KR100812536B1 - Nondestructive measurement method of the coating thickness in a triso-coated fuel particle by using the phase contrast x-ray radiography image and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 은 본 발명에 따른 피복입자연료의 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 획득하는 개략적인 장치 구성을 보인 예시도이고,1 is an exemplary view showing a schematic configuration of a device for obtaining a phase difference X-ray radiographic image of the coated particle fuel according to the present invention,
도 2는 위상차 X-선 영상에 대한 본 발명의 피복층 사이의 경계선을 추출하여 각 피복층의 반경 및 두께를 측정하는 디지털 영상처리 방법을 보인 예시도이고,FIG. 2 is an exemplary view showing a digital image processing method of measuring a radius and a thickness of each coating layer by extracting a boundary between coating layers of the present invention for a phase difference X-ray image.
도 3은 본 발명에 따른 위상차 X-선 래디오그래피 영상이고,3 is a phase difference X-ray radiographic image according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 위상차 X-선 래디오그래피 영상과 이 영상에 대해 중심점과 경계선을 추출하고 이를 표현한 영상이고, 4 is a phase difference X-ray radiographic image according to the present invention and an image representing a center point and a boundary line for the image and expressing the same;
도 5a는 본 발명에 따른 X-선 영상이고,5A is an X-ray image according to the present invention,
도 5b는 파괴적인 세라모그래피 방법을 이용하여 피복입자의 중심을 절단하고 연마한 후 현미경으로 관측한 영상이고, 5b is an image observed under a microscope after cutting and polishing the center of the coated particle using a destructive ceramic method,
도 6a는 본 발명에 따른 X-선 영상과 이를 처리하여 측정된 피복층의 두께를 나타낸 영상이고,Figure 6a is an image showing the thickness of the coating layer measured by processing the X-ray image according to the present invention,
도 6b는 세라모그래피 방법을 이용하여 절단면의 영상에 대해 측정된 피복층의 두께를 나타낸 영상이고, Figure 6b is an image showing the thickness of the coating layer measured for the image of the cut surface using the ceramography method,
도 7은 피복입자연료의 피복층(buffer PyC(pyrolytic carbon)층, 내부 PyC층, SiC층, 외부 PyC층)을 보인 사시도이고,7 is a perspective view showing a coating layer (buffer PyC (pyrolytic carbon) layer, inner PyC layer, SiC layer, outer PyC layer) of the coated particle fuel,
도 8은 종래 방법에 따른 X-선 래디오그래피 영상이다.8 is an X-ray radiographic image according to a conventional method.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1) : X-선 차폐 캐비넷 (2) : 방진시스템(1): X-ray shielding cabinet (2): Dustproof system
(3) : 실시간 X-선 검출기 (4) : 피복입자연료(3): real time X-ray detector (4): coated particle fuel
(5) : 시료 이송기 (6) : X-선 발생장치(5): sample feeder (6): X-ray generator
(7) : X-선 발생장치 제어기 (8) : 컴퓨터 시스템(7): X-ray generator controller (8): computer system
(9) : 프레임 그래버 (10) : 영상 모니터(9): frame grabber 10: video monitor
(11) : TRISO 피복입자연료 시료 준비단계(11): TRISO coated particle fuel sample preparation step
(12) : 위상차 X-선 래디오그래피 디지털 영상 획득단계(12): phase difference X-ray radiographic digital image acquisition step
(13) : 영상 히스토그램 조절 단계 (13): Image histogram adjustment step
(14) : 고주파수 영상 노이즈 1차 제거단계14: first high frequency image noise removing step
(15) : 중심점 추출 단계(15): center point extraction step
(16) : 경계선 강조 단계(16): boundary emphasis step
(17) : 고주파수 영상 노이즈 2차 제거단계(17): second step of removing high frequency image noise
(18) : 경계선 추출 단계18: boundary line extraction step
(19) : 피복층 반경 측정 단계(19): coating layer radius measuring step
(20) : 피복층 두께 측정 단계(20): coating layer thickness measurement step
본 발명은 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 이용한 TRISO 피복입자연료 피복층 두께 비파괴 측정 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 자세하게는 고온가스로 또는 초고온가스로용 TRISO(tri-isotropic) 피복입자연료의 피복층인 buffer PyC(pyrolytic carbon)층, 내부 PyC층, SiC층, 외부 PyC층의 두께를 각각 비파괴적으로 측정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. Nondestructive Measurement of TRISO Coated Particle Fuel Coating Layer Thickness Using Retardation X-ray Radiography Image The method and apparatus thereof, in detail, the thickness of the buffer PyC (pyrolytic carbon) layer, the inner PyC layer, the SiC layer, the outer PyC layer, which is a coating layer of TRISO (tri-isotropic) coated particle fuel for hot or ultra high temperature gas furnace Each relates to a method and a device for measuring nondestructively.
일반적으로 고온가스로 또는 초고온가스로용 연료로 TRISO(tri-isotropic) 피복입자연료가 사용된다.In general, TRISO (tri-isotropic) coated particle fuel is used as a fuel for high temperature or ultra high temperature furnaces.
이러한 TRISO(tri-isotropic) 피복입자연료는 도 7에 도시된 바와 같이 피복층으로 buffer PyC(pyrolytic carbon)층, 내부 PyC층, SiC층, 외부 PyC층을 가진다.The TRISO (tri-isotropic) coated particle fuel has a buffer PyC (pyrolytic carbon) layer, an inner PyC layer, an SiC layer, and an outer PyC layer as a coating layer as shown in FIG. 7.
종래에는 도 7과 같은 피복입자연료의 피복층 두께를 측정하기 위해 파괴적 인 세라모그래피(ceramography) 방법이나 비파괴적인 방법으로 일반적인 X-선 래디오그래피 방법을 이용하였다.Conventionally, in order to measure the coating layer thickness of the coated particle fuel as shown in FIG. 7, a general X-ray radiographic method is used as a destructive cerography method or a non-destructive method.
하지만 상기 파괴적인 세라모그래피 방법에서는 측정 시편 제조 과정이 복잡하고 측정 시편의 재사용이 불가능하며 측정 과정에서 방사성 폐기물이 발생하게 된다는 문제점이 있다.However, the destructive ceramic method has a problem in that the manufacturing process of the measurement specimen is complicated, the reuse of the measurement specimen is impossible, and radioactive waste is generated during the measurement process.
또한 상기 파괴적인 방법의 단점을 개선하기 위해 제안된 종래의 일반적인 X-선 래디오그래피 방법은 X-선의 흡수효과에 의존하는 방법으로 시료와 X-선 검출기 사이를 가능한 밀착시켜 X-선 영상을 획득하는 것인데, 이 경우 밀도와 투과 두께 차이가 미세한 피복입자연료의 피복층 사이의 경계선이 명확하지 않은 단점이 있다. 도 8은 종래 방법에 따른 X-선 래디오그래피 영상이다.In addition, the conventional general X-ray radiographic method proposed to improve the disadvantages of the destructive method is a method that depends on the absorption effect of the X-ray to obtain an X-ray image by as closely as possible between the sample and the X-ray detector In this case, there is a disadvantage that the boundary line between the coating layer of the coated particle fuel having a small difference in density and permeation thickness is not clear. 8 is an X-ray radiographic image according to a conventional method.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 피복입자연료에 대해 X-선의 흡수 효과와 더불어 피복층 사이의 경계면에서의 X-선의 굴절에 의한 위상 변화와 이에 따른 간섭 효과에 의해 경계선 영역의 값이 강조됨으로써 경계선이 명확한 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 획득할 수 있는 조건을 설정하여 피복층 사이의 경계선이 보다 명확한 X-선 래디오그래피 영상을 획득하고, 또한 이와 같은 과정에 의해 획득된 X-선 래디오그래피 영상에 대해 피복층 사이의 경계선을 자동으로 추출하고 이를 바탕으로 피복층의 두께를 효율적으로 측정하는 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is the value of the boundary region due to the phase change by the refraction of the X-rays at the interface between the coating layers and the interference effect according to the X-ray absorption effect on the coated particle fuel By emphasizing this, by setting the conditions under which the boundary line can acquire a phase difference X-ray radiographic image, the X-ray radiographic image with a clearer boundary line between the coating layers is obtained, and the X-ray obtained by the above process The present invention provides a method and apparatus for automatically extracting a boundary between coating layers for a radiographic image and efficiently measuring the thickness of the coating layer based on the extracted boundary lines.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 고온가스로 또는 초고온가스로용 TRISO 피복입자연료 또는 이와 유사한 피복입자연료의 피복층 두께를 비파괴적으로 검사하는 장치에 있어서, The present invention, which achieves the object as described above and removes the drawbacks of the prior art, is directed to an apparatus for nondestructively inspecting the coating layer thickness of TRISO coated particle fuel or similar coated particle fuel for high temperature or ultra high temperature gas furnaces. In
측정시설 외부로 X-선이 누설되지 않도록 X-선을 차폐시키는 납판으로 제작된 X-선 차폐 캐비넷과;An X-ray shielding cabinet made of a lead plate shielding the X-rays so that X-rays do not leak out of the measurement facility;
상기 X-선 차폐 캐비넷의 하부를 지지하고 있는 방진시스템과;A dustproof system supporting a lower portion of the X-ray shielding cabinet;
상기 X-선 차폐 캐비넷의 내부에 설치되어 X-선 신호를 실시간 영상신호로 변환시켜 측정 효율성을 증대시키도록 반도체로 구성된 실시간 X-선 검출기와;A real-time X-ray detector installed in the X-ray shielding cabinet and configured to semiconductor to increase the measurement efficiency by converting the X-ray signal into a real-time video signal;
상기 X-선 차폐 캐비넷의 내부에 설치되어 피복입자연료를 필요한 위치에 정밀하게 고정시키도록 구성된 시료이송기와;A sample transporter installed inside the X-ray shielding cabinet and configured to precisely fix the coated particle fuel in a required position;
상기 X-선 차폐 캐비넷의 내부에 설치되어 피복입자연료에 위상차 영상을 획득하기 위한 X-선을 조사하는 X-선 발생장치와;An X-ray generator installed in the X-ray shielding cabinet and irradiating X-rays for obtaining a phase difference image on the coated particle fuel;
상기 X-선 차폐 캐비넷의 외부에서 내부에 설치된 X-선 발생장치와 연결되어 X-선 발생장치의 관전압과 관전류 및 초점 크기를 제어하도록 구성된 X-선 발생장치 제어기와;An X-ray generator controller connected to an X-ray generator installed inside the X-ray shielding cabinet outside the X-ray shielding cabinet and configured to control tube voltage, tube current, and focal size of the X-ray generator;
상기 X-선 차폐 캐비넷의 외부에서 내부에 설치된 실시간 X-선 검출기의 영상신호를 디지털 신호로 변환시켜 컴퓨터시스템에 입력시키는 프레임 그래버와;A frame grabber that converts an image signal of a real-time X-ray detector installed inside the X-ray shielding cabinet into a digital signal and inputs it to a computer system;
상기 X-선 발생장치와 X-선 검출기를 제어하여, 피복입자연료의 위상차 X-선 래디오그래피 영상에 의한 피복층 두께 측정을 수행하는 프로그램을 실행하는 컴퓨터 시스템과; A computer system controlling the X-ray generator and the X-ray detector to execute a program for measuring the coating layer thickness by means of a phase difference X-ray radiographic image of the coated particle fuel;
상기 컴퓨터 시스템에 의해 처리된 X-선 영상과 측정 결과가 출력되도록 연결된 영상 모니터로 구성되어 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 이용한 TRISO 피복입자연료 피복층 두께 비파괴 측정하는 장치 구성을 특징으로 한다.An X-ray image processed by the computer system and a video monitor connected to output the measurement results, characterized in that the device configuration for measuring non-destructive TRISO coated particle fuel coating layer thickness using a phase difference X-ray radiographic image.
상기 실시간 X-선 검출기는 실시간으로 디지털 X-선 영상 데이터를 생산할 수 있도록 50 μm 이하의 화소 크기를 가진 것을 사용한다.The real-time X-ray detector uses a pixel size of 50 μm or less to produce digital X-ray image data in real time.
상기 X-선 발생장치는 위상차 영상을 획득하기 위해 0.2 ~ 5 μm 급의 초점 크기를 가진 장치를 사용한다. 초점은 크기가 작을수록 X-선의 간섭성을 증가시키는 공간적 코히어런스(coherence) 특성이 우수하고 그림자 효과에 의해 경계선이 불분명하게 표현되는 현상을 방지하여 위상차 영상 획득에 매우 유리한데 본원 발명은 상기와 같은 초점 구간에서 가장 우수한 결과를 나타내었다.The X-ray generator uses a device having a focus size of 0.2 ~ 5 μm to obtain a phase difference image. The smaller the focal point is, the better the spatial coherence characteristic of increasing the coherence of X-rays is, and it is very advantageous to acquire the phase difference image by preventing the phenomenon in which the boundary lines are unclearly expressed by the shadow effect. The best results were obtained in the focal section such as.
상기 X-선 발생장치 제어기는 X-선 발생장치의 관전압을 40~60 kV, 관전류를 80~100 μA 그리고 초점 크기를 0.2 ~ 5 μm가 되도록 제어하여 구성한다.The X-ray generator controller is configured by controlling the tube voltage of the X-ray generator to 40 to 60 kV, the tube current to 80 to 100 μA and the focal size to 0.2 to 5 μm.
상기 X-선 검출기는 노출 시간을 2~6초, 누적 영상 프레임의 수를 20~50 프레임이 되도록 설정한다.The X-ray detector sets the exposure time to 2 to 6 seconds and the number of accumulated image frames to be 20 to 50 frames.
상기 피복입자연료는 X-선 발생장치로부터 50~70 mm 떨어진 위치에 설치하고, X-선 검출기는 피복입자료연료로부터 1000~1400 mm 떨어진 위치에 설치하여 구성한다.The coated particle fuel is installed at a position 50 to 70 mm away from the X-ray generator, and the X-ray detector is installed at a position 1000 to 1400 mm away from the coated material fuel.
상기와 같은 고온가스로 또는 초고온가스로용 TRISO 피복입자연료 또는 이와 유사한 피복입자연료의 피복층 두께를 비파괴적으로 검사하는 방법에 있어서, In the method of non-destructively inspecting the coating layer thickness of TRISO coated particle fuel or similar coated particle fuel for the hot or ultra high temperature gas furnace as described above,
상기 피복입자연료에 대해 X-선의 흡수 효과와 더불어 피복층 사이의 경계면에서의 X-선의 굴절에 의한 위상 변화와 이에 따른 간섭 효과에 의해 경계선 영역의 값이 강조되도록 하여 경계선이 명확한 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 획득하고, 획득된 X-선 래디오그래피 영상에 대해 피복층 사이의 경계선을 자동으로 추출하고, 추출된 경계선을 바탕으로 피복층의 두께를 비파괴적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다.Phase difference X-ray radio with a clear boundary line by emphasizing the value of the boundary area by the phase change caused by the refraction of the X-rays at the interface between the coating layers and the interference effect according to the X-ray absorption effect on the coated particle fuel. A method of acquiring a graphics image, automatically extracting boundary lines between coating layers with respect to the obtained X-ray radiographic image, and nondestructively measuring the thickness of the coating layer based on the extracted boundary lines.
구체적으로 상기 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 획득하고, 획득된 X-선 래디오그래피 영상에 대해 피복층 사이의 경계선을 자동으로 추출한 후, 추출된 경계선을 바탕으로 피복층의 두께를 측정하는 방법은 Specifically, a method of acquiring the phase difference X-ray radiographic image, automatically extracting a boundary between coating layers with respect to the obtained X-ray radiographic image, and then measuring the thickness of the coating layer based on the extracted boundary line
측정 대상 물질인 TRISO 피복입자연료 시료를 준비하는 단계와; Preparing a TRISO coated particle fuel sample which is a measurement target material;
위상차 효과를 달성하기 위하여 마이크로포커스 X-선 발생장치와 실시간으로 디지털 X-선 영상 데이터를 생산할 수 있는 X-선 검출기를 방진시스템에 설치하고 피복입자연료를 X-선 발생장치로부터 일정 거리 떨어진 위치에 설치하고, X-선 검출기를 피복입자료연료로부터 일정 거리 떨어진 위치에 설치한 후, X-선 발생장치와 X-선 검출기를 가동하고 X-선 발생장치의 관전압, 관전류, X-선 검출기의 노출 시간, 누적 영상 프레임의 수를 설정하는 위상차 X-선 영상 획득 단계와:In order to achieve the phase difference effect, a microfocus X-ray generator and an X-ray detector capable of producing digital X-ray image data in real time are installed in the dustproof system, and the coated particle fuel is located at a distance from the X-ray generator. The X-ray detector, and the X-ray generator and the X-ray detector, and the tube voltage, tube current, and X-ray detector of the X-ray generator. Acquiring phase difference X-ray image to set the exposure time, the number of cumulative image frames of:
상기 단계 후 획득된 X-선 영상의 밝기와 대비(contrast)를 증대시키기 위하여 디지털 영상처리기술로 처리하는 히스토그램 조절 단계와:A histogram adjusting step of processing by a digital image processing technology to increase brightness and contrast of the obtained X-ray image after the step:
영상에 포함된 고주파수 노이즈를 1차로 제거하는 단계와;Firstly removing high frequency noise included in an image;
영상의 무게중심을 이용하여 피복입자의 중심점을 추출하는 단계와;Extracting the center point of the coated particle using the center of gravity of the image;
피복층 사이의 경계선을 강조하는 단계와;Emphasizing the boundaries between the coating layers;
경계선 강조 과정에서 생성된 고주파수 노이즈를 2차로 제거하는 단계와;Secondarily removing the high frequency noise generated in the boundary emphasis process;
경계선이 강조된 영상으로부터 경계선 정보를 추출하는 단계와;Extracting boundary information from an image in which the boundary is highlighted;
경계선 정보로부터 피복층의 반경을 측정하는 단계와; Measuring a radius of the coating layer from the boundary information;
반경 정보로부터 피복층의 두께를 측정하는 단계를 포함하여 피복층의 두께를 비파괴적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다.And measuring the thickness of the coating layer non-destructively, including measuring the thickness of the coating layer from the radius information.
상기 위상차 X-선 영상 획득 단계는 위상차 효과를 달성하기 위하여 최소 초점크기 0.2 ~ 5 μm의 정밀한 마이크로포커스 X-선 발생장치와 실시간으로 디지털 X-선 영상 데이터를 생산할 수 있는 50 μm 이하 화소 크기의 X-선 검출기를 방진시스템에 설치하고 피복입자연료를 X-선 발생장치로부터 50~70 mm떨어진 위치에 설치하고, X-선 검출기를 피복입자료연료로부터 1000~1400 mm 떨어진 위치에 설치한 후, X-선 발생장치와 X-선 검출기를 가동하고 X-선 발생장치의 관전압을 40~60 kV, 관전류를 80~100 μA, X-선 검출기의 노출 시간을 2~6초, 누적 영상 프레임의 수를 20~50 프레임으로, X-선 검출기와 X-선 발생장치 사이의 거리는 1050~1470 mm로 설정한다. 관전압과 관전류가 낮은 범위로 설정되면 X-선의 출력이 낮아지며, 적정한 노출을 위해 노출 시간과 프레임 수를 증가시키고 X-선 검출기와 X-선 발생장치 사이의 거리를 낮은 범위에서 설정한다The phase difference X-ray image acquisition step has a minimum focus size to achieve a phase difference effect. Accurate microfocus X-ray generator with 0.2 to 5 μm, X-ray detector with a pixel size of 50 μm or less capable of producing digital X-ray image data in real time, is installed in the dustproof system and coated particle fuel is generated by X-ray generation. Install the X-ray detector at a distance of 50 to 70 mm from the device, and install the X-ray detector at a distance of 1000 to 1400 mm from the coated fuel, and then operate the X-ray generator and the X-ray detector to generate X-rays. 40 to 60 kV tube voltage, 80 to 100 μA tube current, 2 to 6 seconds exposure time for X-ray detector, 20 to 50 frames for cumulative image frames, X-ray detector and X-ray generation The distance between the devices is set to 1050-1470 mm. If the tube voltage and tube current are set in a low range, the output of the X-rays is lowered, the exposure time and frame rate are increased for proper exposure, and the distance between the X-ray detector and the X-ray generator is set in the low range.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 따른 피복입자연료의 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 획득하는 개략적인 장치 구성을 보인 예시도인데, 도시된 바와 같이 본 발명의 구성은 X-선 차폐 캐비넷(1), 방진시스템(2), 실시간 X-선 검출기(3), 시료 이송기(5), X-선 발생장치(6), X-선 발생장치 제어기(7), 컴퓨터 시스템(8), 프레임 그래버(9) 및 영상 모니터(10)로 구성된다.1 is an exemplary view showing a schematic configuration of a device for obtaining a phase difference X-ray radiographic image of the coated particle fuel according to the present invention, as shown in the configuration of the present invention is an X-ray shielding cabinet (1), dustproof System (2), real-time X-ray detector (3), sample feeder (5), X-ray generator (6), X-ray generator controller (7), computer system (8), frame grabber (9) ) And a
상기 실시간 X-선 검출기(3)는 프레임 그래버(9)와 연결되고, 프레임 그래버(9)는 컴퓨터 시스템(8)과 연결구성된다.The real-
또한 상기 X-선 발생장치(6)는 X-선 발생장치 제어기(7)와 연결되고, X-선 발생장치 제어기(7)는 컴퓨터 시스템(8)과 연결되도록 구성된다.The
또한 영상 모니터(10)는 컴퓨터 시스템(8)과 연결된 출력장치이다.The video monitor 10 is also an output device connected to the
상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 하부에는 방진시스템(2)이 구비되고, X-선 차폐 캐비넷(1)의 내부에는 실시간 X-선 검출기(3), 시료 이송기(5), X-선 발생장치(6) 그리고 측정대상인 피복입자연료(4)가 설치되어 구비된다.The
구체적으로, 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)은 측정시설 외부로 X-선이 누설되지 않도록 X-선을 차폐시키는 납판으로 제작된 안전용 캐비넷이고,Specifically, the X-ray shielding cabinet (1) is a safety cabinet made of a lead plate shielding the X-rays so that X-rays do not leak outside the measurement facility,
상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 하부에는 방진시스템(2)이 설치되어 수 마이크로미터 이하의 정밀도를 유지하기 위해 외부 진동에 의한 영향을 차단하도록 구성된다.The lower part of the
상기 실시간 X-선 검출기(3)는 반도체 소자로 제작되어 X-선 신호를 실시간 영상신호로 변환시켜 측정 효율성을 증대시키도록 X-선 차폐 캐비넷(1)의 내부에 설치구성된다. 또한 실시간 X-선 검출기는 실시간으로 디지털 X-선 영상 데이터를 생산할 수 있도록 50 μm이하 화소 크기를 가진 것을 사용한다. X-선의 굴절각이 작기 때문에 간섭에 의한 위상차 효과를 얻기 위해서는 X-선 검출기의 화소가 작을 수록 유리하다. X-선의 굴절에 의한 공간 분해능이 수십 μm 수준이므로 50 μm 이하의 화소크기인 경우 위상차 효과를 관측할 수 있다. 10 μm 정도의 화소 크기를 가진 반도체 검출기도 있지만 가격이 매우 고가이며 감도(sensitivity)가 낮은 단점이 있으며, X-선 필름의 경우 10 μm 이하의 화소 크기를 나타내는 경우도 있지 만 데이터 처리가 불편한 단점이 있어 그와 같이 한정하였다.The real-
상기 피복입자연료(4)는 측정 대상 시료이다. The
상기 시료 이송기(5)는 케비넷 외부에서 시험자가 케비넷 내부에 설치된 시료이송기(5)와 연결된 케비넷 외부의 제어장치를 조작하여 피복입자 시료를 필요한 위치에 정밀하게 고정시키는 장치이다.The
상기 X-선 발생장치(6)는 위상차 영상을 획득하기 위해 요구되는 최소 0.2~5 ㎛ 급의 작은 초점 크기를 가진 장치이다. 초점의 크기가 작을수록 X-선의 간섭성을 증가시키는 공간적 코히어런스(coherence) 특성이 우수하고 그림자 효과에 의해 경계선이 불분명하게 표현되는 현상을 방지하여 위상차 영상 획득에 매우 유리하다. 그러나 초점 크기가 상기 하한값보다 작아지면 X-선 출력이 매우 낮아지기 때문에 노출 시간이 증가하게 되고 X-선 발생장치의 가격도 증가하는 단점이 있다. 또한 상한값보다 크게 되면 X-선의 공간적 코히어런스(coherence) 특성이 저하되어 간섭에 의한 위상차 효과가 떨어지게 되어 초점 크기를 그와 같이 한정하였다The
상기 X-선 발생장치 제어기(7)는 X-선 발생장치(6)의 관전압과 관전류 및 초점 크기를 제어하는 장치이다. The
상기 컴퓨터 시스템(8)은 X-선 발생장치(6)와 X-선 검출기(3)를 제어하고 피복입자연료의 피복층 두께 측정을 수행하는 프로그램을 실행되는 컴퓨터 시스템이다.The
상기 프레임 그래버(9)는 X-선 검출기(3)의 영상신호를 디지털 신호로 변환 시켜 컴퓨터시스템(8)에 입력시키는 장치이다.The
상기 영상 모니터(10)는 X-선 영상과 측정 결과를 확인할 수 있는 영상 모니터를 나타낸다.The image monitor 10 represents an image monitor capable of confirming an X-ray image and a measurement result.
도 2 는 위상차 X-선 영상에 대한 본 발명의 피복층 사이의 경계선을 추출하여 각 피복층의 반경 및 두께를 측정하는 디지털 영상처리 방법을 보인 예시도인데, 도시된 바와 같이 획득된 피복입자연료의 위상차 X-선 영상에 대해 피복층 사이의 경계선을 추출하여 각 피복층의 반경 및 두께를 측정하는 디지털 영상처리 방법을 보인 단계별 공정을 보이고 있다. Figure 2 is an exemplary view showing a digital image processing method for measuring the radius and thickness of each coating layer by extracting the boundary between the coating layers of the present invention for the phase difference X-ray image, the phase difference of the coated particle fuel as shown It shows a step-by-step process showing a digital image processing method for measuring the radius and thickness of each coating layer by extracting the boundary line between the coating layers for the X-ray image.
구체적인 단계별 공정은 측정 대상 물질인 TRISO 피복입자연료 시료를 준비하는 단계(11)와; Specific step-by-step process comprises the step (11) of preparing a TRISO coated particle fuel sample to be measured;
위상차 효과를 달성하기 위하여 최소 초점크기 0.2~5μm의 정밀한 마이크로포커스 X-선 발생장치(6)와 실시간으로 디지털 X-선 영상 데이터를 생산할 수 있는 50 μm 이하 화소 크기의 X-선 검출기(3)를 방진시스템(테이블, 2)에 설치하고 피복입자연료(4)를 X-선 발생장치(6)로부터 50~70 mm 떨어진 위치에 설치하고, X-선 검출기(3)를 피복입자료연료(4)로부터 1000~1400 mm 떨어진 위치에 설치한 후, X-선 발생장치(6)와 X-선 검출기(3)를 가동하고 X-선 발생장치(6)의 관전압을 40~60 kV, 관전류를 80~100 μA, X-선 검출기(3)의 노출 시간을 2~6초, 누적 영상 프레임의 수를 20~50 프레임으로, X-선 검출기(3)와 X-선 발생장치 사이의 거리(6)는 1050~1470 mm로 설정하는 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)와:Accurate microfocus X-ray generator (6) with a minimum focal size of 0.2 to 5 μm to achieve retardation effects, and an X-ray detector with a sub-50 μm pixel size capable of producing digital X-ray image data in real time (3) Is installed in the dustproof system (table, 2), and the coated particle fuel (4) is installed at a position of 50 to 70 mm away from the X-ray generator (6), and the X-ray detector (3) is placed on the coated material fuel ( 4) After installation at a distance of 1000 to 1400 mm, operate the
상기 단계 후 획득된 X-선 영상의 밝기와 대비(contrast)를 증대시키기 위하여 디지털 영상처리기술로 처리하는 히스토그램 조절 단계(13)와:A
영상에 포함된 고주파수 노이즈를 1차로 제거하는 단계(14)와;Firstly removing the high frequency noise included in the image (14);
영상의 무게중심을 이용하여 피복입자의 중심점을 추출하는 단계(15)와;Extracting a center point of the coated particle using a center of gravity of the image (15);
피복층 사이의 경계선을 강조하는 단계(16)와;Emphasizing the boundary between the coating layers (16);
경계선 강조 과정에서 생성된 고주파수 노이즈를 2차로 제거하는 단계(17)와;Secondly removing the high frequency noise generated in the boundary emphasis process;
경계선이 강조된 영상으로부터 경계선 정보를 추출하는 단계(18)와;Extracting boundary line information from the boundary-highlighted image (18);
경계선 정보로부터 피복층의 반경을 측정하는 단계(19)와;Measuring (19) the radius of the coating layer from the boundary information;
반경 정보로부터 피복층의 두께를 측정하는 단계(20)로 이루어진다.The thickness of the coating layer is measured 20 from the radius information.
상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 피복입자연료(4)를 X-선 발생장치(6)로부터 50~70 mm 떨어진 위치에 설치한 이유는 X-선 검출기와 물체 사이의 거리가 1000~1400 mm로 한정하였으며, 피복입자연료의 직경이 약 1mm 이고 검출기의 크기가 50 mm이므로 적정 배율을 21 배로 설정하여 그와 같이 한정하였다.In the phase difference X-ray
또한 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 X-선 검출기(3)를 피복입자료연료(4)로부터 1000~1400 mm 위치에 설치한 이유는 X-선의 굴절각이 미세하여 굴 절 효과를 얻기 위해서는 X-선 검출기와 물체 사이의 거리가 1000 mm 이상이 되어야 한다. 거리가 증가할수록 굴절 효과가 증가하지만 X-선의 출력밀도가 낮아져 노출 시간이 증가하고 차폐케비넷의 크기가 증가하게 되어 1000~1400 mm로 한정하였다. In addition, in the phase difference X-ray
또한 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 X-선 발생장치(6)와 X-선 검출기(3)를 가동하고 X-선 발생장치(6)의 관전압을 40~60 kV로 한정한 이유는 관전압은 X-선의 파장과 역수 관계이다. 즉 관전압이 증가할수록 X-선의 파장이 짧아진다. 또한 X-선의 파장은 위상차 효과와 관계가 있다. 즉, 파장이 증가할수록 굴절각이 증가하고 간섭성이 증가하여 위상차 효과를 증가시키기 때문에 X-선의 관전압이 낮을수록 위상차효과는 증가할 수 있다. 그러나 X-선의 관전압이 낮아지면 투과도가 떨어지는 단점이 있어 X-선 영상의 밝기(brightness)와 대비(contrast) 특성을 저하시킨다. 40 kV 이하에서는 투과도가 낮아지고 60 kV 이상에서는 위상차 효과가 낮아져 관전압 범위를 그와 같이 한정하였다. In addition, in the phase difference X-ray
또한 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 관전류를 80~100 μA로 한정한 이유는 X-선 관전류는 X-선의 출력 및 초점 크기와 관련이 있다. 관전류가 증가할수록 출력이 증가하지만 초점크기가 커져 위상차 효과를 감소시킨다. 80 μA 이하에서는 출력이 낮아지고, 100 μA 이상에서는 위상차 효과가 낮아져 관전류 범위를 그와 같이 한정하였다.In addition, the reason for limiting the tube current to 80 to 100 μA in the phase difference X-ray
또한 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 X-선 검출기(3)의 노출 시간을 2~6로 한정한 이유는 한정된 관전압/관전류 조건에서 노출 시간은 수 분이 요구되나 사용된 X-선 검출기의 최대 노출 시간이 10초이며 안정된 동작을 위해 그 이하인 2~6초로 한정하였다. 노출 시간의 보정은 프레임 수를 조정하여 이루어진다.In addition, the reason why the exposure time of the
또한 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 누적 영상 프레임의 수를 20~50 프레임으로 한정한 이유는 적절한 노출을 위해서는 수 분의 노출 시간이 필요하며 프레임당 2~6초의 노출 시간이 소요되므로 총 노출 시간은 40~300초가 되도록 프레임 수를 한정하였다. In addition, the reason why the number of cumulative image frames is limited to 20 to 50 frames in the phase difference X-ray
또한 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)에서 X-선 검출기(3)와 X-선 발생장치 사이의 거리(6)는 1050~1470 mm로 한정한 이유는 X-선 검출기와 X-선 발생장치 사이의 거리는, 앞에서 언급된 X-선 검출기와 물체 사이의 거리 '1000~1400 mm'와 물체와 X-선 발생장치 사이의 거리 50~70 mm'의 합이므로 이와 같이 한정하였다. In addition, in the phase difference X-ray
본 발명은 상기 위상차 X-선 영상 획득 단계(12)를 거치면서 피복입자연료에 대해 X-선의 흡수 효과와 더불어 피복층 사이의 경계면에서의 X-선의 굴절에 의한 위상 변화와 이에 따른 간섭 효과에 의해 경계선 영역의 값이 강조됨으로써 경계선 이 명확한 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 획득할 수 있는 조건을 설정하여 피복층 사이의 경계선이 보다 명확한 X-선 래디오그래피 영상을 획득하게 된다.According to the present invention, the phase difference caused by the refraction of the X-rays at the interface between the coating layers, the phase change due to the refraction of the X-rays, and the interference effect according to the phase difference X-ray
상기 히스토그램 조절 단계(13)는 획득된 영상의 화질을 분석하여 자동으로 조절한다. 이러한 것을 처리하기 위해 본 발명은 히스토그램 조절 기능을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.The
상기 영상에 포함된 고주파수 노이즈를 1차로 제거하는 단계(14)는 고주파수 노이즈 제거 기능을 포함하는 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.In step 14, the high frequency noise included in the image is first removed using a dedicated program including all measurement processes ranging from image acquisition to measurement including a high frequency noise removal function.
상기 영상의 무게중심을 이용하여 피복입자의 중심점을 추출하는 단계(15)는 획득된 영상의 화질을 분석하고 무게중심을 구하는 원리를 이용하여 무게중심을 추출한다. 본 발명은 중심점 추출 기능을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.Extracting the center point of the coated particle by using the center of gravity of the image 15 extracts the center of gravity using the principle of analyzing the image quality of the obtained image and obtaining the center of gravity. The present invention uses a dedicated program that includes all measurement processes ranging from image acquisition to measurement with center point extraction.
상기 피복층 사이의 경계선을 강조하는 단계(16)는 미분 원리를 이용하여 경계선을 강조하는 것이다. 본 발명은 이러한 기능을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.The
상기 경계선 강조 과정에서 생성된 고주파수 노이즈를 2차로 제거하는 단 계(17)는 경계선 강조 과정에서 발생한 고주파수 노이즈를 제거하기 위하여 고주파수 노이즈 제거 과정을 반복합니다. 본 발명은 이러한 과정을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.In step (17), the second step of removing the high frequency noise generated in the boundary emphasis process is repeated to remove the high frequency noise generated in the boundary emphasis process. The present invention uses a dedicated program that includes all of the measurement procedures ranging from image acquisition to measurement.
상기 경계선이 강조된 영상으로부터 경계선 정보를 추출하는 단계(18)는 영상의 화질을 분석하여 문턱치를 정하고 이를 기준으로 자동으로 경계선의 위치를 추출하는 단계로 본 발명은 피복입자의 피복층 경계선 영상을 추출하는 과정을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.The
상기 경계선 정보로부터 피복층의 반경을 측정하는 단계(19)는 앞서 구한 무게중심과 경계선의 위치를 이용하여 반경을 자동으로 계산하는 단계로 본 발명은 무게중심과 경계선의 위치를 이용하여 반경을 자동으로 계산하는 과정을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.The
상기 반경 정보로부터 피복층의 두께를 측정하는 단계(20)는 앞서 구한 반경 데이터를 이용하여 두께를 자동으로 계산하는 단계로 본 발명은 반경 데이터를 이용하여 두께를 자동으로 계산하는 과정을 포함한 영상 획득부터 측정에 이르는 모든 측정 과정을 포함한 전용 프로그램을 사용한다.
도 3은 본 발명에 따른 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 도시하고 있는데, 도 1의 장치구성을 가지고 도 2의 방법에 따른 단계를 수행함으로써 도 3과 같이 경계선이 명확한 위상차 X-선 래디오그래피 영상을 얻을 수 있고, 이에 따라 이를 이용하여 자동으로 피복층 두께를 측정함으로써 피복입자연료 피복층 검사 공정을 개선할 수 있게 된다.Figure 3 shows a phase difference X-ray radiographic image according to the present invention, the phase difference X-ray radiographic image with a clear boundary line as shown in Figure 3 by performing the steps of the method of Figure 2 with the device configuration of Figure 1 It is possible to improve the coating particle fuel coating layer inspection process by measuring the thickness of the coating layer using this automatically.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.Hereinafter is a preferred embodiment of the present invention.
(실시예 1) (Example 1)
본 발명에 따른 측정시설 외부로 X-선이 누설되지 않도록 X-선을 차폐시키는 납판으로 제작된 X-선 차폐 캐비넷(1)과; 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 하부를 지지하고 있는 방진시스템(2)과; 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 내부에 설치되어 X-선 신호를 실시간 영상신호로 변환시켜 측정 효율성을 증대시키도록 반도체로 구성된 실시간 X-선 검출기(3)와; 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 내부에 설치되어 피복입자연료(4)를 필요한 위치에 정밀하게 고정시키도록 구성된 시료이송기(5)와; 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 내부에 설치되어 피복입자연료(4)에 위상차 영상을 획득하기 위한 X-선을 조사하는 X-선 발생장치(6)와; 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 외부에서 내부에 설치된 X-선 발생장치(6)와 연결되어 X-선 발생장치(6)의 관전압과 관전류 및 초점 크기를 제어하도록 구성된 X-선 발생장치 제어기(7)와; 상기 X-선 차폐 캐비넷(1)의 외부에서 내부에 설치된 실시간 X-선 검출기(3)의 영상신호를 디지털 신호로 변환시켜 컴퓨터시스템(8)에 입력시키는 프레임 그래버(9)와; 상기 X-선 발생장치(6)와 X-선 검출기(3)를 제어하여, 피복입자연료의 위상차 X-선 래디오그래피 영 상에 의한 피복층 두께 측정을 수행하는 프로그램을 실행하는 컴퓨터 시스템(8)과; 상기 컴퓨터 시스템에 의해 처리된 X-선 영상과 측정 결과가 출력되도록 연결된 영상 모니터(10)로 구성한 후, 관전압 60 kV, 관전류 80 uA, 초점크기 2 um, 총 노출시간 300초, 물체와 X-선 발생장치 사이의 거리 70 mm, 물체와 X-선 검출기 사이의 거리 1400 mm 일 때 획득된 X-선 영상에서 위상차 효과를 관측하였으며 이 영상을 이용하여 피복층 사이의 경계선을 강조하고 추출한 후 경계선의 반경과 그에 따른 각 피복층의 두께를 측정할 수 있었다, 이러한 결과가 위상차 X-선 래디오그래피 영상과 이 영상에 대해 중심점과 경계선을 추출하고 이를 표현한 영상인 도 4에 나타나 있다. An X-ray shielding cabinet (1) made of a lead plate shielding the X-rays so that X-rays are not leaked to the outside of the measuring facility according to the present invention; A dustproof system (2) supporting a lower portion of said X-ray shielding cabinet (1); A real-time X-ray detector (3) installed inside the X-ray shielding cabinet (1) and configured of a semiconductor to convert an X-ray signal into a real-time video signal to increase measurement efficiency; A sample feeder (5) installed inside the X-ray shielding cabinet (1) and configured to precisely fix the coated particle fuel (4) in a required position; An X-ray generator (6) installed inside the X-ray shielding cabinet (1) for irradiating X-rays for obtaining a phase difference image to the coated particle fuel (4); An X-ray generator configured to be connected to an
상기와 같은 실시예 따른 결과를 파괴시험과 비교한 결과 약 5.7 % 정도의 편차를 나타내 파괴시험을 대체할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과가 도 5a, 5b, 도 6a, 6b에 도시되어 있는데, 도 5a는 본 발명에 따른 X-선 영상이고, 도 5b는 파괴적인 세라모그래피 방법을 이용하여 피복입자의 중심을 절단하고 연마한 후 현미경으로 관측한 영상이고, 도 6a는 본 발명에 따른 X-선 영상과 이를 처리하여 측정된 피복층의 두께를 나타낸 영상이고, 도 6b는 세라모그래피 방법을 이용하여 절단면의 영상에 대해 측정된 피복층의 두께를 나타낸 영상이다.As a result of comparing the results according to the embodiment with the fracture test, it was confirmed that the fracture test could be replaced by showing a deviation of about 5.7%. These results are shown in FIGS. 5A, 5B, 6A and 6B, where FIG. 5A is an X-ray image according to the present invention, and FIG. 5B is a cutting and polishing of the center of the coated particle using a destructive ceramic method. 6A is an image showing an X-ray image according to the present invention and a thickness of a coating layer measured by treating the same, and FIG. 6B is measured on an image of a cut plane using a ceramic method. Image showing the thickness of the coated layer.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같은 본 발명은 피복입자연료를 검사하는 공정 중 피복층의 두께를 비파괴적으로 측정함으로써 피복입자연료의 피복층 검사 공정을 개선하였다는 장점과, 검사 시료의 재활용으로 인한 제품 수율의 증가와 방사성 폐기물의 감소, 그리고 검사의 정밀도 향상에 기여할 수 있는 등의 많은 효과가 있는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.As described above, the present invention improves the coating layer inspection process of the coated particle fuel by non-destructively measuring the thickness of the coating layer during the inspection of the coated particle fuel, and increases the product yield and radioactive waste due to the recycling of the test sample. It is a useful invention that has many effects, such as a reduction in the number of times, and contributes to the improvement of inspection accuracy, and is an invention which is expected to be greatly used in the industry.
Claims (9)
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