[논문]이물질 검출을 위한 X-Ray 비파괴검사 장비 개발

유영태; 오준호; 김진우

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.8.060

이물질 검출을 위한 X-Ray 비파괴검사 장비 개발
Development of X-ray Non-destructive Testing (NDT) Equipment for the Detection of Alien Substances 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.8, 2019년, pp.60 - 66

유영태 (조선대학교 기계시스템.미래자동차공학부) , 오준호 (조선대학교 대학원 기계시스템공학과) , 김진우 (조선대학교 기계시스템.미래자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to develop and manufacture a device for inspecting impurities in a sealed aluminum container using an X-ray technique. Two X-ray oscillators and detectors are used to detect the entire sample. The stage for sample movement was fabricated using two high-voltage generators and X-ray detectors arranged diagonally. In addition, the high-voltage generator is composed of a vacuum tube, a high-voltage generator, and circulating oil for cooling. It includes a control unit for controlling other equipment, a power supply unit, and a video output unit; the most important part of the X-ray is the X-ray generation part. In this study, a flat panel was used along with the aim of developing the detector part. In particular, the development of the scintillator introduced in this study is a primary focus. The developed scintillator can be combined with a lens and can then be assembled with a charge coupled device (CCD) sensor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이물질을 검사하는 데 빠른 시간뿐만 아니라 오류를 최소화해야 하기 때문에 2개의 X-ray발진기와 2개의 검출기(detector)를 정렬하는 방식으로 시스템을 구성하였다. X-ray로 검사하는 알루미늄 캔의 밑바닥 직경은 59 mm, 높이는 195 mm인 용기 내 음료수에 2 mm이상의 금속물질과 5 mm이상의 비철금속을 검출할 수 있는 비파괴검사장비를 개발하여 산업체의 현장에 적용하고자 한다.
본 연구에서는 X-ray를 이용하여 밀폐된 알루미늄 용기 내에 있는 불순물을 검사하는 장치를 DR기법을 이용하여 개발하여 제작하고자 한다. X-ray 발진기에서 발진된 방사선이 검사물체를 지나 섬광체에 조사하면서 변화된 가시광선의 광자를 디지털신호로 검출하여 컴퓨터 모니터에 영상을 출력할 수 있는 간접검출방법을 채택해서 연구하였다.
용량이 355 ml와 473 ml인 알루미늄 캔 내부의 음료수에 포함돼 있는 이물질을 검사하여 불량품을 검색하기 위한 X-ray 비파괴검사장비를 개발하고자한다. 이물질을 검사하는 데 빠른 시간뿐만 아니라 오류를 최소화해야 하기 때문에 2개의 X-ray발진기와 2개의 검출기(detector)를 정렬하는 방식으로 시스템을 구성하였다.

가설 설정

게다가 섬광체로 변환된 가시광의 범위가 커지면 CCD로 검출한 X-ray를 누적하는데 영향을 받는다. 에너지 해상도는 X-ray 에너지의 제곱근에 역비례한다. 섬광체 두께가 증가하면 발광된 가시광의 광자수는 X-ray 흡수 깊이가 감소함에 따라 줄어들 뿐만 아니라 가시광의 분산을 증가시킨다.

제안 방법

2. 고압방전관의 정격 최대 출력을 60 kV로 한 X-ray 발전기의 전압변화에 따른 이물질의 검출 영상을 분석하였다.
적분구의 측정은 적분구의 빛 유입구에 샘플을 위치하고 빛의 유입 경로를 흑색막으로 밀봉하여 빛의 유입을 완전 차단한 상태에서 X-ray를 투과하여 형광막의 형광체 반응광을 측정하였다. X-Ray에 반응하는 형광막의 광량이 절대적으로 부족하여 60초간 광량을 받아들이기 위해 X-Ray 의 최대 출력 시간인 1.3Sec를 샘플별 28회 시행 하였다.
본 연구에서는 X-ray를 이용하여 밀폐된 알루미늄 용기 내에 있는 불순물을 검사하는 장치를 DR기법을 이용하여 개발하여 제작하고자 한다. X-ray 발진기에서 발진된 방사선이 검사물체를 지나 섬광체에 조사하면서 변화된 가시광선의 광자를 디지털신호로 검출하여 컴퓨터 모니터에 영상을 출력할 수 있는 간접검출방법을 채택해서 연구하였다.
고압박스를 제작한 다음 내부에 X-ray를 발진하는 진공관과 채배단과 함께 오일을 충전한 다음 60kV의 전압을 인가시키면서 온도변화를 관찰 하였다. X-ray를 발진하는 진공관에서는 99%이상이 열로 변화하기 때문에 냉각시켜 주지 않으면 표적소재가 용융되어 물리적인 변형으로 수명을 단축시키기 때문이다.
고압방전관의 정격 최대 출력을 60 kV로 한 X-ray 발전기의 전압변화에 따른 이물질의 검출 영상을 분석하였다. 금속이물질 길이 2 mm와 직경 2 mm 크기와 비금속 이물질은 내경 3 mm이고 외경은 5 mm 두께가 편측 1 mm인 도넛형태의 플라스틱 재료의 시험물질을 용기에 투입하였다.
본 연구에서 X-ray를 이용하여 이물질을 검출하는 방법은 X-ray가 검사물체를 투과해서 검출기(detector)에 전달되는 신호를 검출하는 간접방법을 사용하고 있다. 간접검출방법의 특징은 검출하는 센서인 검출기의 특성으로 결정된다.
즉 FOD의 크기 작을수록 영상의 배율은 증가 하는 형태로 나타나야 한다. 비철금속인 플라스틱의 내경 3 mm 외경 5 mm 두께 편측 1 mm 인 이물질을 알루미늄 캔에 투입하여 X-ray을 조사하였다.
X-ray에 조사된 섬광체에서 나오는 광량을 형광 반응 적분구 측정한 결과를 Table 1에 정리하여 나타내었다. 적분구의 측정은 적분구의 빛 유입구에 샘플을 위치하고 빛의 유입 경로를 흑색막으로 밀봉하여 빛의 유입을 완전 차단한 상태에서 X-ray를 투과하여 형광막의 형광체 반응광을 측정하였다. X-Ray에 반응하는 형광막의 광량이 절대적으로 부족하여 60초간 광량을 받아들이기 위해 X-Ray 의 최대 출력 시간인 1.

대상 데이터

X-ray 빔 방출 지점에서 영상이 맺히는 지점까지 거리를 FDD(Focal spot to Detector Distance)라 할 때 본 연구에서 사용하는 실험장치의 거리는 550 mm이다. X-ray 빔 방출 지점에서 시료까지의 거리를 FOD(Focal spot to Object Distance)라 할 때 본 연구에서는 FDD는 550 mm로 고정 되어 있기 때문에 피검사체의 이동에 따른 영상크기의 변화는 FOD의 변화에 따라 달라진다.
X-ray를 이용하는 비파괴검사장치는 X-ray발진기, 검출기(detector), 검사체 이송장치, 차폐장치, 데이터 acquisition 및 소프트웨어와 시험결과 영상 모니터로 구성된다.
개발된 제품에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 실제로 시중에 유통되고 있는 주류회사의 알루미늄캔을 사용해 실험을 했다. 알루미늄 캔의 높이는 195mm이고 캔의 밑면이 직경은 59 mm이다.
본 연구에 사용한 검출기는 평판검출기(Flat Panel Detector)로 고해상도 및 공간 활용이 용이하다. 본 연구 개발에 사용한 검출기 시스템은 2개의 X-ray 발진기와 2개의 검출기로 구성된 더블헤더의 형식으로 구성되어 있다. Fig.
알루미늄 캔 내부의 음료수에 포함된 이물질을 비파괴 검사하기 위한 시스템을 제작하였다. 차폐박스 내부에 스테이지 등을 설치하고 고전압박스를 고정한 다음 평판 검출기(Flat Panel Detector)를 설치했다.

데이터처리

4. X-ray 발진기로부터 검사체의 이동 거리 변화에 대한 영상크기 변화를 정량적으로 분석하였다.

이론/모형

본 연구에서 제작한 섬광체는 Sol-gel법을 이용해서 X-ray 섬광체를 합성하였다. 합성한 섬광체 분말 Gd₂O₂S:Tb를 Emi Miyata의 방법처럼 Al판에 밀착시켜서 이용하였다.
본 연구에서는 간접검출방식(indirect detection method)을 채택하였으며 섬광체는 Gd2O2S:Tb를 직접 제작하여 섬광체로 이용하였다.

성능/효과

1. 본 연구에서 개발한 시스템의 경우 인가전압의 증가에 따른 해상도가 최소 30 kV 이상의 고전압에서 검출이 가능하다는 결과를 얻었다.
3. X-ray 영상에서 중요한 디텍터의 섬광체에 대한 실험을 통해 섬광체가 두꺼우면 두꺼울수록 검출효율은 더 좋아지는 것을 확인 하였다. 섬광체 두께가 증가하면 발광된 가시광의 광자수는 X-ray 흡수 깊이가 감소함에 따라 줄어들 뿐만 아니라 가시광의 분산을 증가시켜 영상판독이 어렵게 되는 것을 확인하였다.
누설선량은 X-Ray 발생시 제품의 외관에서 측정한 누설선량은 1 uSv/h 이하 이어야 한다. X-ray 정상 동작 시 피검사체의 중앙점에 일치하는 높이의 제품 외관(4면)을 중심으로 좌우상하 50cm 되는 곳마다 방사선 누설 선량계를 이용하여 측정한 결과 누설량이 기준치 이하로 측정되어 안전함을 확인 하였다.
X-ray 영상에서 중요한 디텍터의 섬광체에 대한 실험을 통해 섬광체가 두꺼우면 두꺼울수록 검출효율은 더 좋아지는 것을 확인 하였다. 섬광체 두께가 증가하면 발광된 가시광의 광자수는 X-ray 흡수 깊이가 감소함에 따라 줄어들 뿐만 아니라 가시광의 분산을 증가시켜 영상판독이 어렵게 되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비파괴검사장치의 구성은 무엇인가?	X-ray를 이용하는 비파괴검사장치는 X-ray발진기, 검출기(detector), 검사체 이송장치, 차폐장치, 데이터 acquisition 및 소프트웨어와 시험결과 영상 모니터로 구성된다.
	절연유를 이용하는 이유는?	X-ray 발생장치에서 중요한 부분 중에 하나는 전자가 표적에 충돌할 때 99% 이상이 열로 변화되는 것을 냉각시키는 문제이다. 앞에서 설명한 것처럼 전자가 표적에 충돌하면서 발생하는 열을 제어하지 못하면 진공관의 모양이 물리적으로 변형이 발생해서 수명이 짧아진다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 절연유를 이용해서 온도가 60℃이하를 유지할 수 있도록 하였다.
	광학 시스템은 어떤 경우에 유용하게 이용되는가?	본 연구의 기술개발에 채택하고 있는 간접검출 방식을 이용한 X-ray 영상검출기(detector)의 경우 광학 시스템을 이용하는 경우가 많은데, 이는 대면적의 엑스선 변환층, 즉 섬광체의 가용성과 달리 픽셀 어레이의 크기가 실제 촬영하고자 하는 대상체 보다 작은 경우에 유용하게 이용될 수 있다. 이 때 중요한 설계변수 중 하나로 광학결합효율을 들 수 있다.

참고문헌 (11)

Ahn, H. S., "Digital Radiography", JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, Vol. 33. No. 1, pp. 80-95, 2013.
Kim, H. K., "Sensor Technology for Digital Radiography", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 22. No. 8. Augest. pp. 1-10, 2005.
Miyata, E., "Broadband X-ray Detector Using CCDs and Scintillators", SNIC Symposium Stanford, California, Vol. 8, pp. 3-6, 2006.
Delpierre, P., "Pixels detectors and silicon X-rays detectors", Journal de Physiqueiv Colloque C9, Supplement au Journal de phsique III, Volume 4, Novmember. pp. 9-18, 1994.
Fransen, M. J., "On the Influence of Generator and Detector Settings in X-ray Powder Diffractometry", Advances in X-ray Analysis, Vol. 48. pp. 143-149, 2005.
Uersugi, K., Hoshino, M., and Yagi, N., "Comparison of lens- and fiber-coupled CCD detectors for X-ray computed tomography", Journal of Synchrotron Radiation, Vol. 18, pp. 217-223, 2011.

상세보기
Brambilla, A., Ouvrier-Buffer, P., Rinkel, J., Gonon, G., Boudou, C., "CdTe linear Pixel X-ray detector with enhanced spectrometric performance for high flux X-ray imaging", IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, Vol. 59, No. 4, pp. 1552-1558, 2012.

상세보기
Manuilskiy, A., Norlin, B., Nilsson, H-E., Frojdh, C., "Spectroscopy Applications for the Medipix photon counting X-ray system", IEEE Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 531, No. 1-2, pp. 251-257, 2004.

상세보기
Norlin, B., Manuilskiy, A., Nilsson, H-E., Frojdh, C., "Material recognition with the Medipix photon counting colour X-ray system", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 531, No. 1-2, pp 265-269, 2004.
Norlin, B., Frojdh, C., "Energy dependence in dental imaging with Medipix2", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipmen, Vol. 546, No. 1-2, pp. 19-23, 2005.
Frojdh, C., Nilsson, H. E., & Norlin, B., "Spectral Response of Pixellated Semiconductor X-ray Detectors", IEEE Nuclear Science Symposium Conference, Vol. 5, pp. 2967-2970, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증