Toward Next-Generation X-Ray Imagers

Altri partecipanti: POLIMI, UNIPA

Negli ultimi decenni, si sono compiuti grandi sforzi di ricerca nello sviluppo di sistemi per imaging a raggi X con capacità di conteggio dei fotoni singoli e risoluzione energetica a causa del loro forte impatto in numerose applicazioni scientifiche e industriali: dallo screening di sicurezza, all'ispezione alimentare, farmaceutica o dei rifiuti in linea, all'analisi non distruttiva dei materiali. Tuttavia, nonostante i risultati promettenti abbiano incoraggiato significativi investimenti da parte di stakeholder industriali e di ricerca, al momento non è disponibile uno scanner a raggi X in grado di combinare contemporaneamente una risoluzione energetica di grado spettroscopico con una elevata risoluzione spaziale e velocità di acquisizione; questa assenza compromette, ad esempio, la capacità di rilevare contaminanti a bassa densità nei sistemi di acquisizione in tempo reale per il controllo qualità nelle industrie alimentari e farmaceutiche, o rallenta notevolmente la produzione. Questo limite deriva principalmente da tre fattori: a) una mancanza di conoscenza approfondita della fisica dei rivelatori irradiati a flussi di fotoni molto elevati; b) i limiti di velocità e rumore dell'elettronica di lettura all'avanguardia; c) la mancanza di un'elaborazione intelligente del segnale per un elevato flusso di dati in uscita. Questo divario tecnologico nello sviluppo di rivelatori, elettronica di lettura ed elaborazione digitale del segnale, rappresenta una grande sfida aperta verso la realizzazione di sistemi avanzati di conteggio dei fotoni risolti energeticamente (ERPC), in grado di operare a flussi di fotoni molto elevati per gli imager a raggi X di prossima generazione. L'obiettivo di questo progetto di ricerca è superare i limiti attuali degli ERPC studiando i problemi sopra menzionati nei loro tre componenti chiave (rivelatore, elettronica, elaborazione del segnale), sviluppando un prototipo innovativo in grado di operare fino a 2×107 fotoni/s per pixel (o 50×107 fotoni/s/mm2) nell'intervallo energetico da 2 a 150 keV, con elevate risoluzioni spaziali (<0,1 mm) ed energetiche (<1 keV a 60 keV), consentendo una svolta nelle prestazioni in molti campi di applicazione.

Il sistema ERPC proposto sarà costituito da un array di pixel lineari di cadmio-zinco-tellurio (CZT) accoppiati a un'elettronica di lettura ad altissima velocità e a bassissimo rumore seguita da un'innovativa elaborazione digitale dei segnali (DPP). L'avanzamento della conoscenza, portato dal dimostratore studiato all'interno di questo progetto, stabilirà una base scientifica e tecnologica per la progettazione e lo sviluppo di imager a raggi X di nuova generazione di grande formato. Diverse applicazioni industriali e scientifiche beneficeranno di questi studi. Nel caso delle industrie alimentari e farmaceutiche, ad esempio, una maggiore capacità di rilevare contaminanti o prodotti non conformi può migliorare la crescita della produzione e gli standard di sicurezza: un pilastro riconosciuto nell'innovazione della ricerca per il raggiungimento della leadership industriale in Europa e nel mondo, con un grande impatto sulla società.

Questo progetto è finanziato dall'Unione Europea - NextGenerationEU attraverso il bando nazionale PRIN 2022