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Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19097 (2022) Citare questo articolo

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La tomografia computerizzata a raggi X (CT) è una modalità commercialmente consolidata per l'imaging di oggetti di grandi dimensioni come i bagagli dei passeggeri. La TC può fornire la densità e il numero atomico effettivo, che non è sempre sufficiente per identificare minacce come esplosivi e narcotici, poiché possono avere una composizione simile alla plastica benigna, al vetro o ai metalli leggeri. In questi casi, la diffrazione dei raggi X (XRD) può essere più adatta per distinguere le minacce. Sfortunatamente, il flusso di fotoni diffratto è tipicamente molto più debole di quello trasmesso. La misurazione dei dati XRD di qualità è quindi più lenta rispetto alla CT, il che rappresenta una sfida economica per potenziali clienti come gli aeroporti. In questo articolo analizziamo numericamente un nuovo design di scanner a basso costo che cattura simultaneamente i segnali CT e XRD e utilizza la minima collimazione possibile per massimizzare il flusso. Per simulare uno strumento realistico, proponiamo un modello avanzato che include gli effetti limitanti la risoluzione dello spettro policromatico, del rivelatore e di tutti i fattori geometrici di dimensione finita. Mostriamo quindi come ricostruire modelli XRD da un grande fantasma con più oggetti diffrattivi. Includiamo una quantità ragionevole di rumore di conteggio dei fotoni (statistica di Poisson), nonché errori di misurazione (scattering incoerente). La nostra ricostruzione XRD aggiunge informazioni specifiche sul materiale, anche se a bassa risoluzione, all’immagine CT già esistente, migliorando così il rilevamento delle minacce. Il nostro modello teorico è implementato in un software accelerato GPU (Graphics Processing Unit) che può essere utilizzato per ottimizzare ulteriormente la progettazione di scanner per applicazioni nel campo della sicurezza, della sanità e del controllo di qualità della produzione.

La tomografia computerizzata a raggi X (CT) si basa sulla misurazione della trasmissione dei raggi X attraverso un'ampia regione di interesse (ROI), ad esempio una valigia durante i controlli di sicurezza aeroportuali. Dopo aver eseguito questa misurazione da più angolazioni, è possibile ricostruire matematicamente la densità 3D dell'oggetto. Con la TC multienergia possiamo anche dedurre la composizione media (numero atomico effettivo) in 3D. Sfortunatamente per le applicazioni di sicurezza, la densità e il numero atomico dei materiali pericolosi (farmaci, esplosivi) possono essere molto simili a quelli di metalli, ceramica e plastica innocui. Un'impronta digitale del materiale molto più specifica può essere misurata utilizzando la diffrazione dei raggi X (XRD). È molto sensibile alla disposizione spaziale degli atomi, che è altamente distinta in migliaia di materiali diversi. L'XRD è particolarmente adatto per l'identificazione dei cristalli, poiché la loro struttura periodica dà luogo a picchi di diffrazione molto netti. Ciò è vantaggioso per i controlli di sicurezza, poiché molte minacce sono in realtà cristalli, polveri cristalline o materiali composti semicristallini (metanfetamine cristalline, cocaina ed esplosivi comuni come TNT e RDX).

La capacità di identificare un materiale dipende dalla risoluzione del modello di diffrazione ricostruito. La risoluzione può essere aumentata con una stretta collimazione, sia spazialmente che in termini di spettro energetico dei raggi X. Lo svantaggio della collimazione è la perdita del flusso di fotoni1, che richiede quindi lunghi tempi di misurazione per essere compensato. Un ragionevole compromesso tra risoluzione e flusso è quindi fondamentale per uno scanner economicamente sostenibile. C'è anche la considerazione della risoluzione spaziale, ma questo è meno importante per le applicazioni di sicurezza in cui l'obiettivo è rilevare le minacce più gravi come una valigia carica di chili di esplosivo o di droga. Piccole quantità di minacce, o una moltitudine di piccole minacce diverse all'interno della stessa valigia, vanno oltre lo scopo di questa ricerca. Concentriamo quindi la nostra attenzione sulla risoluzione del modello di diffrazione, piuttosto che sulla risoluzione spaziale, se non diversamente specificato.

Un esempio di buona risoluzione ottenuta in un contesto di sicurezza aeroportuale reale è descritto nel Rif.2. Il loro flusso di lavoro è costituito da due macchine: prima una scansione TC (tomografia computerizzata) per segnalare potenziali oggetti pericolosi, quindi un secondo passaggio attraverso un diffrattometro a raggi X per fornire una firma del materiale più specifica. Per misurare il modello XRD di un oggetto ad alta risoluzione, gli autori hanno limitato l’apertura del fascio di raggi X a una sottile forma a matita, e hanno aggiunto dei collimatori davanti al loro rilevatore in modo che accetti solo una gamma ristretta di angoli di diffusione. Utilizzando un tubo a raggi X funzionante a 1,6 kW, gli autori hanno scansionato 4182 bagagli di passeggeri nel corso di 53 giorni, ovvero 3-4 articoli all'ora. Un sistema simile a due stadi, XRD 3500, è stato utilizzato commercialmente in diversi aeroporti3. Inoltre, un altro progetto che utilizza una sorgente a fascio conico è stato brevettato dalle tecnologie Halo4. Nonostante questi primi successi, sono necessari ulteriori miglioramenti in termini di velocità, costi e precisione affinché la tomografia XRD possa essere adottata su larga scala nell’aviazione commerciale.