A scintillating material has the peculiar capability to convert in visible light the energy of a radiating particle that interact within its volume. The excitation can derive from different kinds of radioactivity or energy interaction that is able to excite electrons so to make them jump to a higher energy band and turn back to their equilibrium state. This mechanism leads to a release of photons in the visible (or near-visible) range. The light produced by the scintillating material is usually monochromatic and represents the output of the conversion of the incident energy in the energy of a group of photons each of much lower energy than one absorbed, as it happens for all kinds of energy conversion. The quality of light emitted by these materials has, also, great quality in terms of wavelength stability, coherence and polarization. They are involved in fields like the nuclear and high energy physics (for instance, CERN-Geneva), medical and general bio-imaging (PET-positron emission tomography for cancer diagnosis), geologic research, security and laser technology. Performances of the scintillators rule the behavior of the instruments and the systems exploited in those fields; moreover, the quality of the material itself and the production efficiency, determine the cost and the feasibility of the above-mentioned activities. In depth knowledge and characterization of the material is crucial to predict the behavior of the crystals from mechanical and optical viewpoint. Since the production process is quite complex, delicate and time consuming, industry needs tools to improve the efficiency and efficacy of the larger and larger production of these crystalline scintillators The work presented in this thesis aims to the development of non-invasive methods and systems to assess the crystal quality through the determination of the residual stress state that can be the signature of the whole quality degradation due to different origins. The developed methods are based on photoelasticity and optical crystallography; they allow to a very detailed analysis providing sensitivity and spatial resolution. The possibility to have a complete characterization of the materials has been improved by the measuring in different direction with respect to the crystal optic axes. The set of developed methods is completed by a new technique named Sphenoscopy, which provides reliable inspection of the crystal in a faster and simplified way whatever orientation of the crystallographic and optic axes. Since they are based on the acquisition of fringe images, -the systems have been provided of dedicated algorithms to process and analyze accurately the fringe patterns carried out by the methods. The information carried out by these methods are useful for both research bodies and industries, crystal producers and users, since they are crucial feedbacks to better understand the material behavior, develop predictive math models and set properly the production parameters.

Un cristallo scintillatore ha la peculiare capacità di convertire, in luce visibile, l'energia di una particella radiante che interagisce con il suo volume. L'eccitazione può derivare da diversi tipi di radioattività o interazione energetica che è in grado di eccitare gli elettroni in modo da farli saltare ad una banda di energia più alta e tornare indietro al loro stato di equilibrio. Questo meccanismo porta ad un rilascio di fotoni nel visibile (e vicino visibile). La luce prodotta dal cristallo è solitamente monocromatica e rappresenta il prodotto della conversione dell'energia incidente in energia di un gruppo di fotoni di energia molto inferiore quelli assorbiti, come avviene per tutti i tipi di conversione di energia. La qualità della luce emessa da questi materiali, in termini di stabilità di lunghezza d'onda, coerenza e polarizzazione, è estremamente elevata. Essi sono coinvolti in campi come la fisica nucleare e la fisica delle alte energie (ad esempio, CERN-Ginevra), in campo medico nell’ambito del bio-immaging (tomografia ad emissione di positroni PET-per la diagnosi del cancro), la ricerca geologica, la sicurezza e la tecnologia laser. Le prestazioni degli scintillatori incide sul comportamento degli strumenti e dei sistemi sfruttati in tali settori; Inoltre, la qualità del materiale stesso e l'efficienza di produzione, determinano il costo e la fattibilità delle suddette attività. Una conoscenza approfondita e una buona caratterizzazione del materiale è fondamentale per prevedere il comportamento dei cristalli dal punto di vista sia meccanico che ottico. Poiché il processo di produzione è piuttosto complesso, delicato e lungo, l'industria ha bisogno di strumenti per migliorare l'efficienza e l'efficacia della produzione di questi scintillatori cristallini Il lavoro presentato in questa tesi mira allo sviluppo di metodi e sistemi non invasivi per valutare la qualità dei cristalli attraverso la determinazione dello stato di stress residuo, che può essere una firma del grado di qualità. I metodi sviluppati sono basati sulla fotoelasticità e la cristallografia ottica; permettono un'analisi molto dettagliata con elevata sensibilità e risoluzione spaziale. La possibilità di avere una caratterizzazione completa dei materiali è stata migliorata riuscendo a misurare in direzione diversa rispetto agli assi ottici del cristallo. L'insieme di metodi sviluppati è completata da una nuova tecnica denominata Sfenoscopia, che fornisce controlli affidabili del cristallo in un modo più veloce e semplificato ed in qualunque orientamento rispetto agli assi ottici. Dal momento che i metodi si basano sulla acquisizione di immagini di frange, i sistemi sono stati forniti di algoritmi dedicati per elaborare e analizzare accuratamente le immagini acquisite. Le informazioni ottenute con questi metodi sono utili sia per gli enti di ricerca che per le industrie, produttori e utenti finali. Esse sono fondamentali per avere la possibilità di comprendere meglio il comportamento del materiale, sviluppando modelli matematici predittivi, per impostare correttamente i parametri di produzione

Inspection and characterization of birefringent materials: development of methods and systems for scintillating anisotropic crystals / Montalto, Luigi. - (2017 Mar 02).

Inspection and characterization of birefringent materials: development of methods and systems for scintillating anisotropic crystals

MONTALTO, LUIGI
2017-03-02

Abstract

A scintillating material has the peculiar capability to convert in visible light the energy of a radiating particle that interact within its volume. The excitation can derive from different kinds of radioactivity or energy interaction that is able to excite electrons so to make them jump to a higher energy band and turn back to their equilibrium state. This mechanism leads to a release of photons in the visible (or near-visible) range. The light produced by the scintillating material is usually monochromatic and represents the output of the conversion of the incident energy in the energy of a group of photons each of much lower energy than one absorbed, as it happens for all kinds of energy conversion. The quality of light emitted by these materials has, also, great quality in terms of wavelength stability, coherence and polarization. They are involved in fields like the nuclear and high energy physics (for instance, CERN-Geneva), medical and general bio-imaging (PET-positron emission tomography for cancer diagnosis), geologic research, security and laser technology. Performances of the scintillators rule the behavior of the instruments and the systems exploited in those fields; moreover, the quality of the material itself and the production efficiency, determine the cost and the feasibility of the above-mentioned activities. In depth knowledge and characterization of the material is crucial to predict the behavior of the crystals from mechanical and optical viewpoint. Since the production process is quite complex, delicate and time consuming, industry needs tools to improve the efficiency and efficacy of the larger and larger production of these crystalline scintillators The work presented in this thesis aims to the development of non-invasive methods and systems to assess the crystal quality through the determination of the residual stress state that can be the signature of the whole quality degradation due to different origins. The developed methods are based on photoelasticity and optical crystallography; they allow to a very detailed analysis providing sensitivity and spatial resolution. The possibility to have a complete characterization of the materials has been improved by the measuring in different direction with respect to the crystal optic axes. The set of developed methods is completed by a new technique named Sphenoscopy, which provides reliable inspection of the crystal in a faster and simplified way whatever orientation of the crystallographic and optic axes. Since they are based on the acquisition of fringe images, -the systems have been provided of dedicated algorithms to process and analyze accurately the fringe patterns carried out by the methods. The information carried out by these methods are useful for both research bodies and industries, crystal producers and users, since they are crucial feedbacks to better understand the material behavior, develop predictive math models and set properly the production parameters.
2-mar-2017
Un cristallo scintillatore ha la peculiare capacità di convertire, in luce visibile, l'energia di una particella radiante che interagisce con il suo volume. L'eccitazione può derivare da diversi tipi di radioattività o interazione energetica che è in grado di eccitare gli elettroni in modo da farli saltare ad una banda di energia più alta e tornare indietro al loro stato di equilibrio. Questo meccanismo porta ad un rilascio di fotoni nel visibile (e vicino visibile). La luce prodotta dal cristallo è solitamente monocromatica e rappresenta il prodotto della conversione dell'energia incidente in energia di un gruppo di fotoni di energia molto inferiore quelli assorbiti, come avviene per tutti i tipi di conversione di energia. La qualità della luce emessa da questi materiali, in termini di stabilità di lunghezza d'onda, coerenza e polarizzazione, è estremamente elevata. Essi sono coinvolti in campi come la fisica nucleare e la fisica delle alte energie (ad esempio, CERN-Ginevra), in campo medico nell’ambito del bio-immaging (tomografia ad emissione di positroni PET-per la diagnosi del cancro), la ricerca geologica, la sicurezza e la tecnologia laser. Le prestazioni degli scintillatori incide sul comportamento degli strumenti e dei sistemi sfruttati in tali settori; Inoltre, la qualità del materiale stesso e l'efficienza di produzione, determinano il costo e la fattibilità delle suddette attività. Una conoscenza approfondita e una buona caratterizzazione del materiale è fondamentale per prevedere il comportamento dei cristalli dal punto di vista sia meccanico che ottico. Poiché il processo di produzione è piuttosto complesso, delicato e lungo, l'industria ha bisogno di strumenti per migliorare l'efficienza e l'efficacia della produzione di questi scintillatori cristallini Il lavoro presentato in questa tesi mira allo sviluppo di metodi e sistemi non invasivi per valutare la qualità dei cristalli attraverso la determinazione dello stato di stress residuo, che può essere una firma del grado di qualità. I metodi sviluppati sono basati sulla fotoelasticità e la cristallografia ottica; permettono un'analisi molto dettagliata con elevata sensibilità e risoluzione spaziale. La possibilità di avere una caratterizzazione completa dei materiali è stata migliorata riuscendo a misurare in direzione diversa rispetto agli assi ottici del cristallo. L'insieme di metodi sviluppati è completata da una nuova tecnica denominata Sfenoscopia, che fornisce controlli affidabili del cristallo in un modo più veloce e semplificato ed in qualunque orientamento rispetto agli assi ottici. Dal momento che i metodi si basano sulla acquisizione di immagini di frange, i sistemi sono stati forniti di algoritmi dedicati per elaborare e analizzare accuratamente le immagini acquisite. Le informazioni ottenute con questi metodi sono utili sia per gli enti di ricerca che per le industrie, produttori e utenti finali. Esse sono fondamentali per avere la possibilità di comprendere meglio il comportamento del materiale, sviluppando modelli matematici predittivi, per impostare correttamente i parametri di produzione
photoelasticity; scintillating crystals; conoscopy; sphenoscopy
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