Characterization of the imaging performance of a LINAC prototype for industrial X-ray inspection

Since their discovery, the ability of X-rays to penetrate matter has been used to examine materials and ensure that there are no imperfections inside them. The energy range of the rays produced by classical X-ray tubes is between 30 and 600 keV, but this energy cannot penetrate thick and dense objects such as large foundry elements. In recent decades, this problem has been solved by using LINACs (Linear Accelerators) to produce X-rays. In this process, electrons accelerated to high energies are directed towards a target, usually tungsten, producing photons of equal energy in the form of Bremsstrahlung radiation. It is in this context that Gilardoni S.p.A., an internationally renowned Italian company in the field of X-rays, has entered the scene, developing a prototype accelerator for industrial radiography called "LINAC 2.5." The aim of this thesis is to characterize the imaging performance of the accelerator, specifically to define the focal spot of the source and the end-point of the photon energy spectrum. This involves developing specific techniques for the case and utilizing simulations conducted with the FLUKA code. After describing the LINACs and defining the two parameters to be determined, the approach used for their investigation is presented, which is the same for both parameters: first, an unconventional measurement method was defined; then, it was validated using sources for which the focal spot and the end-point are known; finally, tests were carried out with the LINAC. An additional test conducted involved measuring the spectrum with the ISOCS detection system, serving as the starting point of a complete characterization that considers all variables involved. The study concludes with an analysis of potential improvements to achieve this goal.

Sin dalla loro scoperta, la capacità dei raggi X di penetrare la materia è stata utilizzata per ispezionare materiali e assicurarsi che non vi siano imperfezioni al loro interno. Il range energetico dei raggi prodotti dai tubi a raggi X classici è compresa tra 30 e 600 keV; tuttavia, questa energia non può penetrare oggetti spessi e densi, come ad esempio grandi pezzi di fonderia. Negli ultimi decenni, questo problema è stato risolto mediante l’utilizzo di LINAC (acceleratori lineari) per la produzione dei raggi X. In questo processo, gli elettroni accelerati ad elevate energie vengono diretti verso un target, solitamente di tungsteno, producendo fotoni di pari energia sotto forma di radiazione di Bremsstrahlung. È in questo contesto che Gilardoni S.p.A., azienda italiana di fama internazionale nel campo dei raggi X, ha sviluppato un prototipo di acceleratore per radiografia industriale chiamato “LINAC 2.5”. L'obiettivo di questa tesi è caratterizzare le prestazioni di imaging dell’acceleratore, definendo in particolare la macchia focale della sorgente e l’end-point dello spettro energetico dei fotoni. Questo ha comportato lo sviluppo di tecniche specifiche per il caso e l'utilizzo di simulazioni effettuate con il codice FLUKA. Dopo aver descritto i LINAC e definito i due parametri da determinare, viene presentato l’approccio utilizzato per la loro indagine, lo stesso per entrambi i parametri: in primo luogo è stato definito un metodo di misurazione non convenzionale; successivamente, è stato validato utilizzando sorgenti per le quali la macchia focale e l’end-point sono noti; infine, sono stati effettuati test con il LINAC. Un ulteriore test effettuato ha riguardato la misura dello spettro con il sistema di rilevazione ISOCS, punto di partenza per una caratterizzazione completa che considera tutte le variabili coinvolte. Lo studio si conclude con un'analisi dei potenziali miglioramenti per raggiungere questo obiettivo.