Spectral correction and actual imaging capabilities of a CdTe detector for X-ray multienergy radiography

Multi-energy radiography is an innovative X-ray inspection technique based on counting X-ray photons in number and energy for each pixel. With such spectroscopic radiography, it is possible to obtain the attenuation spectrum of an inspected object and perform material identification. The information collected is richer with respect to the traditional techniques that purely operate a total absorption measurement. This means that, even if it is generally possible to locate extraneous materials inside an object, it is not possible to infer anything about the nature of the inclusions. In this thesis two main issues connected to material identification are discussed taking as reference XSpectra® technology developed by Xnext® and material identification algorithm developed by G. Bubba in Material identification and Compton scattering effects in X-ray multienergy radiography of homogeneous compounds. The first issue is to estimate the imaging capabilities of such a technique: assuming to have an ideal detector, these are mainly linked to the number of photons the detector must receive to reconstruct a reliable image. The number of photons reaching the detector is linked to the flux emitted by the source and to the velocity of the object, that is also important for its industrial applications. The second issue is connected to spectrum distortions introduced by a CdTe detector, with a particular attention to escape and incomplete charge collection phenomena. The study of distortions effects was treated through simulations based on the data collected at ESRF in June 2018 that allowed to build a detector response matrix. These measurements were also instrumental to the definition of a first correction procedure that, even if it must be optimized, looks promising.

La radiografia a più energie – multi-energy radiography – è un’innovativa tecnica di ispezione con i raggi X che registra, per ogni pixel, il numero i fotoni incidenti sul detector e la loro energia. Da tale radiografia spettroscopica, è possibile ottenere lo spettro di attenuazione dell’oggetto sotto ispezione e svolgere l’identificazione del materiale. L’informazione raccolta è più ricca rispetto alle tecniche tradizionali che, semplicemente, operano una misura dell’assorbimento totale. Ciò significa che, anche se è generalmente possibile individuare un materiale estraneo all’interno di un oggetto, non è possibile dedurre nulla circa la natura dell’inclusione. In questa tesi sono discusse due importanti questioni connesse all’identificazione di un materiale, prendendo come riferimento la tecnologia XSpectra® sviluppata da Xnext® e l’algoritmo di identificazione del materiale sviluppato da G. Bubba in Material identification and Compton scattering effects in X-ray multienergy radiography of homogeneous compounds. La prima questione è relativa alla stima delle capacità di imaging di tale tecnica: assumendo di avere un detector ideale, queste sono legate principalmente al numero di fotoni che il detector deve ricevere per costruire un’immagine affidabile. Il numero di fotoni che raggiungono il detector è legato al flusso emesso dalla sorgente e alla velocità dell’oggetto sotto ispezione, che è altresì importante per l’applicazione industriale. La seconda questione è connessa alle distorsioni dello spettro introdotte dal detector in CdTe, con una particolare attenzione ai fenomeni di fuga – escape – e di incompleta collezione della carica. Lo studio degli effetti della distorsione è stato trattato con simulazioni basate sule misure fatte a ESRF a giugno 2018 che hanno permesso di costruire una matrice di risposta del detector. Queste misure sono state fondamentali anche per simulare una prima procedura di correzione che, anche se dovrà essere ottimizzata, sembra promettente.