will contact their associated SMEs, in order to assess their interest for implementing e-beamtechnology and the difficulties they could encounter. SMEs will be assisted in evaluating theirtechnology needs.After a selection process, a Core Group of SMEs will be chosen for testing e-beam technologies.Particular attention will be given in order to represent a variety of industrial sectors.For each SMEs a number of products or processes or both will be selected as samples for e-beam testing.Each test will be tailored specifically and individually, as required by e-beam techniques.

All deliverables:

• N° SMEs in Core Group: 80• N° sample materials: 80• N° sample processes: 80

Expected quantified results:

• N° SMEs in Core Group: 80• N° sample materials: 80• N° sample processes: 80


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Workpackage title: Design


Objectives: (for each sample material or process)

• Choice of the suitable e-beam facility, accelerator type, accelerator power• Choice of energy range• Choice of dose range• Choice of process speed• Choice of exposed area• Choice of added monomers, fibres,… (if applicable)• Choice of pre-treatments (if applicable)


The research activities will be designed according to the specific properties of the sample materials to betreated or processes to be improved, choosing the more adequate e-beam facility, the type of acceleratorrequired and its power, the energy-dose range.Each test will be defined by a protocol, whose parameters will be: name of product/process, acceleratortype and power, energy-dose range, process speed, exposed area, added monomers or fibres, type of pre-treatment.As each sample will have its own specific characteristics, the treatment will be individually designedand tailored on their specific properties.The role of SMEs personnel during the Design activities will be essential, as they will bring their ownexpertise and practical know-how in support of RTD performers, thus promoting the exchange ofdifferent fields of knowledge and practices.

All deliverables:

• N° facilities involved: 4• N° protocols: 50 - 80


• N° protocols: 50 - 80


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Workpackage title: Verification


Objectives:

• Analysis of irradiated samples/new processes• Verification of properties against desired standards• Verification of properties against traditional techniques• Re-iteration of Workpackage 2 and 3 until adequate protocol’s parameters are obtained


The properties of irradiated samples/new processes are analysed against the desired standards andcompared to those achievable via conventional methods, re-iterating Workpackages 2 and 3 if necessaryuntil adequate protocol’s parameters are obtained.

All deliverables:

• N° re-iterations: 1 – 2 per protocol• N° definite protocols: 50 – 80


• N° definite protocols: 50 – 80


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Workpackage title: Validation


Objectives:

• Validation of new product/process• Development of product prototypes or pilot-scale industrial processes• Analysis of patent-related issues


The new process or new product is validated and a specification is established. A number of productprototypes and pilot-scale industrial processes will be developed. Any patent-related issue will be takeninto account. In this respect, the Turin-based Alps IRC Office and Euro Info Desk will assist SMEs ingathering information on Intellectual Property Rights and patentability, submitting patent applicationsand exploiting research results.

All deliverables:

• N° prototypes/pilot-scale processes: 50- 80• N° patents: 10 – 20


• N° prototypes/pilot-scale processes: 50 - 80• N° patents: 10 – 20


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Workpackage title: Release


Objectives:

• Release of new product/process• Benefits of e-beam irradiation• Development of new application markets


The new process or new product is released. The involved SMEs will be also assisted in carrying outmarket analysis aimed at commercialising their new products and running their new processes. Newpotential application markets will be envisaged.

All deliverables:

• Reduced energy consumption• Better environmental impact and working conditions• Reduced tooling costs• Improved flexibility• New application markets


• N products released: 50 - 80• N processes released: 50 - 80


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Workpackage title: Exploitation/Dissemination


Objectives:

• Training of all SMEs personnel involved in the project during the various phases• Dissemination of results within the Core Group of SMEs and from them to other EU SMEs

in each addressed industrial sectors• Description of problems encountered and possible solutions• Exploitation of the research results


The Plan for Dissemination and Exploitation of Knowledge will ensure that the results of the researchactivities are disseminated and exploited not only by the Core Group of SMEs, but by the largest numberof European SMEs. A constantly updated web site will be provided, as well as training sessions,seminars, workshops and demonstration activities.Training will be provided at each phase of the project by suitable RTD performers.All the potential uses of e-beam technologies will be promoted and encouraged, highlighting theirbenefits and possible drawbacks.

All deliverables:

• Training sessions, to familiarise workers with electron beam operating techniques and RTDperformers with practical constraints typical of industrial processes

• Seminars, workshops and publications, to outline the main RTD activities, the problemsencountered and the solving methods

• Thematic Networks of SMEs and RTD performers, through traditional means and advancedICT tools, such as a web site following up the project


• N° training sessions: 10• N° web sites: 1• N° thematic networks: 5 – 10• N° seminars/workshops/ demonstration activities: 5 - 10


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Workpackage title: Co-ordination and Management


Objectives

To manage in effective way the consortium

Description of work

The workpackage will consider all the activities concerning the management and the co-ordination thatare not directly involved in specific actions.

The co-ordinator and the branch-responsibles will spend part of their time in co-ordinating activities andchecking results during the contract period.

All deliverables

N° annual meetings:

N° Report: 2

Expected quantified results

N° Report: 2


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5. Management, partnership and resources

� Partnership structure

The consortium will comprise Industrial associations from the most representativeEuropean regions in the automotive sector.Besides the partners involved in the first phase of the proposal, at least two otherorganisations operating in Baden-Wurtenberg (Germany), Rhone-Alpes (France),Midlands (UK) will be involved.Their work will be focused on the identification of associated SMEs interested in thetechnology process proposed, on giving their support in the phase of project preparation,and on the co-ordination of different research activities.The industrial associations will be assisted by other local organisations, representingcompanies themselves, whose role will be the diffusion and the valorisation of the results(some of them are members of the Innovation Relay Center network).All the organisations involved have a large competence in assisting companies in the fieldof Craft projects, for they have often helped companies and RTD performers in theorganisational and operative phases of Craft projects.

The RTD performers involved, all specialized in the specific sector of the project, willprobably be:

• INFN: Italian public-funded research centre that operates in different fields: nuclearphysics, particle physics and theoretical physics. It collaborates with the mostadvanced research centres in the world, such as CERN, for a wide range ofexperiments and has gained a sound expertise in research management andtechnology exploitation. INFN is able to offer experienced guidance along the wholeresearch process, from the definition phase to experimental testing and validation.

• IONMED is a Spanish centre providing an e-beam facility for sterilisation andindustrial applications, such as processing of plastic materials and curing of rubber.The facility comprises an electron accelerator, handling system and dosimetrylaboratory. It obtained the ISO 9002 Certification in April 2000

• STUDER is an independent company based in Switzerland equipped with sixaccelerators for industrial applications. They offer a wide range of services, such asmaterial tests for suitability, consulting regarding materials and process optimisation

For each industrial association, at least 3-4 SMEs of the plastic/rubber sector will beinvolved. In total, about 10 companies will test the technology and will verify the benefitsand feasibility of its introduction in the industrial process.


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� Management Approach

The consortium will be co-ordinated by Federpiemonte, which not only possesses a highcompetence in liaising with companies, but also has already managed severalinternational projects (moreover, it hosts a Euro Desk). Federpiemonte will then play atthe same time the role of assistant to SMEs and the role of project co-ordinator.The involved associations will assist the associated companies involved and will co-ordinate their activities and especially their relationship with RTD performers. A qualitymanagement system will be adopted in order to check the obtained results and thedevelopment of the activities and of the budget in relation to the work plan.

Workpackages: the activity will be organised in different workpackages, each one willindicate the man/day engagement foreseen for each participant.Moreover each workpackage will indicate the list of deliverables andresults to obtain.

Diagrams: a flux and a temporal diagram will be drawn, in order to identify moreclearly the role and the engagement of each partner, and this willalready be a first element for the management of the consortium.

Meetings: 4 meetings will be organised: the first one will be organised for theproject start-up, the last one for the end phase of the project, and theother two meetings will be proposed in concomitance with crucialmoment for the project evaluation. After the first 3 meeting, a reporton the developed activity and expenditures will be prepared in order tobe submitted to the European Commission evaluation.

Performance indicator: Some performance indicators will be defined: theseindicators will be used to evaluate the project evolution, and thereaching of the goals.

The coordinator will centralise all communications flux: he will elaborate the data andwill transmit them to each partner. The monitoring of the project will be followed usingthe most usual communication tools. A large use of the electronic-mail is foreseen fordaily communications and for the documents invoice. Alternatively, fax and traditionalmail will be used

6. List of references

1. E. A. Abramyan, Industrial Electron Accelerators and Their Applications,Springer-Verlag, 1984.

2. A. Staiano, Applicazioni Scientifiche ed Industriali di Acceleratori di Elettroni eIoni: Proposta per la Realizzazione di un Centro Interdisciplinare diIrraggiamento a Torino, INFN/TC-97/10, 25 March 1997.

3. T. M. Stepanik, C. B. Saunders, V. J. Lopata, J. W. Barnard, D. E. Ewing, ElectronBeam Technology: Turning the Corner Towards Sustainable IndustrialApplications, Proceedings of World Wise ’99 “Sustainable Infrastructure: EmergingTechnologies for the New Millennium”, December 6-8 1999, Winnipeg ConventionCentre, Winnipeg, Manitoba, Canada.

4. Proceedings of the Conference “E-beam: Innovare Prodotti e Processi conTecnologie a Fasci di Elettroni”, 14 December 2000, Centro Congressi UnioneIndustriale di Torino.

5. Proceedings of the Conference “E-beam: Tecnologie a Fasci di Elettroni.Finanziamenti, Test e Sperimentazioni”, 3 April 2001, Centro Congressi UnioneIndustriale di Torino.


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6. D. Rizzo, Applicazioni Industriali degli Acceleratori di Elettroni, Tesi di Laurea,Università di Torino, 2001.

7. Proceedings of the Conference “L’Industria Aerospaziale e l’Internazionalizzazionedei mercati”, 6 November 2001, Centro Congressi Unione Industriale di Torino.

E-BEAM

TECNOLOGIE A FASCI DI ELETTRONIFINANZIAMENTI, TEST E SPERIMENTAZIONI

MARTEDI' 3 APRILE 2001 - ORE 8.45

Centro Congressi Unione Industriale di TorinoVia Fanti 17

L'Euro Info Centre della Federpiemonte -

Federazione delle Associazioni Industriali del

Piemonte organizza un secondo incontro, nell'ambito del

progetto comunitario Innovation Relay Centre IRC/ALPS,

per l'analisi, la valutazione e la diffusione delle possibili

applicazioni in ambito industriale delle tecnologie basate

sull'uso di fasci di elettroni accelerati "E-beam".

L’alta energia permette agli elettroni di penetrare

in profondità nei materiali. I materiali inerti, trattati con

fasci di elettroni, guadagnano in compattezza e in

resistenza al calore, alla corrosione e agli sforzi

meccanici. Si ottengono così cavi elettrici che possono

sopportare alte temperature, tubature per l’acqua potabile

indurite senza l’uso di additivi chimici che possono poi

esser rilasciati, involucri di prodotti alimentari

perfettamente stabilizzati.

Tra le applicazioni che comportano la

soppressione di germi o batteri, cioè le applicazioni

biologiche, una delle più comuni in uso nei paesi a

tecnologia avanzata è la conservazione delle derrate

alimentari. Un’altra applicazione biologica molto praticata

è la sterilizzazione di strumenti chirurgici; il principio è lo

stesso dell’applicazione precedente: colpiti da elettroni, i

batteri che contaminano bisturi, siringhe ed altri strumenti

vengono soppressi.

Questo secondo incontro fa seguito ad un primo

seminario organizzato il 14 dicembre scorso, in cui è stata

presentata la tecnologia E-beam e descritte alcune sue

applicazioni, e sarà destinato in una prima parte a

presentare alcuni centri operativi dove le imprese

potranno utilizzare la tecnologia E-beam per test e

sperimentazioni sui loro materiali o prodotti.

Questi centri forniranno indicazioni sulle

caratteristiche e sulle dimensioni dei materiali trattabili e

sulle tempistiche; forniranno inoltre alcuni riferimenti di

massima sui costi per effettuare test e prove.

Una seconda parte sarà dedicata alla

presentazione delle possibilità di finanziamenti comunitari,

nazionali e regionali per imprese che vorranno fare dei

test per valutare concretamente l'opportunità di dotarsi

della nuova tecnologia.

In questo progetto sono coinvolti enti

rappresentativi del mondo della ricerca e di quello

industriale, tra i quali, in particolare, oltre all'Unione

Industriale di Torino ed alle altre Associazioni

Industriali Piemontesi, l’INFN, l'Università e il

Politecnico di Torino e l'ASP, Associazione per lo

Sviluppo Scientifico e Tecnologico del Piemonte.

ASSOCIAZIONE PER LO SVILUPPOSCIENTIFICO E TECNOLOGICO DEL PIEMONTESezione di Torino

E-beam - Tecnologie a fasci di elettroni: finanziamenti, test e sperimentazioni

EURO INFO CENTRE IT 376 FEDERPIEMONTECORSO VITTORIO EMANUELE II, 103- 10128 TORINO - ITALIA

TEL. +39.011.549246 FAX +39.011.5175204E-Mail: [email protected]

PROGRAMMA03/04/01

8.45 Registrazione partecipanti

9.00 Introduzione lavori.Ermanno Maritano - Euro Info Centre - Federazione delle Associazioni Industriali del

Piemonte

Impianti con tecnologia E-beam: parametri progettuali, costruttivi e di costo.Alberto Chiaraviglio - Politecnico di Torino

Utilizzo della tecnologia E-beam per la modifica dei polimeri.Luigi Costa - Università di Torino

SPERIMENTAZIONI E TEST

Studer (Svizzera) - Conrad GuenthardIonmed (Spagna) - Mirel Morales De CastroBioster (Italia) - Sara BonomiCNR Bologna (Italia) - PierGiorgio Fuochi

Coffee Break

FINANZIAMENTI E SUPPORTI

Finanziamenti per test ed impiantiMarco Mangiantini - Innovation Relay Centre - ALPS

Fondi strutturali comunitariMauro Zangola - Unione Industriale di Torino

Agevolazioni per check-up, studi di fattibilità e sperimentazioniMichele Patrissi - DIADI - COREP

Domande

13.30 Chiusura lavori

Si prega di confermare la partecipazione al n. +39.011.549246 o all'indirizzo [email protected]

Siti di riferimentowww.federpiemonte.orgwww.to.camcom.it/irc/index.htmlwww.ui.torino.itwww.to.infn.itwww.asp.torino.it/demo

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