Development of a detection system for X-ray computed tomography

X-ray computed tomography (XCT) is a non-destructive imaging technique for the analysis of materials which allows a complete 3-dimensional reconstruction of an analysed object. Nowadays, besides the well-known medical application as a diagnostic tool, this kind of technology is a useful instrument in many fields, in particular those fields using or manufacturing high precision components. The Nuclear Measurements Laboratory at the department of Energy at the Politecnico di Milano has recently decided to develop an irradiation facility able to study the 3D morphology of object of different nature and use. XCT systems are manufactured by many companies and can be purchased as a single machine ready to be used. Since the Nuclear Measurements Laboratory already have an X-ray tube to exploit, the preference was for the development of a custom XCT system, to have an open and flexible facility. Therefore, this work deals with the feasibility study and the preliminary construction of a detection system for XCT through the selection and the development of an effective experimental solution. The developed detector is an indirect X-ray detector, composed by a CMOS sensor, an optical system and a scintillator screen. After having developed a first prototype of XCT detector and the related analytical model, a first characterization has been performed by studying the noise, the system detection efficiency and the performance of two different scintillators, a Gadox powder and a BC430 screen.

La tomografia computerizzata a raggi X (XCT) è una tecnica non distruttiva per l’analisi di materiali che permette una ricostruzione tridimensionale completa dei campioni analizzati. Oltre alla ben nota applicazione medica come strumento diagnostico, questa tecnologia è utilizzata in molti campi, in particolare quelli in cui vengono utilizzate o sviluppate componenti che richiedono una elevata precisione. Il laboratorio di misure nucleari del Politecnico di Milano vorrebbe disporre di un proprio sistema XCT per poter avere uno strumento utile per l’analisi morfologica di materiali e strutture di varia natura e finalità. I sistemi XCT vengono prodotti da diverse aziende e possono essere acquistati come un'unica macchina, completa di tutti i dispositivi e pronta per essere utilizzata. Poiché il laboratorio di Misure Nucleari dispone già di un tubo a raggi X, l’intenzione è quella di sviluppare al proprio interno l’intero sistema XCT. Questo consentirà di avere una facility aperta e flessibile. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è dunque lo studio di fattibilità e lo sviluppo di un sistema di rivelazione per sistemi XCT. Questa soluzione, da un lato più economica, è, dall’altro, la più utile ed istruttiva, in quanto permette di approfondire la conoscenza di tutti gli aspetti scientifici e tecnologici implicati. Il detector sviluppato in questo lavoro è un rivelatore indiretto di raggi X, composto da un sensore CMOS, un sistema ottico e uno scintillatore. Dopo aver costruito il rivelatore e sviluppato un relativo modello analitico, è stata eseguita una prima caratterizzazione, in particolare sono stati studiati il rumore, l’efficienza di rivelazione del sensore e le performance di due diversi scintillatori, il Gadox e il BC430.