Modeling of a commercial X-Ray tube for failures analysis and performance optimization

Since their discovery in 1895, X-ray tubes have attracted great scientific and industrial interest. Due to their ability to inspect materials, they have found application in different fields ranging from medicine, where the tube is at the basis of radiography and tomography systems, to the security, where it is used to check the presence of hazardous or forbidden contents in the passenger's baggage, up to scientific research. Even though they have been used and studied for decades, they still suffer of harmful and destructive failures, which need to be studied and understood in depth. The aim of this thesis is to provide a complete physical modeling of a commercial X-ray tube exploiting the potentiality of different software, such as Comsol Multiphysics, Matlab and MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code). Such a powerful tool can be used to improve the design of an X-ray tube and to deeply investigate the physical phenomena at the basis of tube failures. In particular, simulations have been compared with experiments performed on a prototype X-ray tube, focusing on both the arcing phenomenon and the focal spot dimension. After an introductory description of the structure and the working principle of X-ray tubes, including the manufacturing processes, the physics behind the electrons generation, focusing and X-rays production via Bremsstrahlung is discussed. A review of the major causes of X-ray tube failures is also provided. The tube modeling has then been tested comparing the simulations with experimental trials on the prototype system for the analysis of the arcing, a destructive phenomenon that occurs when electrons are accumulated on the glass envelope of the tube. In this framework, the implemented tool allowed to study the propagation of the electron beam, the backscattering of electrons from the tungsten target and the electron collision on the glass surface, showing an excellent agreement with the experimental measurements. A second benchmark was the tailoring and the optimization of the spatial beam characteristics which represent key parameters for an X-ray tube, being directly related with the spatial resolution when implemented in an imaging system. The developed model can be an invaluable tool for optimizing performances of future commercial X-ray devices.

Fin dalla loro scoperta nel 1895, i tubi a raggi X hanno avuto un grande interesse scientifico e industriale. Grazie alla capacità di ispezionare materiali, hanno trovato applicazione in diversi campi, dalla medicina, dove il tubo è alla base dei sistemi di radiografia e tomografia, alla sicurezza, dove si utilizza per verificare la presenza di contenuti pericolosi o vietati nei bagagli dei passeggeri, fino alla ricerca scientifica. Nonostante siano utilizzati e studiati da decenni, i tubi soffrono ancora di guasti, spesso causa di danni irreparabili, che necessitano di essere studiati in modo più approfondito. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare un modello completo di un tubo a raggi X commerciale, sfruttando le potenzialità di diversi software, come Comsol Multiphysics, Matlab e MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code). Questo modello è uno strumento fondamentale nella progettazione di un tubo a raggi X e nell'indagine di fenomeni fisici responsabili dei guasti. Le simulazioni sono state confrontate con esperimenti condotti su un prototipo, concentrandosi sia sul fenomeno della scarica che sulla dimensione del fascio. \\Dopo una descrizione introduttiva della struttura e del principio di funzionamento dei tubi a raggi X, viene discussa la fisica alla base della generazione e focalizzazione degli elettroni e della produzione di raggi X. Sono inoltre analizzate le principali cause di guasto dei tubi a raggi X. La modellazione è stata testata confrontando le simulazioni con prove sperimentali effettuate su un sistema prototipo per l'analisi del fenomeno distruttivo della scarica, che si verifica quando gli elettroni si accumulano sull'involucro di vetro del tubo, permettendo di studiare la propagazione del fascio di elettroni, la loro retrodiffusione dal bersaglio di tungsteno e la collisione degli elettroni sulla superficie del vetro, mostrando un ottimo accordo con le misure sperimentali. L'ottimizzazione delle caratteristiche spaziali del fascio, parametri direttamente correlati alla risoluzione spaziale di un sistema di imaging basato su tubi a raggi X, ha costituito un ulteriore test dell'affidabilità delle simulazioni. Il modello sviluppato può essere uno strumento prezioso per ottimizzare le prestazioni dei futuri dispositivi commerciali a raggi X.