Material identification and Compton scattering effects in X-ray multienergy radiography of homogeneous compounds

Multienergy radiography is an innovative X-Ray inspection technique able to perform material identification by measuring attenuation spectrum of the inspected object. This sets it apart from conventional X-Ray techniques which either measure radiation intensity, retrieving then measurements integrated over energy, or at most divide radiation in two ranges -low energy and high energy- measuring the intensity separately in the two regions. In this thesis the physics relevant for multienergy radiography is discussed taking as reference the XSpectra technology developed at Xnext. In particular, the problem of material identification of homogeneous compounds is studied, and a method directly based on the physical processes of X-Ray interaction with matter is proposed. Furthermore, Compton effect from atomic bound electrons is studied in order to discuss the radiation scattered from an extended and homogeneous body, and see how it affects the measurements performed. In doing this, a simple model is derived and discussed. The approach is a theoretical discussion, as at the time this work was conducted there was not the possibility to perform direct measurements on XSpectra or more in general on systems which could be properly set to reduce undesired effects like pile-up. However simulations reported and discussed along the thesis support the discussion. Results obtained from simulations seem to indicate the method proposed for material identification performs better than a dual energy one taken as example of already existing inspection techniques. While the model derived for Compton-scattered radiation from an extended and homogeneous body seems to indicate its contribution to measurements depends both on problem geometry and material composition, being however at worst nearly one order of magnitude smaller than values of ideal measurements for the majority of the cases considered.

Le radiografie a più energie -multienergy radiographies- rappresentano un'innovativa tecnica di ispezione a raggi X in grado di identificare i materiali in base al loro spettro di attenuazione. Questo le differenzia dalle tecniche convenzionali a raggi X che o misurano l'intensità della radiazione, fornendo quindi misure integrate in energia, o al più dividono la radiazione in due intervalli -bassa energia e alta energia- misurando l'intensità separatamente nelle due regioni. In questa tesi si discute la fisica rilevante per le radiografie a più energie prendendo come riferimento la tecnologia XSpectra sviluppata da Xnext. In particolare, si studia il problema dell'identificazione di materiali omogenei, e si presenta un metodo direttamente basato sui processi fisici di interazione tra raggi X e materia. In aggiunta, si studia l'effetto Compton da elettroni atomici legati per discutere la radiazione diffusa da un corpo esteso ed omogeneo, e capire come questa influenzi le misure effettuate. A questo scopo un semplice modello viene derivato e discusso. L'approccio è una discussione teorica, dato che al tempo in cui questo lavoro è stato condotto non vi era possibilità di eseguire misure su XSpectra o più in generale su un sistema che potesse essere calibrato in modo da ridurre effetti indesiderati come il pile-up. Comunque, una serie di simulazioni è riportata nel corso della tesi a sostegno della discussione. I risultati di tali simulazioni sembrano indicare che il metodo proposto per l'identificazione dei materiali sia migliore di uno a doppia energia preso come esempio di tecniche di ispezione già esistenti. Mentre il modello formulato per la radiazione diffusa per effetto Compton sembra indicare che il suo contributo alle misure dipenda sia dalla geometria del problema che dalla composizione del materiale, sebbene comunque almeno un ordine di grandezza inferiore ai valori di misure ideali per la maggior parte dei casi considerati.