Imaging radiografico con fasci di raggi X a larga banda spettrale

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1 I.F.A Isola d Elba Imaging radiografico con fasci di raggi X a larga banda spettrale Paolo Cardarelli Università di Ferrara Sezione INFN Ferrara

2 Larga banda spettrale Solitamente gli spettri utilizzati per imaging diagnostico (beniculturali, medico) sono entro un range ristretto e a con energie dell ordine kev, comunque in una banda ristretta che ottimizza contrasto nell immagine ed efficienza del detector utilizzato 14x Fotoni /m m 2 m A s Energia (kev)

3 Larga banda spettrale: bremsstralhung da LINAC Esempio di fascio a larga banda prodotto da bremsstralhung di elettroni ad alta energie (5-6 MeV) su target sottile e a bassa filtrazione 3

4 L esperimento DARMA Esperimento finanziato dall INFN a cui collaborano le sezioni di Messina, Ferrara e Sassari L esperimento DARMA si propone di studiare tecniche di riconoscimento dei materiali con tecniche di dual-energy per materiali pesanti (metalli) e di spessore elevato (10 cm) Per l analisi di questi materiali è necessario un fascio di radiazione X altamente energetico, si utilizza quindi la radiazione di bremsstrahlung prodotta da un fascio di elettroni accelerati in un LINAC fino a 5 MeV 4

5 Breve cenno sul dual energy Dalla radiografia convenzionale si ottengono informazioni sull assorbimento di una zona dell elemento in analisi, spessori diversi di materiali diversi possono dare lo stesso segnale. I I 0 =exp [ µ t] Utilizzando due radiografie ad energie diverse è possibile ottenere un maggior numero di informazioni. 5

6 Breve cenno sul dual energy Utilizzando due radiografie ad energie diverse, dall analisi delle due immagini ottenute è possibile ottenere informazioni sul rapporto dei coefficienti di assorbimento alle diverse energie e quindi ricavare informazioni sulla composizione dell oggetto (sistema radiografico di sicurezza negli areoporti) I I 0 =exp [ µ t] Utilizzando energie massime di qualche centinaio di kev, l effetto fotoelettrico è dominante. L effetto fotoelettrico dipende fortemente dal numero atomico Z, è quindi possibile discriminare con buona precisione materiali diversi svincolandosi da informazioni sullo spessore, utilizzando solo il rapporto dei coefficienti di assorbimento alle diverse energie 6

7 Limiti del riconoscimento di materiali tramite tecniche dual energy Alcune tecniche (Hawkes e Jackson 1980), sfruttando parametrizzazioni dei diversi contributi delle sezioni d urto F.E. e Compton nel coefficiente di attenuazione, permettono di discriminare molto precisamente i materiali in termini di Z e densità elettronica, ma con alcuni limiti: I materiali devono avere Z < 20 Energia massima < 200 kev (e lontano dai k-edge) questo implica un limite sullo spessore massimo che è possibile analizzare. L impossibilità di riconoscere materiale pesanti e la presenza di un acceleratore lineare di elettroni presso l Università di Messina hanno stimolato lo studio di una tecnica radiografica che permettesse di superare questi limiti 7

8 IL LINAC di Messina π µ s / 2 3 Energia degli elettroni regolabile da 1 a 5.5 MeV Acceleratore compatto: lunghezza complessiva 40 cm Uscita finestra titanio 50 μm fascio focalizzato 2 mm diametro Convertitore e-γ: 1 mm tungsteno + 9 mm di rame 8

9 Spettri simulati tramite MC Diverse simulazioni di spettri tramite il codice Monte Carlo MCNP hanno portato alla scelta del convertitore descritto nella slide precedente. Il campo irraggiato alla distanza del detector (250 cm) è circolare con un diametro di 14 cm 9

10 Caratteristiche del rivelatore Le caratteristiche fondamentali del detector digitale: Efficienza nel range energetico di interesse Elevata resistenza al danno da radiazione Buona risoluzione spaziale 10

11 Il rivelatore utilizzato Schermo scintillatore: Gd2O2S (GOS), dimensioni 300x400 mm 2, spessore 1.1 mm, montato su una lastra di ottone a 245 cm dalla sorgente Camera: CCD, 768x612 pix, pixel size 9x9 µm 2 Specchio Al a 45 11

12 Attività del gruppo di Ferrara in DARMA L attivitàdel gruppo di Ferrara riguarda la caratterizzazione dell apparato di imaging: Misura della pixel size Misura della macchia focale Misura della risoluzione spaziale del detector Spettrometria 12

13 Misura della dimensione del pixel La misura della dimensione del pixel èpropedeutica alla misura della macchia focale La misura èstata effettuata acquisendo un immagine di una griglia metallica di dimensioni e magnificazione note e calcolando quindi il numero di pixel corrispondenti ad una distanza calcolabile sullo schermo La dimensione del pixel corrisponde a 0.29 x 0.29 mm 2 sullo schermo 13

14 Misura della macchia focale Le tecniche classiche per la misura della macchia focale utilizzano immagini di pin-hole, slit o knife-edge. Focal spot Image plan Una fenditura di tungsteno (2 cm spessore) e di larghezza variabile è stata costruita per applicazioni di spettrometria tramite diffrazione da cristallo, questa slit è stata sfruttata per effettuare anche la misura dell estensione della macchia focale 14

15 Setup sperimentale 15

16 Profili ottenuti Misure della FWHM dei profili di immagini ottenute per aperture decrescenti della fenditura. La FWHM scala linearmente con la larghezza della fenditura e l estrapolazione a zero fornisce l informazione sulla dimensione della macchia focale 16

17 Risultati Considerando il valore ottenuto scalato opportunamente per la magnificazione, il risultato ottenuto per l estensione della macchia focale è di (3.0±0.4) mm. In realtà per effettuare questa misura è stata misurata in precedenza anche la risoluzione spaziale del sistema. 17

18 Misura della risoluzione La misura della risoluzione spaziale è stata effettuata utilizzando la tecnica dell edge response Nell immagine ottenuta da un bordo netto, il profilo perpendicolare all edge è la convoluzione della Line Spread Function (LSF) con una funzione a gradino. Per LSF si intende la funzione in uscita dal sistema se l input è una linea ideale E facilmente dimostrabile che effettuando la derivata di questo profilo si ottiene proprio la LSF del sistema e quindi l informazione sulla risoluzione spaziale in quella direzione. 18

19 Misura della risoluzione -2 I profili dell immagine sono affetti da rumore, quindi, considerando una approssimazione gaussiana della LSF, si è effettuata una serie di fit su diversi profili misurati tramite una error function e dal valor medio dei parametri ottenuti per questi diversi fit si è costruita la gaussiana corrispondente alla LSF. ESF x x 2σ 0 ESF ( x) =y +Aerf 0 =LSF( x) x 2 ( x x ) =Cexp 2σ 2 0 Il risultato di questa procedura ha portato alla misura di una FWHM della LSF di (1.63±0.03) mm 19

20 Problematiche della misura dello spettro La tecnica classica per la misura di uno spettro di radiazione Xprevede l uso di uno scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore o ad un dispositivo a stato solido. Questi rivelatori però dovendo distinguere ciascun singolo impulso possono essere utilizzati se il flusso della radiazione incidente èabbastanza basso da essere compatibile con il tempo necessario per la scintillazione e la raccolta di carica. (Flusso istantaneo circa 10 3 ph / cm 2 per impulso della durata di circa 3 µs) Le soluzioni in caso di elevati flussi consistono nell aumentare la distanza dalla sorgente e collimare il fascio; la distanza èperò limitata dalle dimensioni del laboratorio e la collimazione è complessa a causa delle alte energie. 20

21 Approcio all analisi spettroscopica Potrebbe essere possibile ricorrere a tecniche alternative come misure di attenuazione o tramite l utilizzo di diffrazione da cristalli Le misure di attenuazione sono complicate a causa delle difficoltàdi collimazione e dell elevata componente di scattering Si è optato quindi per un analisi spettroscopica tramite diffrazione da cristallo 21

22 Utilizzo della diffrazione da cristallo Sfruttando la diffrazione da cristallo che segue la legge di Bragg: 2d sinθ= nλ Posizionando il cristallo sul fascio opportunamente collimato, modificando l angolo èpossibile selezionare dal fascio i fotoni in una banda di energia regolata dalla legge di Bragg Misurando l intensità dei fasci diffratti a diversi angoli è possibile ottenere informazioni sulla distribuzione spettrale del fascio incidente Cristallo utilizzato: Cu (fcc) cristallo a mosaico (spread 0.05 ) spessore 2.4 mm configurazione di Laue indici di Miller (1,1,1) 22

23 Risultato della diffrazione 23

24 Analisi quantitativa Le misure effettuate finora sono state solamente qualitative, è stato verificato che è possibile estrarre dal fascio dei fotoni diffratti in bande energie selezionabili regolando l angolo di incidenza Una misura quantitativa a partire dai livelli di grigio nell immagine èestremamente complessa Si sta valutando la possibilità di effettuare la misura con altri tipi di rivelatori E necessario valutare con precisione le caratteristiche di riflettività del cristallo in uso E necessario valutare i contributi delle armoniche succesive, sopratutto per le energie più basse Attività in corso 24

25 Il progetto LABSYNC Progetto per una infrastruttura europea basata su una sorgente di radiazione compatta per diverse applicazioni Il gruppo di Ferrara ha il compito di studiare l utilizzo della sorgente per applicazioni di imaging radiografico Il progetto èbasato sull utilizzo di un microtrone compatto realizzato dal Photon Production Laboratory presso la Ritsumeikan University (Japan). 25

26 MIRRORCLE dati e linee previste Il MIRRORCLE-6X è sostanziamente costituito da due componenti: un microtrone, in grado di accelerare elettroni fino a 6 MeV un anello di accumulazione degli elettroni, con diametro pari a 60 cm Il progetto consiste nel realizzare diverse linee per fasci con caratteristiche spettrali diverse. Una di queste èbremsstrahlung del fascio di elettroni accelerati su targhette sottili. 26

27 Bremsstrahlung da targhette sottili spettri MC Mo wire Impact area = (0.125 mm) x (5.8 mm) 0.7 mm 2 W wire Impact area = (0.125 mm) x (5.8 mm) 0.7 mm 2 Rh wire Impact area = (0.120 mm) x (5.8 mm) 0.7 mm 2 Pb sphere Impact area = π (0.50 mm) mm 2 27

28 Prove preliminari con rivelatore RadEye2 Nell ambito delle misure effettuate presso il PPL dal gruppo di Ferrara, sono state anche acquisite immagini con un rivelatore digitale utilizzando i fasci di bremsstrahlung descritti in precedenza. RadEye2 Large Area Image Sensor prodotto da Rad-Icon Imaging Corp. Rivelatore CMOS 1024 x 1024 pixel, 50 x 50 mm Dimensioni pixel: 48 x 48 micron Schermo di scintillazione Kodak Min-R 28

29 Risposta del RadEye2 a diverse energie Elettroni raccolti (normalizzazione arbitraria) per unità di fluenza di un fascio di fotoni monocromatici in funzione dell energia E (kev). In rosso gli elettroni raccolti dal fotodiodo dovuti allo scintillatore, in nero gli elettroni prodotti dall interazione diretta nell area di raccolta.

30 Radiografia di un disco sottile di Al Immagine di un dischetto di Al di spessore 0.1 mm a contatto con il rivelatore Elettroni raccolti (normalizzazione arbitraria) per unità di fluenza di un fascio di fotoni monocromatici in funzione dell energia E (kev). In blu quelli passati in aria, in rosso quelli che attraversano uno spessore di 0.1 mm di Al.

31 Modello Immagine in assorbimento dovuta alla parte meno energetica dello spettro (E < 150 kev) Immagine in emissione dovuta alla parte più energetica dello spettro (E > 1 MeV) Rinforzo di bordo apparente dovuto alla combinazione dei due contributi

32 Applied Physics Letters (Vol.96, Issue 14) Profilo misurato Profilo del modello Applied Physics Letters (Vol.96, Issue 14) 2010

33 Applied Physics Letters (Vol.96, Issue 14) Grazie dell attenzione

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