To Top

 

  TitoloApparato e metodo per l'ispezione non invasiva di corpi solidi mediante imaging muonico
  Sommario
Tecnologie sviluppate in Italia nell’ambito di una delle più prestigiose infrastrutture dell’astronomia moderna raccomandate dall’ESFRI, il Cherenkov Telescope Array, si prestano alla realizzazione di particolari foto-camere capaci di effettuare delle vere e proprie radiografie e/o tomografie di strutture geologiche e tettoniche complesse di grandi dimensioni. Per esempio nel caso dei vulcani si possono ottenere informazioni con un dettaglio senza precedenti delle caratteristiche geometriche dei condotti e delle zone di accumulo superficiali, migliorando le previsioni sullo stato di attività del vulcano e mitigando di conseguenza il rischio legato al verificarsi di eventi parossistici.
  Stato della tecnica
Sono state eseguite su un modello di struttura vulcano-like simulazioni Monte Carlo preliminari che confermano le potenzialità del metodo proposto che garantisce un’elevata efficienza ed accuratezza nella misura del flusso muonico. Recentemente, inoltre, sono state prodotte dettagliate simulazioni con GEANT (GEometry ANd Tracking) che hanno confermato la superiorità di questo approccio rispetto alle altre tecniche convenzionali. GEANT è uno strumento software complesso per la simulazione del passaggio di particelle attraverso la materia con l’ausilio di metodi computazionali basati sul campionamento casuale Monte Carlo.
  Invenzione
Lo strumento, assimilabile ad un telescopio ottico, è formato da una struttura meccanica leggera a cui è fissata un’ottica e una fotocamera. Per fotocamera si intende l’insieme della struttura meccanica che contiene il piano focale multi-pixels dei sensori di luce, l’elettronica di processamento del segnale e di lettura e tutta l’elettronica di controllo. Lo strumento è quindi fissato meccanicamente all’interno di un veicolo commerciale con ruote o cingoli ed energeticamente autosufficiente. Il telescopio essenzialmente rivela il breve lampo di luce (qualche ns) creato per effetto Cherenkov dalle particelle cariche che si creano nell’interazione con i nuclei e gli atomi dell’atmosfera. Anche il muone, come ogni altra particella carica, emette luce Cherenkov nelle lunghezze d’onda dell’ultravioletto e del visibile, ma la sua particolarità consiste nel formare sul piano focale multi-pixels un anello circolare che è facilmente distinguibile dagli altri eventi. I muoni sono generati da particelle energeticamente stabili che bombardano continuamente la terra, per lo più protoni, provenienti dallo spazio profondo. Queste particelle interagendo con gli atomi dell'atmosfera producono una pioggia di altre particelle tra cui molti pioni che decadono molto velocemente in muoni. I muoni dotati di un tempo di decadimento più lungo e interagendo principalmente con la materia attraverso la forza Coulombiana riescono a raggiungere la superficie terrestre dando luogo a flusso isotropico di radiazione carica penetrante che al livello del mare è di circa 1 muone al centimetro quadro al minuto. Nello strumento concepito per eseguire l'ispezione non distruttiva di corpi solidi, solamente i muoni vengono usati per ottenere la radiografia/tomografia di oggetti massivi sfruttando la loro alta penetrabilità e contemporaneamente la perdita di energia attraverso le interazioni elettromagnetiche nel materiale attraversato. L’assorbimento nella materia attraversata dipende dallo spessore e densità del materiale attraversato e dall’energia del muone incidente. Soltanto quando un muone arriva sulla parte riflettente dello specchio o nelle sue immediate vicinanze, la luce emessa lungo la parte finale del suo percorso (dai 100 ai 300 metri) viene convogliata dall’ottica sul piano focale dello strumento formando un anello circolare di luce. Un’analisi geometrica relativamente semplice dell'anello permette di ricostruire i parametri fisici del muone come la sua energia e la direzione di arrivo. Il raggio dell'anello corrisponde all'angolo Cherenkov che dipende dall'energia del muone mentre la posizione del centro dell’anello indica la direzione di arrivo del muone rispetto all'asse ottico dello strumento che normalmente è riferito ad un determinato punto dell’oggetto in esame. Misurando l'attenuazione differenziale del flusso dei muoni in funzione della quantità di materia attraversata in direzioni differenti è quindi possibile determinare la densità e gradiente di distribuzione all'interno del corpo materiale.
  TitolaritàIstituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
  Proprietà industrialeFamiglia di brevetto IT n. 102015000075497 (IT, US)
  E-mail di contattocorrado.perna@inaf.it
  Tagsispezione non distruttiva di corpi solidi, radiografia, tomografia, prospezioni geologiche, vulcani, giacimenti, monitoraggio strutture, siti archeologici
  Vantaggi
Lo strumento e il metodo utilizzato offrono soluzioni innovative per la radiografia/tomografia muonica per assorbimento con vantaggi più rilevanti quali: • La trasportabilità, facilità d’uso e i bassi consumi dello strumento consentono di avere più di uno strumento operante in situ per realizzare la tomografia dell’oggetto. • La tecnologia utilizzata per l’elettronica e i sensori di luce è adatta per implementare una adeguata pixelizazione del piano focale dello strumento. • Il segnale Cherenvov prodotto dal muone, direzionale ed altamente collimato, rivelato dallo strumento elimina il fondo prodotto dagli altri muoni generati nell’atmosfera che inevitabilmente contribuirebbero a false coincidenze. Esclusivamente i muoni che arrivano alla superficie riflettente dell’ottica entro un angolo di 1.3 gradi rispetto all’asse ottico sono in grado di generare un anello Cherenkov nel piano focale dello strumento. • La risoluzione angolare dello strumento determina la risoluzione in direzione del muone. Tenendo conto dello scattering Coulombiano all’interno dell’oggetto, una risoluzione angolare di 0.5 gradi è sufficiente per tracciare le direzioni del muone con la stessa risoluzione. La risoluzione spaziale sull’oggetto e poi determinata dalla distanza dello strumento dall’oggetto. • L’analisi e la ricostruzione dell’immagine dell’anello Cherenkov è già da tempo consolidata ed efficiente. La misura dell’energia del muone inoltre permette di valutare l’assorbimento all’interno dell’oggetto e quindi stabilire in modo efficace il percorso reale del muone all’interno dell’oggetto stesso. • Non si richiedono elementi attivi per la rivelazione del muone, come per esempio plastici scintillanti, essendo l’atmosfera il mezzo di conversione muone-fotoni Cherenkov.
  Applicazioni
Prospezioni geologiche non invasive • Vulcani (misura del condotto lavico) • Sacche d’acqua all’interno di colline o terrapieni • Giacimenti minerali pesanti Monitoraggio non invasivo di strutture civili • Centrali nucleari • Sistemi di contenimento di materiali radioattivi e di stoccaggio Ricerche archeologiche non invasive • Sondaggio siti archeologici per strutture interrate • Radiografia della struttura interna di piramidi
  Stadio di sviluppo
Lo strumento è in fase di progettazione avanzata. In particolare è in fase di progettazione un chip di lettura multi-canale SiPM (Silicon Photomultiplier) dedicato che permetterà di utilizzare il metodo a conteggio veloce dei fotoni (> 150 MHz) e un integratore di carica per canale. Utilizzando le due modalità - il conteggio singolo dei fotoni e l'integrazione della carica - contemporaneamente all'interno di un singolo read-out, consentirà di raggiungere una precisione di misurazione senza precedenti dal singolo fotone al massimo della range dinamico del sensore di luce (SiPM). Tale ASIC di lettura multimodale, permetterà di migliorare il rapporto segnale / rumore di un fattore 2 nella ricostruzione di "anello Cherenkov".
  Immagine n° 1
  Immagine n° 2

Sei interessato ad incontrare l’inventore di questo brevetto durante la sessione B2B del 7 maggio?
Registrati e prenota un appuntamento!
Se sei già registrato procedi direttamente cliccando il pulsante PRENOTA

 

Promosso da

Organizzato da

In collaborazione con

Corriere della Sera

 

Con la partecipazione di

Con il patrocinio di

 

 

 

InnovAgorà © All Rights Reserved