New advances in neutron imaging techniques and a quantitative development of Neutron Resonance Transmission Imaging

In recent years, neutron imaging (NI) established its strengths and extraordinary versatility for non-destructive investigation of many kinds of morphological and microstructural properties of materials expanding its availability at neutron sources worldwide. The rapid development of NI methods and detection systems has led to a striking improvement of both spatial and time resolution as well as of techniques based on a broad range of contrast mechanisms, making imaging with neutron beams indispensable in modern research. The current state-of-art of NI techniques is particularly advanced. This thesis, therefore, aims to provide further advances in this sector, giving a particular account for Cultural Heritage applications, with the following activities: the implementation of the first Italian neutron tomography facility at the LENA research reactor of the University of Pavia and the development of a reliable protocol of analysis for resonant transmission imaging experiments conducted at the INES beamline of the ISIS spallation source (UK), with a particular focus on a first approach for quantitative calibration of this imaging technique. Neutron tomography (NT) is a well-optimised imaging technique. Therefore, based on the knowledge in the field of NT shared by researchers, the design and installation of the first Italian NT facility at the LENA TRIGA reactor have been carried out within the INFN CHNet-NICHE (Neutron Imaging for Cultural HEritage) project, aiming to specifically design the imaging beamline for conducting Cultural Heritage analyses. My contribution to the NICHE project consists of Monte Carlo simulations of the entire TRIGA Reactor and in particular the reconstruction of the main characteristics of the B Channel, and of the reconstruction of the tomographic acquisitions using a Python-based software. For well-established analytical techniques, it may be natural to extend their potentiality to imaging applications. This is the case of the Neutron Resonance Transmission Imaging (NRTI) technique. My personal contribution to the NRTI improvement started with planning the experimental activities, followed by the definition of a reliable normalisation strategy of the transmission data based on well-known procedures of NI. The definition of ad-hoc Python codes for data processing and normalisation is an integral part of my PhD work. The final goal of this project is to identify a protocol towards quantitative imaging, making the NRTI technique a particularly advanced imaging compared to standard tomography, which currently offers only qualitative investigations. NRTI exploits the epithermal portion of the neutron flux - not yet widely used in NI - combining the elemental/isotopic sensitivity due to the resonant absorption of neutrons with morphological details obtained by the employment of a time and space-resolved detection system. What makes NRTI different from standard neutron radiography is the possibility of not only localising specific features inside the volume of an object but also identifying and localising specific elements and isotopes with enhanced contrast with respect to others, without the need for sampling. Each detector pixel contains the full transmitted spectrum which is not integrated over the energy range, in contrast with neutron tomography where it is a typical process done by the neutron camera. Therefore, NRTI allows to analyse the resonant dips in the transmission spectrum to perform resonance-selection imaging, i.e. the resonant dips of a specific element or even isotope can be selected to increase its transmission contrast in the 2D map for better visualise its spatial distribution. Moreover, the analysis of resonant dip areas can provide quantitative details of the object composition, extending the potential of NI to quantitative investigations.

Negli ultimi anni, l'imaging neutronico (NI) ha affermato i suoi punti di forza e la sua straordinaria versatilità per le indagini non distruttive di molte proprietà morfologiche e microstrutturali dei materiali, espandendo la sua tecnologia presso le principali sorgenti neutroniche in tutto il mondo. Il rapido sviluppo dei metodi di NI e dei rivelatori associati ha portato a un notevole miglioramento della risoluzione sia spaziale che temporale, nonché allo sviluppo di nuove tecniche basate su un'ampia gamma di meccanismi di contrasto, rendendo l’imaging neutronico indispensabile nella ricerca moderna. L'attuale stato dell'arte delle tecniche NI è particolarmente avanzato. Questa tesi, quindi, intende fornire ulteriori progressi in questo settore con le seguenti attività: l'implementazione della prima facility italiana di tomografia neutronica (NT) presso il reattore di ricerca LENA dell'Università di Pavia, e lo sviluppo di un protocollo affidabile di analisi per la tecnica di Neutron Resonance Transmission Imaging (NRTI) condotta presso la beamline INES della sorgente a spallazione ISIS (UK), puntando a delineare un protocollo per la calibrazione quantitativa di questa tecnica. La NT è una tecnica di imaging ben ottimizzata. Pertanto, sulla base delle conoscenze condivise dai ricercatori in questo settore, è stata progettata e installata la prima facility italiana di NT presso il reattore LENA nell'ambito del progetto INFN CHNet-NICHE (Neutron Imaging for Cultural HEritage), specificatamente progettata per condurre analisi nel campo dei Beni Culturali. Il mio contributo al progetto NICHE consiste in simulazioni Monte Carlo dell'intero Reattore TRIGA ed in particolare nella ricostruzione delle principali caratteristiche del Canale B, e nella ricostruzione delle acquisizioni tomografiche utilizzando un software basato sul linguaggio Python. Per tecniche analitiche consolidate, può essere naturale estendere le loro potenzialità all’ imaging. Questo è il caso della tecnica NRTI. A tal fine, ho contribuito ad apportare avanzamenti alla NRTI iniziando con la pianificazione delle attività sperimentali, seguita dall’individuazione di una strategia affidabile di normalizzazione dati basata su procedure ben note di NI. La definizione di codici Python ad-hoc per l'elaborazione e la normalizzazione dei dati è parte integrante del mio lavoro di dottorato. L'obiettivo finale di questo progetto è definire un protocollo di analisi quantitativa associato alle informazioni di imaging, rendendo quindi la tecnica NRTI particolarmente avanzata rispetto alla tomografia standard, che attualmente offre solo indagini qualitative. La NRTI sfrutta i neutroni epitermici - non ancora ampiamente sfruttato in NI - combinando la sensibilità elementare/isotopica, dovuta all'assorbimento risonante dei neutroni, con i dettagli morfologici ottenuti mediante l'impiego di un rivelatore risolto sia spazialmente che temporalmente. Ciò che contraddistingue la NRTI rispetto ad una radiografia neutronica standard è la possibilità non solo di localizzare caratteristiche specifiche all'interno del volume di un oggetto, ma anche di identificare e localizzare elementi e isotopi specifici aumentandone il loro contrasto rispetto agli altri. A differenza della NT, ogni pixel del rivelatore contiene l'intero spettro trasmesso non integrato nell'intervallo di energia. Pertanto, la NRTI consente di analizzare i picchi di risonanza nello spettro di trasmissione ed eseguire la selezione di risonanze specifiche di un elemento specifico o persino di un isotopo, per aumentarne il contrasto di trasmissione nella mappa 2D e visualizzare meglio la sua distribuzione spaziale. Inoltre, l'analisi delle aree dei picchi di risonanza può fornire dettagli quantitativi della composizione dell'oggetto, estendendo il potenziale della NI alle analisi di composizione quantitativa.