Applicazione dell'imaging con neutroni per lo studio e la caratterizzazione dei materiali a base cemento

Imaging techniques are applied to several sectors including industry, cultural heritage, buildings and research. In this thesis neutron imaging applications are investigated; this technique is widely diffused in materials science and in this thesis its application for studying cement-based materials is presented. Neutrons have high penetration power into the matter and this behavior makes these particles ideal for morphological and non-destructive analysis of materials. Information obtainable with this technique can be converted into 2D and 3D images (neutron radiography and neutron tomography). These types of analysis are based on the ability of different isotopes present inside a material of attenuating a neutron beam that passes through. This thesis is included inside the project INFN CHNet-NICHE, which aims to develop and optimize a thermal-neutron-imaging system at the LENA reactor in Pavia, which is able to provide important information to study materials, in this specific case, in both archeological and artistic field. This thesis is divided into three parts: -In the first part a brief introduction about the different types of neutron sources and neutron properties is presented as well as a brief description of the interactions that take place between neutrons and the analyzed sample; then a comparison between X-ray and neutron analysis is reported, underlining the main differences. -In the second part of this thesis experimental set-ups used in different facilities for neutron imaging are described, with focus on the detectors used. -Finally, in the third part, the analysis of cement-based materials is deepened, reporting the results obtained, in some scientific works, by means of neutron imaging analysis.

Le tecniche di imaging vengono applicate ad una vasta tipologia di settori, tra cui industria, beni culturali, edilizia e ricerca. Nell'ambito di questa tesi si analizza l'utilizzo dell'imaging neutronico, tecnica largamente diffusa nella scienza dei materiali, per lo studio dei materiali cementizi. L'elevata penetrazione dei neutroni li rende infatti ideali per lo studio morfologico e non distruttivo dei materiali. Le informazioni ottenibili tramite tale tecnica sono visualizzabili in 2D o in 3D (rispettivamente radiografie e tomografie neutroniche), e si basano sulle caratteristiche peculiari di ogni materiale di attenuare il fascio di neutroni sulla base dei diversi isotopi presenti al loro interno. La tesi è contestualizzata all'interno del progetto INFN CHNet-NICHE, che ha l'obbiettivo di sviluppare e ottimizzare un sistema di imaging con neutroni termici (25 meV) presso il reattore del LENA di Pavia, in grado di fornire informazioni importanti negli studi di materiali, in questo caso prevalentemente in campo archeologico e artistico. La tesi è suddivisa in tre parti: -nella prima parte viene fatta una breve introduzione sulle tipologie di sorgenti che vengono utilizzate per la produzione di neutroni, le tipologie e le caratteristiche dei neutroni che vengono prodotti, e l'interazione che si verifica tra la sonda neutronica e il bersaglio; viene, inoltre, eseguito un confronto tra la tecnica che utilizza neutroni e quella che utilizza i raggi X, evidenziandone le principali differenze; -nella seconda parte della tesi vengono descritti i set-up sperimentali utilizzati per eseguire, in differenti facilities, l'analisi di imaging con neutroni, con particolare focus sui rivelatori utilizzati; -nella terza parte, infine, viene approfondita l'analisi di materiali cementizi, riportando i risultati ottenuti, in alcuni lavori scientifici, tramite analisi di imaging neutronico.