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문제 정의
- 이중 방사선 투과 검사는 비파괴 검사 분야의 65~75% 정도로 가장 높은 비율을 차지하고 있고, 현재까지도 필름을 사용하는 아날로그 방식을 사용하고 있다. 방사선 투과 검사는 방사선을 이용하여 파괴할 수 없는 재료나 제품의 영상을 촬영하여 외관상으로 확인할 수 없는 결함, 균열 등을 찾아내어 사고를 미연에 방지하는 것을 주된 목적으로 한다. 원리는 시험체를 방사선원과 필름의 사이에 위치시켜 시험체의 밀도와 두께에 따라 방사선원의 조사 시간을 조절하여 필름을 방사선으로 감광시키는 원리를 이용한다.
가설 설정
- 4. Definition of image contrast.
제안 방법
- Computed Radiography 영상 시스템에 적용할 최적방사선 선원 평가를 위하여 별도로 제작한 평판형, 튜브형 결함시편을 이용하여 192Ir, 75Se 방사선원별 영상을 획득하고 비교 분석하였다. 그림 6은 동위원소별 영상 촬영을 위한 실험 설정이다.
- 획득된 영상 분석을 위하여 EPIX Inc. XCAP 이미지 소프트웨어를 사용하여 결함시편 영상을 기준으로 gray scale 값을 인출하고 대조도 및 SNR 영상 평가 인자 계산에 사용하였다. 그림 9, 10은 분석된 대조도와 SNR결과이다.
- 검사체의 두께와 에너지, 가격, 차폐문제를 고려했을 때 배관 분야에 적합한 것은 75Se이다. 감마선원 특성을 기준으로 제시된 75Se과 기존 배관 검사에서 사용되고 있는 192Ir을 CR 영상 시스템에 적용했을 때의 영상 품질을 비교하기 위하여 동일한 검사체에 대한영상을 획득하고, 획득된 영상의 대조도 및 신호대잡음비를 분석하였다. 평판형 결함시편의 영상 대조도 분석 결과 두께 2~10 ㎜에 대한 모든 경우에서 75Se를 사용하여 촬영된 영상의 대조도가 높게 분석되었다.
- 본 논문에서는 CR 영상 시스템에 192Ir과 75Se 감마선원을 적용하여 인공 구형 결함이 있는 검사체에 대한 두께별 영상을 획득한 후, 영상의 gray scale을 추출하여 대조도, 노이즈 및 신호대잡음비를 계산하고 비교 평가하였다. 그리고 투과도계를 이용한 192Ir, 75Se 촬영 영상에 대한 식별도도 비교 분석하였다.
- 하지만, 디지털 장비의 도입과 함께 고감도 방사선 감응 매체가 사용되고 있기 때문에 검사에 사용되는 방사선원에도 변화가 필요하다. 본 논문에서는 CR 영상 시스템에 192Ir과 75Se 감마선원을 적용하여 인공 구형 결함이 있는 검사체에 대한 두께별 영상을 획득한 후, 영상의 gray scale을 추출하여 대조도, 노이즈 및 신호대잡음비를 계산하고 비교 평가하였다. 그리고 투과도계를 이용한 192Ir, 75Se 촬영 영상에 대한 식별도도 비교 분석하였다.
- 통합 평가 인자에는 분해능과 대조도를 동시에 고려한 modulation transfer function (MTF), 대조도와 노이즈를 동시에 고려한 signal to noise ratio (SNR), 마지막으로 분해능과 노이즈 성분에 대한 위너스펙트럼이 있다[7]. 본 연구에서는 배관용접 부위의 원형 또는 타원형 결함을 비파괴 검사 대상으로 하고 있기 때문에 영상 평가 요소 중 대조도와 노이즈 그리고 이것을 동시에 고려한 SNR을 통해 여러 조건에 따른 영상을 비교 분석하였다.
- 방사선 투과 검사는 방사선을 이용하여 파괴할 수 없는 재료나 제품의 영상을 촬영하여 외관상으로 확인할 수 없는 결함, 균열 등을 찾아내어 사고를 미연에 방지하는 것을 주된 목적으로 한다. 원리는 시험체를 방사선원과 필름의 사이에 위치시켜 시험체의 밀도와 두께에 따라 방사선원의 조사 시간을 조절하여 필름을 방사선으로 감광시키는 원리를 이용한다. 이때 방사선은 밀도와 두께에 따라 그 투과되는 선량이 변화하므로 시험체 내부에 이물질이나 균열이 있으면 더 많은 방사선이 투과되어 필름의 다른 부분과 차별이 생기게 되므로 시험체의 결함 또는 균열을 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 식별도 검사를 위해 화력발전소에서 설치 운영되고 과열기 튜브와 수냉벽튜브를 절단하여 사용하였다. 과열기튜브는 재질이 TP-347H-T11이고 외경은 지름 51 ㎜, 두께 8 ㎜이고, 수냉벽튜브는 재질은 SA213-T12이고 외경은 45 ㎜, 두께 5 ㎜ 이다. 준비된 검사체 위에 선지름이 0.
- 식별도 검사를 위해 화력발전소에서 설치 운영되고 과열기 튜브와 수냉벽튜브를 절단하여 사용하였다. 과열기튜브는 재질이 TP-347H-T11이고 외경은 지름 51 ㎜, 두께 8 ㎜이고, 수냉벽튜브는 재질은 SA213-T12이고 외경은 45 ㎜, 두께 5 ㎜ 이다.
- 과열기튜브는 재질이 TP-347H-T11이고 외경은 지름 51 ㎜, 두께 8 ㎜이고, 수냉벽튜브는 재질은 SA213-T12이고 외경은 45 ㎜, 두께 5 ㎜ 이다. 준비된 검사체 위에 선지름이 0.1~0.4 ㎜로 구성된 F02 투과도계를 놓고 192Ir, 75Se 선원을 이용하여 영상을 촬영하였다. 감마선원과 image plate 사이의 거리는 200 ㎜, 300 ㎜에서 각각 촬영하였다.
- 더불어 낮은 에너지를 방출하는 동위원소를 사용할 경우 작업 시간이 길어지기 때문에 작업자의 피폭관리 차원에서도 좋지 않은 영향을 주게 되고, 검사대상의 두께가 두꺼우면 낮은 에너지대의 방사선은 다 흡수되어 버리기 때문에 얇은 판에 대해서만 적용할 수 있다는 점을 고려해야 한다. 차폐를 위해서는 192Ir의 반가층이 납 : 3 ㎜, 철 : 23 ㎜이고 75Se은 납 : 1 ㎜ 이하, 철 : 15 ㎜, 169Yb는 납 : 1 ㎜ 이하, 철 : 3 ㎜로서 차폐의 관점에서도 192Ir 보다는 75Se나, 169Yb을 사용하는 것이 장점으로 작용한다. 파이프의 미세한 결함을 찾아야 하는 경우에는 작은 두께 차이를 감지하여야 하므로 미세한 결함은 놓칠 확률이 큰 고에너지의 192Ir 보다 저에너지 영역대의 75Se나 169Yb가 더 효과적이다.
성능/효과
- 그림 9, 10은 분석된 대조도와 SNR결과이다. 75Se와 192Ir에 대한 평판형 결함시편의 영상 대조도 분석 결과, 두께 2~10 ㎜ 에 대한 모든 경우에서 75Se를 사용하여 촬영된 영상의 대조도가 더 높게 분석되었다. 특히 두께 2~4 ㎜ 시편에서는 2배 정도 차이를 보였으며 나머지 두께에 대해서는 1.
- 이것은 사용하는 선원이 이상적인 점선원이 아니고 일정한 크기를 가지고 있기 때문에 생기는 기하학적 불선명도가 선원의 거리가 멀어질수록 좋아지기 때문이다. 동위원소에 따른 거리별 영상 식별도를 비교해보면 200, 300 ㎜ 촬영 조건 모두에서 75Se의 식별도가 높게 분석되었다. 200 ㎜ 촬영의 경우 75Se이 1.
- 두께 2~10 ㎜에 대한 모든 경우에서 75Se를 사용하여 촬영된 영상의 SNR이 약 1.5배 정도 높았고, 튜브형 시편의 경우 75Se를 사용했을 때의 SNR이 두께 1 ㎜ 에 대해서는 1.5배, 두께 2 ㎜에 대해서는 3배 높게 분석되었다.
- 5배 높게 분석되었다. 또한 75Se와 192Ir에 대한 평판형, 튜브형 결함 시편의 SNR 분석 결과도 대조도 결과와 동일한 유형을 나타내었다. 두께 2~10 ㎜에 대한 모든 경우에서 75Se를 사용하여 촬영된 영상의 SNR이 약 1.
- 5배 정도 대조도 차이를 나타냈었다. 이러한 결과를 통해 10 ㎜ 이하의 촬영 대상체에 대해서는 192Ir 보다 75Se을 사용하는 것이 결함을 발견하는 것이 더 유리하며, 특히 4 ㎜ 이하의 얇은 두께의 피사체에 대해서 75Se가 192Ir보다 대조도가 높은 영상을 얻을 수 있다는 것을 수치적으로 확인하였다. 튜브형 시편 두께 1~2 ㎜에 대해서도 75Se를 사용했을 때의 영상의 대조도가 약 1.
- 5배 정도 대조도 차이를 나타냈었다. 이러한 결과를 통해 얇은 두께의 피사체에 대해서 75Se가 192Ir 보다 대조도가 높은 영상을 얻을 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. 튜브형 시편 두께 1~2 ㎜에 대해서도 75Se를 사용했을 때의 영상의 대조도가 약 1.
- 이것은 동일 두께의 검사체에 대해서 75Se을 사용했을 때 보다 미세한 결함을 검출할 수 있다는 것을 나타낸다. 촬영거리에 따른 식별도는 동위원소에 상관없이 300 ㎜ 조건에서 촬영한 영상이 1.3~2.5%, 200 ㎜ 조건에서 촬영한 영상이 1.6~3.2%로 촬영거리가 먼 경우에 보다 품질이 좋은 것으로 나타났다. 이것은 사용하는 선원이 이상적인 점선원이 아니고 일정한 크기를 가지고 있기 때문에 생기는 기하학적 불선명도가 선원의 거리가 멀어질수록 좋아지기 때문이다.
- 5배, 두께 2 ㎜에 대해서는 3배 높게 분석되었다. 투과도계를 이용한 식별도 분석 결과에서도 75Se를 사용했을 경우 식별 가능 최소 선지름이 더 가늘었다. 75Se을 사용한 경우 두께 5 ㎜ 수냉벽 튜브과 두께 8 ㎜ 과열기 튜브에 영상에서 모두 0.
- 5배 정도 높게 분석되었다. 튜브형 시편 두께 1~2 ㎜ 에 대해서도 75Se를 사용했을 때의 SNR이 두께 1 ㎜에 대해서는 1.5배, 두께 2㎜에 대해서는 3배 높게 분석되었다.
- 이러한 결과를 통해 얇은 두께의 피사체에 대해서 75Se가 192Ir 보다 대조도가 높은 영상을 얻을 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. 튜브형 시편 두께 1~2 ㎜에 대해서도 75Se를 사용했을 때의 영상의 대조도가 약 1.5배 높게 분석되었다. 또한 75Se와 192Ir에 대한 평판형, 튜브형 결함 시편의 SNR 분석 결과도 대조도 결과와 동일한 유형을 나타내었다.
- 감마선원 특성을 기준으로 제시된 75Se과 기존 배관 검사에서 사용되고 있는 192Ir을 CR 영상 시스템에 적용했을 때의 영상 품질을 비교하기 위하여 동일한 검사체에 대한영상을 획득하고, 획득된 영상의 대조도 및 신호대잡음비를 분석하였다. 평판형 결함시편의 영상 대조도 분석 결과 두께 2~10 ㎜에 대한 모든 경우에서 75Se를 사용하여 촬영된 영상의 대조도가 높게 분석되었다. 특히 두께 2~4 ㎜ 시편에서는 2배 정도 차이를 보였으며 나머지 두께에 대해서는 1.
후속연구
- 짧은 촬영 거리에 대한 식별도가 높다는 것은 보일러튜브와 같은 검사체를 촬영하는 경우 장소가 협소하여 투과검사에 필요한 공간 확보가 어려운 경우에도 75Se이 192Ir에 비해서 고품질의 영상획득에 유리함을 나타낸다. 결국 비파괴검사 분야에서 필요로 하는 디지털 영상을 얻을 수 있는 방식 중에서 현장적용성과 휴대성 등을 고려했을 때 computed radiography 방식이 다른 디지털 촬영 방식에 비해 가장 유리하고 이러한 시스템 변화에 맞추어서 기존에 사용하고 있는 192Ir 선원을 75Se으로 변경하는 것이 고화질의 방사선투과 영상을 획득하여 검사의 품질을 향상시킬 수 있는 방안이 될 것이다.
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