Development of an irradiation facility for non-destructive testing

In the framework of the Energy for Motion project, this Ph.D. work aimed at the development and characterization of an X-ray Computed Tomography (XCT) facility committed to the non-destructive morphological and structural inspection of electrochemical devices at the cell (macroscopic) level. The RETINA facility, consisting of an X-ray tube, a sample positioning system, and a detector, was designed and built from scratch, including an instrumentation control LabVIEW-based software that allows the user to take full tomographic scans of samples. RETINA is now able to perform 3D imaging of medium-sized samples (few cm to 15 cm) with a resolution of about 100 μm. A major part of the work was dedicated to modeling and characterizing the X-ray tube and detector. A numerical model of the available source was realized, using the general-purpose Monte Carlo (MC) code FLUKA, implementing realistic source geometry and composition. The unfiltered X-ray tube energy spectra were measured using a collimated HPGe detector. An excellent agreement was found between the measured spectra (corrected by unfolding) and MC simulations. The detector Modulation Transfer Function (MTF) was characterized by the sharp edge method. A theoretical model of the signal and resolution properties of the X-ray detector, containing novel features with respect to existing literature, was developed and fitted against experimental data to derive the detector response function. The obtained models of the X-ray spectrum and detector response were used to develop an XCT simulation tool based on ray tracing, which can be used to study optimal imaging configurations of a sample. Finally, an electrochemically aged Pb-acid battery electrode and a discharged commercial alkaline battery were inspected via 2D and 3D imaging, to highlight morphological features and explore the capabilities of the system in the NDT of batteries.

Questo lavoro di dottorato, svolto nell’ambito del progetto Energy for Motion, riguarda lo sviluppo e la caratterizzazione di un sistema per la Tomografia Computerizzata a raggi-X dedicato all’ispezione morfologica e strutturale dei dispositivi elettrochimici al livello della cella (macroscopico). Tale facility, denominata RETINA, è composta da un tubo a raggi-X, un sistema di posizionamento del campione e un rivelatore per imaging. La facility è stata interamente progettata e costruita, incluso un software di controllo strumenti basato su LabVIEW. Attualmente, RETINA è in grado di eseguire imaging 3D di campioni di medie dimensioni (alcuni cm fino a 15 cm) con una risoluzione di circa 100 μm. Una parte significativa del lavoro è stata dedicata alla modellizzazione e caratterizzazione del tubo a raggi-X e del rivelatore. Un modello numerico della sorgente è stato realizzato tramite il codice di simulazione Monte Carlo (MC) FLUKA, implementando una geometria e una composizione realistica della sorgente. Gli spettri del tubo a raggi-X sono stati misurati utilizzando un rivelatore HPGe collimato, riscontrando un eccellente accordo tra gli spettri misurati (corretti con un algoritmo di unfolding) e le simulazioni MC. La Modulation Transfer Function (MTF) del detector è stata caratterizzata mediante il metodo dello sharp edge. Un modello teorico delle proprietà di segnale e risoluzione del detector è stato inoltre sviluppato, introducendo alcune novità rispetto alla letteratura corrente. Tale modello è stato utilizzato per stimare la funzione di risposta del rilevatore mediante una procedura di fit del modello ai dati sperimentali. I modelli dello spettro della sorgente e della risposta del rilevatore così ottenuti sono stati poi utilizzati per sviluppare uno strumento di simulazione di immagini radiografiche basato sul ray tracing. Tale strumento è utile per studiare configurazioni ottimali di imaging per un campione. Infine, un elettrodo di una batteria piombo-acido invecchiato elettrochimicamente e una batteria alcalina commerciale sono stati ispezionati tramite imaging 2D e 3D, per evidenziarne le caratteristiche morfologiche ed esplorare le capacità del sistema nell’effettuare la caratterizzazione non-distruttiva di batterie.