This study is focused on radio-frequency inductively coupled thermal plasma (ICP) synthesis of nanoparticles, combining experimental and modelling approaches towards process optimization and industrial scale-up, in the framework of the FP7-NMP SIMBA European project (Scaling-up of ICP technology for continuous production of Metallic nanopowders for Battery Applications). First the state of the art of nanoparticle production through conventional and plasma routes is summarized, then results for the characterization of the plasma source and on the investigation of the nanoparticle synthesis phenomenon, aiming at highlighting fundamental process parameters while adopting a design oriented modelling approach, are presented. In particular, an energy balance of the torch and of the reaction chamber, employing a calorimetric method, is presented, while results for three- and two-dimensional modelling of an ICP system are compared with calorimetric and enthalpy probe measurements to validate the temperature field predicted by the model and used to characterize the ICP system under powder-free conditions. Moreover, results from the modeling of critical phases of ICP synthesis process, such as precursor evaporation, vapour conversion in nanoparticles and nanoparticle growth, are presented, with the aim of providing useful insights both for the design and optimization of the process and on the underlying physical phenomena. Indeed, precursor evaporation, one of the phases holding the highest impact on industrial feasibility of the process, is discussed; by employing models to describe particle trajectories and thermal histories, adapted from the ones originally developed for other plasma technologies or applications, such as DC non-transferred arc torches and powder spherodization, the evaporation of micro-sized Si solid precursor in a laboratory scale ICP system is investigated. Finally, a discussion on the role of thermo-fluid dynamic fields on nano-particle formation is presented, as well as a study on the effect of the reaction chamber geometry on produced nanoparticle characteristics and process yield.

Quality control of medical radiological systems is of fundamental importance, and requires efficient methods for accurately determine the X-ray source spectrum. Straightforward measurements of X-ray spectra in standard operating require the limitation of the high photon flux, and therefore the measure has to be performed in a laboratory. However, the optimal quality control requires frequent in situ measurements which can be only performed using a portable system. To reduce the photon flux by 3 magnitude orders an indirect technique based on the scattering of the X-ray source beam by a solid target is used. The measured spectrum presents a lack of information because of transport and detection effects. The solution is then unfolded by solving the matrix equation that represents formally the scattering problem. However, the algebraic system is ill-conditioned and, therefore, it is not possible to obtain a satisfactory solution. Special strategies are necessary to circumvent the ill-conditioning. Numerous attempts have been done to solve this problem by using purely mathematical methods. In this thesis, a more physical point of view is adopted. The proposed method uses both the forward and the adjoint solutions of the Boltzmann transport equation to generate a better conditioned linear algebraic system. The procedure has been tested first on numerical experiments, giving excellent results. Then, the method has been verified with experimental measurements performed at the Operational Unit of Health Physics of the University of Bologna. The reconstructed spectra have been compared with the ones obtained with straightforward measurements, showing very good agreement.

The Plasma Focus is a device designed to generate a plasma sheet between two coaxial electrodes by means of a high voltage difference. The plasma is then driven to collapse into a “pinch”, where thermonuclear conditions prevail. During the “pinch phase” charged particles are emitted, with two main components: an ion beam peaked forward and an electron beam directed backward. The electron beam emitted backward by Plasma Focus devices is being investigated as a radiation source for medical applications, using it to produce x-rays by interaction with appropriate targets (through bremsstrahlung and characteristic emission). A dedicated Plasma Focus device, named PFMA-3 (Plasma Focus for Medical Applications number 3), has been designed, put in operation and tested by the research groups of the Universities of Bologna and Ferrara. The very high dose rate (several gray per discharge, in less than 1 µs) is a peculiarity of this device that has to be investigated, as it might modify the relative biological effectiveness (RBE). Aim of this Ph.D. project was to investigate the main physical properties of the low-energy x-ray beams produced by a Plasma Focus device and their potential medical applications to IORT treatments. It was necessary to develop the optimal geometrical configuration; to evaluate the x-rays produced and their dose deposited; to estimate the energy electron spectrum produced in the “pinch phase”; to study an optimal target for the conversion of the x-rays; to conduct simulations to study the physics involved; and in order to evaluate the radio-biological features of the beam, cell holders had to be developed for both irradiations and cell growth conditions. / Il Plasma Focus è un dispositivo progettato per generare una guaina di plasma tra due elettrodi coassiali attraverso un’ elevata differenza di potenziale. Il plasma viene accelerato e compresso in un “pinch”, dove avvengono reazioni termonucleari. Durante la fase del “pinch” sono emesse particelle cariche, con due componenti principali: un fascio di ioni diretto in avanti e un fascio retroemesso di elettroni. Si pensa di utilizzare il fascio retroemesso di elettroni prodotto dal Plasma Focus come sorgente di radiazioni per applicazioni medicali, producendo raggi X attraverso l’interazione con un target appropriato (tramite emissione prodotta per bremsstrahlung o caratteristica). Il Plasma Focus, PFMA-3 (Plasma Focus per Applicazioni Mediche numero 3), è stato progettato, messo in opera e testato dai gruppi di ricerca delle università di Bologna e di Ferrara. L’alto rateo di dose (diversi gray per scarica, in meno di 1 µs) è una particolarità del dispositivo che deve essere analizzata, perché potrebbe modificarne l’efficacia biologica relativa (RBE). Scopo di questo progetto di dottorato è stato studiare le principali proprietà fisiche del fascio di raggi X a bassa energia prodotti dal Plasma Focus e le loro potenzialità mediche per i trattamenti IORT. E’ stato necessario determinare la configurazione geometrica ottimale, valutare i raggi X prodotti e la dose da questi depositata, stimare lo spettro energetico degli elettroni prodotti nella fase di “pinch”, studiare un target ottimale per la conversione in raggi X, condurre simulazioni per studiare la fisica coinvolta e per valutare l’efficacia radio-biologica del fascio, sviluppare porta-campioni utilizzati sia per la crescita delle cellule, sia per gli irraggiamenti di quest’ultime.

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors. / Questo lavoro si propone di presentare diversi aspetti della simulazione numerica del trasporto di particelle e di radiazione per applicazioni industriali e di protezione ambientale, per consentire l'analisi di processi fisici complessi in modo veloce, affidabile ed efficiente. Nella prima parte è trattata la velocizzazione della simulazione numerica del trasporto di neutroni per l'analisi del nocciolo di un reattore nucleare. Le proprietà di convergenza della source iteration del Metodo delle Caratteristiche applicate a geometrie strutturate eterogenee sono state migliorate per mezzo della Boundary Projection Acceleration, consentendo lo studio di geometrie 2D e 3D con la teoria del trasporto senza omogeneizzazione spaziale. Le prestazioni computazionali sono state verificate tramite il benchmark C5G7 2D e 3D, mostrando una sensibile riduzione del numero di iterazioni e del tempo di calcolo. La seconda parte è dedicata allo studio dello scattering elastico dei neutroni con isotopi pesanti in funzione della temperatura vicino alla zona termica. È presentato il calcolo numerico della convoluzione Doppler del kernel di scattering elastico col modello gas per una generale sezione d'urto dipendente dall'energia e per una generica legge di scattering nel sistema del centro di massa. L'intervallo di integrazione è stata ottimizzato utilizzando un cutoff numerico, consentendo una valutazione numerica più veloce dell'integrale. I momenti di Legendre del kernel di trasferimento sono successivamente ottenuti per quadratura diretta e validati tramite un'analisi numerica della convergenza. La terza parte è focalizzata alle applicazioni di telerilevamento del trasferimento radiativo per indagini sulla criosfera terrestre. L'equazione del trasporto per fotoni è applicata per simulare la riflettività dei ghiacciai a diverse età dello strato di neve o ghiaccio, al suo spessore, alla presenza o meno di altri strati sottostanti, al grado di polvere inclusa nella neve, creando un sistema in grado di decifrare segnali spettrali raccolti dai rivelatori orbitanti.

Questo lavoro ha come obiettivo l’utilizzo del Geographical Information System (GIS) per effettuare analisi di sicurezza, monitoraggio e valutazioni di impatto ambientale. Oggi, la totalità delle operazioni GIS possono essere svolte con software open source e in questa sedi si è scelto di utilizzare il GIS GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) disponibile nei termini della GNU public license (GPL), mostrando l’usabilità e le notevoli potenzialità di tale software, nonché la qualità dei prodotti ottenibili, mai inferiori ai prodotti e agli strumenti messi a disposizione dai più radicati e diffusi programmi proprietari. Nel capitolo 4, vedremo l’applicazione all’analisi delle conseguenze di ipotetici incidenti, durante le operazioni di dismissione dell’impianto di processamento del combustibile nucleare, di Bosco Marengo (AL). Nel capitolo 5, vedremo applicazioni nel campo del monitoraggio della qualità dell’aria tramite analisi di immagini satellitari.

In this work, the well-known MC code FLUKA was used to simulate the GE PETrace cyclotron (16.5 MeV) installed at “S. Orsola-Malpighi” University Hospital (Bologna, IT) and routinely used in the production of positron emitting radionuclides. Simulations yielded estimates of various quantities of interest, including: the effective dose distribution around the equipment; the effective number of neutron produced per incident proton and their spectral distribution; the activation of the structure of the cyclotron and the vault walls; the activation of the ambient air, in particular the production of 41Ar, the assessment of the saturation yield of radionuclides used in nuclear medicine. The simulations were validated against experimental measurements in terms of physical and transport parameters to be used at the energy range of interest in the medical field. The validated model was also extensively used in several practical applications uncluding the direct cyclotron production of non-standard radionuclides such as 99mTc, the production of medical radionuclides at TRIUMF (Vancouver, CA) TR13 cyclotron (13 MeV), the complete design of the new PET facility of “Sacro Cuore – Don Calabria” Hospital (Negrar, IT), including the ACSI TR19 (19 MeV) cyclotron, the dose field around the energy selection system (degrader) of a proton therapy cyclotron, the design of plug-doors for a new cyclotron facility, in which a 70 MeV cyclotron will be installed, and the partial decommissioning of a PET facility, including the replacement of a Scanditronix MC17 cyclotron with a new TR19 cyclotron. / In questo lavoro, il codice Monte Carlo (MC) FLUKA è stato utilizzato per simulare il ciclotrone GE PETtrace (16.5 MeV) installato presso l’azienda ospedaliera “S. Orsola-Malpighi” (Bologna, IT), quotidianamente utilizzato per la produzione di radiofarmaci PET. Le simulazioni sono state effettuate per valutare diversi fenomeni e quantità d’interesse radiologico tra cui l’equivalente di dose ambientale nell’intorno dell’acceleratore, il numero di neutroni emessi per protone incidente e la loro distribuzione spettrale, l’attivazione dei componenti del ciclotrone e delle pareti del bunker, l’attivazione dell’aria interna al bunker ed in particolare la produzione di 41Ar, la resa a saturazione di radionuclidi d’interesse in medicina nucleare. Le simulazioni sono state validate, in termini di parametri fisici e di trasporto da utilizzare nel range energetico caratteristico delle applicazioni mediche, con una serie di misure sperimentali. Il modello MC validato è stato quindi applicato ad altri casi pratici quali lo studio di fattibilità della produzione diretta in ciclotrone di 99mTc, la produzione di radionuclidi ad uso medico con il ciclotrone TR13 (13 MeV) installato presso il centro di ricerca TRIUMF (Vancouver, CA), la progettazione completa del nuovo centro PET dell’ospedale “Sacro Cuore-Don Calabria” di Negrar (Verona, IT), incluso il ciclotrone ACSI TR19 (19 MeV), lo studio del campo di dose nell’intorno di un sistema di selezione dell’energia (degrader) di un ciclotrone per terapia, la progettazione di specifiche “porte a tappo” per un sito di produzione di radionuclidi ad uso medico, in cui verrà installato un ciclotrone da 70 MeV e sei diverse beam line, e per il parziale decommissioning di un centro PET e la sostituzione di un ciclotrone Scanditronix MC17 (17 MeV), attualmente installato, con una nuova unità TR19.