Sviluppo di un modello teorico-numerico per un sistema di imaging a raggi X

As part of the "Energy for Motion" research program proposed by the Department of Energy, the "NDT @ Polimi" (Non-Destructive Testing @ PoliMI) project is an initiative that aims to develop an X-ray Computed Tomography system for the morphological characterization of electrochemical devices. X-ray Computed Tomography (CT) is a non-destructive imaging technique based on the processing of radiographic images, which enables to reconstruct the 3D structure of materials and objects across different spatial dimensions. The purpose of this thesis is to develop a theoretical-numerical model of the X-ray imaging system consisting of: scintillator, optical coupling system and CCD sensor. The objective is to understand the physical aspects that mostly affect signal conversion efficiency and image quality offered by the aforementioned system, in order to assist the design of the facility. The study starts from an analytical model, and explains how the conversion efficiency of the system depends on the energy of a monoenergetic X-ray beam. Subsequently, the theoretical estimates are validated through a Monte Carlo approach. The comparison of the results highlights the role of fluorescence photons in determining the energy deposited by X-rays in the scintillator. Resolution properties were investigated by following a numerical approach based on calculation tools of figures-of-merit. Finally, after introducing a realistic energy distribution of the photons emitted by the X-ray tube, a monochromatic source superposition model is proposed, including the effect of filters and corrections for fluorescence. The presented model is meant to offer a computational approach to evaluate a given experimental configuration, ultimately useful in guiding choices towards the system optimum.

Nell’ambito del programma di ricerca “Energy for Motion” proposto dal Dipartimento di Energia, è stato approvato il progetto “NDT@Polimi” (Non-Destructive Testing @PoliMi), iniziativa che mira a sviluppare un sistema di tomografia computerizzata a raggi X per la caratterizzazione morfologica di dispositivi elettrochimici. La tomografia computerizzata a raggi X (TC) è una tecnica di imaging non-distruttivo basata sull’acquisizione di immagini radiografiche con la quale è possibile ottenere ricostruzioni tridimensionali della struttura di materiali e oggetti su varie scale dimensionali. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare un modello teorico-numerico del sistema di imaging a raggi X, ovvero della struttura: scintillatore, sistema di accoppiamento ottico e sensore CCD. L’obbiettivo è comprendere gli aspetti fisici che più influenzano l’efficienza di conversione del segnale e la qualità d’immagine offerte dal sistema, in modo da assistere la fase di progettazione della facility. Lo studio è stato condotto a partire dall’implementazione di un modello analitico che mette in evidenza in che modo l’efficienza di conversione del sistema dipenda dall’energia di un campo X monoenergetico incidente. Le stime teoriche sono state successivamente validate mediante simulazioni Monte Carlo. Il confronto dei risultati mette in luce il ruolo dei fotoni di fluorescenza nel determinare l’energia depositata nello scintillatore. Sono state inoltre indagate le proprietà di risoluzione del sistema, mediante un approccio numerico basato su strumenti di calcolo di figure di merito. Infine, lo studio è stato affinato introducendo una distribuzione in energia dei fotoni X emessi dal tubo radiogeno realistica, includendo sia l’effetto di filtri sul fascio che correzioni per la fluorescenza. Il modello complessivamente elaborato si propone di essere uno strumento computazionale utile a valutare una data configurazione sperimentale e ad ottimizzare l’assetto del sistema di imaging a raggi X.