Analytical and numerical modelling of scintillator screens for X-ray imaging systems

The development of an X-ray imaging facility is an ongoing project at the Nuclear Measurements Laboratory at Politecnico di Milano. In the framework of this project, the present thesis work focuses on studying the signal and resolution properties of an indirect X-ray imaging detector, with particular attention to the scintillator screen. A GADOX screen has been selected as a reference in this analysis; various theoretical and numerical models have been developed to study its properties. In particular, a theoretical model has been developed to account for both primary and fluorescence photons contributions to the deposited energy and the modulation transfer function (MTF) of the scintillator. Additionally, a Monte Carlo (MC) code has been written in MATLAB to simulate the generation and transport of optical photons inside the scintillator. Both the theoretical model and the MATLAB MC simulations have been compared to simulations with the FLUKA code; good agreements have been found for both the deposited energy and the MTF. Finally, the developed models have been applied to a prototype of a detector system. The prototype has been assembled and important figures of merit (quantum accounting diagram, sensitivity, detector response function) have been computed.

Lo sviluppo di una facility per imaging a raggi X è un progetto in corso presso il Laboratorio di Misure Nucleari al Politecnico di Milano. Nell'ambito di questo progetto, il presente lavoro di tesi si concentra sullo studio delle proprietà di segnale e risoluzione di un detector per imaging a raggi X. Uno scintillatore di GADOX è stato preso come riferimento in questa analisi ed è stato studiato tramite vari modelli teorici e simulazioni Monte Carlo. In particolare, è stato sviluppato un modello teorico per valutare il contributo dei fotoni X e dei fotoni di fluorescenza all'energia depositata e alla modulation transfer function (MTF) dello scintillatore. Inoltre, un codice Monte Carlo è stato scritto in MATLAB per simulare la generazione ed il trasporto dei fotoni ottici all'interno dello scintillatore. Sia il modello teorico, sia le simulazioni in MATLAB sono stati confrontati con delle simulazioni in FLUKA; è stato riscontrato un buon accordo sia per l'energia depositata, sia per la MTF. Infine, i modelli sviluppati sono stati applicati ad un prototipo di detector per imaging a raggi X. Il prototipo è stato assemblato e sono state valutate importanti figure di merito (quantum accounting diagram, sensitivity, funzione di risposta del detector).