KR20190028530A - 중성자 방사선 촬영 방법 및 그 구현을 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중성자 방사선 촬영법에 관한 것으로, 길이가 긴 방사성 물질들, 주로 핵 연료 성분들의 검사 및 방사능 처리되거나 처리되지 않은 시료들의 내부 구조 및 그 물질 구성을 결정하기 위한 비파괴적 검사에 사용될 수 있다. 본 발명의 방법은, 시료를 보호 컨테이너(3) 내에 위치시키는 단계; 상기 컨테이너를 마운팅 시트(5)를 통해 베드(4) 상에 위치시키고 그 내부에 단단히 고정하는 단계; 제1 검출기(11)를 림브(7)의 그루브(8) 내에 마운트하는 단계; 방사선의 방향과 상기 검출기 사이의 각도(+α)를 설정하는 단계; 중성자 빔(1)을 공급하는 단계; 제2 검출기(12)를 상기 그루브 내에 마운트하는 단계; 방사선의 방향과 상기 검출기 사이의 각도(-α)를 설정하는 단계; 조사를 실시하는 단계; 노출된 필름들을 처리하여 각도 ±α에서의 이미지들을 획득하는 단계를 포함한다. 시료 시험 방법의 구현을 위한 장치로서, 상기 장치는 중성자원, 시료를 위한 보호 컨테이너(3) 및 검출 시스템을 포함하고, 추가적으로 중성자 검출기들(11, 12)을 고정하기 위한, 직경형 그루브(8) 형태를 가지는 마운팅 시트(5)를 포함하고 상부에 검출 시스템이 위치되는 회전 림브(7) 형태의 베드(4)를 더 포함하며, 상기 림브는 상기 시료의 축과 평행한 축에 대하여 설정된 각도로 회전 가능하도록 마운트되고, 그 내부에 길이가 긴 시료가 통과할 수 있는 반원형 리세스(13)를 가져서, 상기 림브가 중성자 빔(1)의 방향에 대하여 각도(±αi)로 회전할 수 있는 장치가 제공된다.

Description

중성자 방사선 촬영 방법 및 그 구현을 위한 장치
본 발명은 중성자 방사선 촬영(neutron radiography)에 관한 것으로, 긴 방사성 물질들(elongated radioactive items), 주로 핵 연료 성분들의 검사 및 방사능 처리되거나 처리되지 않은 시료들의 내부 구조 및 그 물질 구성을 결정하기 위한 비파괴적(non-destructive) 검사에 사용될 수 있다.
백그라운드 Y선 조사선량 및 조사 시간을 계산하는 단계, 검출기를 마운트하는 단계 및 감광 재료들 상에 중성자-방사선 촬영 이미지를 기록하는 단계를 포함하는, 직접 노출에 의한 중성자 이미징 방법이 알려져 있다(N.D. Tyufyakov, A.S. Shtan, Principles of Neutron Radiography, M., Atomizdat, 1975, p.250).
풀(pool) 타입의 핵 반응기에서 발생하는 중성자 빔을 사용하여 빔 콜리메이션(beam collimation)이 콜리메이터 포트 치수를 변경함으로써 순조롭게 변경될 수 있는 중성자-방사선 촬영 관찰(viewing) 장치가 알려져 있다(Radiation technology, Rev. 16. M., Atomizdat, 1978).
상기 장치는 시료(item)와 검출기의 위치를 제어하여 공급하는 피드 드라이브들, 방사화 검출기(activation detector)를 캐리지(carrage)로부터 포토컨테이너(photocontainer)로 이동하여 유지하기 위한 수단, 방사화된 스크린이 X선 필름을 누르고 있도록 하기 위해 필요한 압축 공기를 공급하는 공압 시스템을 포함한다.
상기 시료는 150×1200 mm2의 방사선 촬영 박스 내에서, 상기 시료의 평면과 검출기 평면에 대한 시준된(collicated) 중성 자 빔의 입사각(striking angle)이 90°인 한 방향에서 중성자 빔에 노출된다. 결함이 발견되면, 상기 결함의 원인을 결정하기 위하여, 하나 이상의 다른 각도에서 그것을 분석하는 것이 필요하다. 이러한 목적으로, 시료가 방사선 촬영 박스로부터 보호 박스로 수 차례 이동해야 하며, 상기 시료는 보호 컨테이너 내에서 회전하여 조사 위치로 되돌아와야 한다.
시료를 수직의 보호 컨테이너의 이동 가능한 크로스-빔에 위치시킨 후, 수직으로 반응기 중성자 빔의 수직 채널 상부로 이동시키는 단계, 상기 크로스-빔의 속도 및 구경값(aperture value)의 감소율을 설정하는 단계를 포함하는, 중성자 방사선 촬영 방법이 알려져 있다(N.G. Kocherygin, V.D. Kozmenko, Apparatus for defectoscopy of highly active samples, АСNo.199476, cl.42k, 46/07, IPC G01n, 1967). 크로스-빔의 진행 속도 및 구경 변화율이 실험에 의해 선택되고, 필름 상에 선명한 이미지를 획득하기 위한 조사(irradiation)가 종료되면, 방사화된 스크린의 균일한 배경과 충분한 방사능이 제공된다.
상기 방법을 구현하기 위한 장치는 중성자원, 작동 컨테이너, 작동 컨테이너 내부에 시료를 수용하기 위한 이동 가능한 크로스-빔, 상기 크로스-빔을 중성자 흐름 방향에 대해 수직으로 이동시키는 이동 메커니즘, 구경 변경 메커니즘, 포토컨테이너, 비방사화 스크린을 작동 컨테이너로부터 포토컨테이너로 이동시키는 핸들링 메커니즘을 포함한다.
상기 장치는 길이가 짧은 시료들을 검사하도록 설계되어 있다. 길이가 긴 시료들은, 시료 자체 길이의 두 배의 높이를 갖는 컨테이너를 사용해야 한다. 큰 컨테이너들은 수직(이송) 위치에서 수평(“방사선 촬영 관찰”) 위치로 이동될 필요가 있는 측정 분야에서는 취급이 어렵다.
긴 수직 채널들의 출구에서 중성자 빔의 치수는 최소화된다(50~100mm 이하). 따라서, 수직 위치에서 수평 위치로 방향이 바뀐 컨테이너 내의 시료를 포함하는 크로스-빔은 조금씩 여러 번 이동하는 것이 필요하며, 이는 매우 오랜 시간이 걸린다.
시료의 길이 및 조사 방향을 따라 퍼져 있는 결함들이 있는 영역의 공간 변형들 및 파라미터들을 시각화하기 위하여, 상기 시료들의 축들 주위를 회전하고 입사 빔을 가로질러 이동하는 시료의 이미지를 촬영할 필요가 있다. 따라서, 몇몇 중성자 “방사선 촬영 관찰” 및 특히, 시료가 수용된 컨테이너를 보호 박스로 회송하는 것을 포함하는 복수의 추가 작업들이 필요하고, 상기 보호 박스에서 고방사능 시료는 원격으로 각각의 기계적 조작을 받게 된다.
수많은 위치 변경에 의해 고방사능 시료들은 여러 예상치 못한 이유로 손상되어 심각한 방사성 사고로 이어질 수 있다. 뿐만 아니라, 핵 연료를 포함하는 시료에 대한 각각의 새로운 방사선 촬영 관찰(중성자 빔의 조사)은 추가적인 방사능 축적을 증가시킨다. 이로 인하여 중앙 홀(central hall) 내의 시료의 존재로 인해 장치를 정비하는 인력에게 매번 더 큰 방사성 위험이 초래된다.
숨겨진 이미지(hidden image)를 스크린으로부터 중앙 홀 환경의 포토컨테이너 내의 필름으로 이송하는 것은 바람직하지 않은데, 이는 다른 방사선원이 추가의 백그라운드를 제공할 수 있기 때문이다.
본 발명의 목적은 방사선 촬영 시험 결과들의 정보적 가치, 정확성, 및 명확성을 개선하는 것이다.
상기 목적은, 시료를 보호 컨테이너 내에 위치시키는 단계, 상기 컨테이너를 마운팅 시트(mounting seat)를 통해 베드 상에 위치시키고 내부의 상기 시료를 단단히 고정(securing)하는 단계, 반원형 리세스를 갖는 회전 가능한 디스크 형태로 상기 베드 내에 일체로 형성된 림브(limb)의 그루브 내에 제1 검출기를 마운트하는 단계, 방사선의 방향과 상기 제1 검출기 사이의 각도(+α)를 설정하는 단계, 중성자 빔을 공급하는 단계, 조사(irradiation) 후에 상기 제1 검출기를 박스로부터 특수(special) 컨테이너로 이동시켜 포토필름과 접촉하게 하는 단계, 제2 검출기를 상기 그루브 내에 마운트하는 단계, 방사선의 방향과 상기 제2 검출기 사이의 각도(-α)를 설정하는 단계, 조사를 실시하는 단계, 조사 후에 상기 제2 검출기를 박스로부터 제거하여 상기 특수 컨테이너에 위치시킴으로써 상기 포토필름과 접촉하게 하는 단계, 노출된 필름들을 처리하여 각도 ±α(|+α| = |-α|)에서의 이미지들을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 각도를 조절함으로써 입체 이미지가 생성될 수 있는 방법에 의해 달성될 수 있다.
실험적으로(empirically), 상기 각도(±α)는 40° 내지 80°의 범위에서 선택되는 것이 확인되었다.
고품질의 이미지를 얻기 위해서, 상기 중성자 빔의 밀도가 모니터링되고, 상기 두번째 조사에 대한 노출은 상기 첫번째 조사에 대한 노출과 같은 중성자 흐름 밀도(neutron flow density)로 수행된다.
상기 중성자 방사선 촬영에 의한 시료 시험 방법의 구현을 위한 장치는, 중성자원, 시료를 위한 보호 컨테이너, 평면(flat) 방사화 검출기를 포함하는 검출 시스템을 포함하고, 추가적으로 중성자 검출기들을 고정하기 위한 직경형 그루브 (diametric groove) 형태의 마운팅 시트를 가지고 상부에 검출 시스템이 배치된 회전 림브 형태의 베드를 더 포함하며, 상기 림브는 상기 시료의 축과 평행한 축에 대하여 설정된 각도로 회전 가능하도록 마운트되고, 그 내부에 길이가 긴 시료의 통과를 위한 반원형 리세스를 가져 상기 림브가 중성자 빔의 방향에 대하여 각도 (αi)로 회전할 수 있다.
시료를 수용한 상기 보호 컨테이너는 상기 마운팅 시트 내에 위치되고, 잠금쇠(locker)에 의해 단단히 고정된다. 상기 림브의 회전 중심은 상기 베드 내에 일체로 형성된 볼-베어링에 마운트되고, 상기 림브는 상기 림브의 원형 트랙에 마운트된 롤러들 위에 놓이게 된다.
상기 검출기가 내부에 마운트되기에 적합한 너비와 길이를 가지는 직사각형 슬롯이 림브 지름 상에 형성된다.
상기 림브는 상기 중성자 빔의 축에 대하여 각도(αi)로 배향되는 선택된 위치들 중 하나에 마운트되고, 한 쌍의 측정들에서 상기 i는 서로 다를 수 있으나 엄격하게 규정되고 고정된 값들이다.
방사화될 플레이트들의 각 위치의 배향각(αi)을 조정하고, X-레이 이미지들의 쌍들을 획득함으로써, 두 단계 또는 세 단계로, 시료의 결함들의 가능한 패턴들, 셸(shell) 상태, 제조 과정에서 생성되거나 반응기의 조사(radiations) 및 고온의 집중적인 영향에 의한 변형의 결과로 생성된 결합부들(welds)을 완전히 나타낼(describe) 수 있다.
두 방사화 이미지들은 모두 상기 베드 상에서 시료의 위치 변화 없이 (강도 및 조성 면에서) 같은 중성자 빔에 의해 획득되어야 한다.
두 개의 검출기들을, 하나의 검출기는 각도 +α로, 다른 하나의 검출기는 (상기 빔 축에 대하여 180°회전된) 각도 -α로 반대 위치에 직렬로 마운트함으로써, 기결정된 이미지 확대율(=1/sinαi)을 가지는 입체 쌍(stereoscopic pair)을 형성하는 두 개의 시료 이미지들을 획득할 수 있게 된다.
3차원 중성자 방사선 촬영의 사용은 결함들을 촬영하는 일반적인 방사선 촬영 방법들에 비하여 시료의 결함의 시각적 분석의 범위를 상당히 확장한다.
상기 림브는 상기 베드 상에 회전 가능하게 마운트되고, 방사화 검출기를 위한 그루브, 및 180°의 중심각 및 시료가 수용된 컨테이너의 지름과 같은 너비를 갖는 원형 리세스가 구비되어, 다른 각도들에서 시료 이미지들을 생성하고, 시료의 3차원 이미지를 생성하기 위한 입체 쌍을 획득하는 것을 가능하게 한다.
상기 림브는 회전 및 고정 메커니즘에 의해 설정된 각도들로 자동으로 회전된다.
도 1은 본 발명의 장치의 개략도를 나타내고, 도 2(a)는 림브 상에 마운트된 상기 장치의 평면도를 나타내며, 도 2(b)는 그루브 내에 마운트된 검출기를 나타낸다.
시료(샘플, 시험 대상물; 2)가 보호 컨테이너(3) 내에 위치된다. 상기 컨테이너(3)는 마운팅 시트(5)에 의해 베드(4) 상에 배치되고 잠금쇠(6)에 의해 단단히 고정된다. 베드(4)는 180°의 중심각 및 시료(2)를 내부에 수용한 컨테이너(3)의 지름과 같은 너비를 가지는 원형 리세스(8)를 갖는 회전 기능한 디스크 형태의 회전 가능한 림브(7)를 구비한다.
림브(7)의 회전축(9)은 상기 베드(4) 내에 일체로 형성된 볼 베어링(10)에 마운트되고, 상기 림브는 롤러들(미도시) 상에 놓이고, 리세스(13)를 가진다. 높이가 방사선 촬영되는 시료(2)의 높이와 같은, 쌍을 이루는 방사화 검출기들(11, 12)은 그루브(8) 내에 교대로 마운트된다. 시료(2)의 하류에 마운트되는 중성자 검출기들(11, 12) 각각은 하나의 개체이거나 몇몇 부품들로 구성될 수 있다. (이미징 프로세스의 이후 단계들에서 사용되는 저품질 포토 재료들(photomaterials)에 의해 발생할 수 있는 사고들을 어느 정도 제거하기 위해) 통계적 목적으로, 같은 시료(2)가 상기한 방법으로 수 차례 검사될 수 있다. 알려진 회전 및 고정 메커니즘(14), 예를 들어 싱크로페어(싱크로 발전기 및 싱크로 수신기), 별도의 기어 드라이브, 고정 서포트 상의 상기 림브 하부의 홀(hole) 시스템 및 상기 림브(7) 상의 스프링-로드된 잠금쇠 등을 사용하여 상기 빔 축에 대한 중성자 검출기들의 선택된 회전 각도가 규정된다. 상기 적용되는 방법에서, 검출기들(11, 12)은 반드시 시료의 “방사선 촬영 관찰”의 첫번째 세션 및 두 번째 세션 동안에 중성자 빔이 구현되는 입사각인, 절대값이 서로 같은(|+αi|=|-αi|) 선택된 중성자 빔 입사각들로 회전되어야 한다.
상기 첫 번째 “방사선 촬영 관찰” 이후, 낮은 반감기를 가지는 방사화 검출기에서 발생한 방사화도(activity)의 양호한(손실 없는) 이미지를 촬영하기 위하여, 플레이트(11) 상에서 얻어진 방사화도 분포가 두 번째 조사를 위한 대기 없이 X-레이 필름으로 전송된다. 제2 방사화 검출기(12)(동일하게 낮은 반감기를 가짐)가 조사된 후, 이미지 캡쳐 공정이 반복되고, 얻어지 이미지는 제2 X-레이 필름으로 전송된다. 다음으로, 상기 X-레이 필름 상의 음화 영상들(negative images)은 차례로, 일반적인 방법으로 두 개의 복사물(photocopies)로 전송된다. 두 개의 X-레이 필름들(또는 복사물들)은 상기 이미지상들(aspects)을 하나의 3차원 시각적 개체로 조합하도록 구성되는 해당 입체 설비(stereoscopic equipment) 상에서 동시에 보여진다. 상기한 설비 및 두 개의 X-레이 필름들을 사용함으로써, 시료(2)의 3D-이미지를 생성할 수 있다.
하나의 방사선 조사에서 방사화 검출기들(11, 12)의 배향각(αi) 및 얻어지는 X-레이 이미지 쌍을 각각 변경함으로써, 두 단계 또는 세 단계로, 시료의 결함들의 가능한 패턴들, 셸 상태, 제조 과정에서 생성되거나 반응기의 조사 및 고온의 집중적인 영향에 의한 변형의 결과로 생성된 결합부들(welds)을 완전히 나타낼 수 있다.
1-시준된 중성자 빔; 2-시료; 3-보호 컨테이너; 4-베드; 5-마운팅 시트(소켓); 6-잠금쇠; 7-회전 가능한 림브; 8-그루브; 9-림브 회전축; 10-볼 베어링; 11, 12-방사화 검출기들; 13-림브상의 반원형 리세스; 14-림브를 기정의된 각도로 회전 및 고정하는 메커니즘.

Claims (6)

  1. 시료를 보호 컨테이너 내에 위치시키는 단계, 상기 보호 컨테이너를 마운팅 시트를 통해 베드 상에 위치시키고 그 내부에 단단히 고정하는 단계, 반원형 리세스를 갖는 회전 가능한 디스크 형태로 상기 베드 내에 일체로 형성된 림브의 그루브 내에 제1 검출기를 마운트하는 단계, 방사선의 방향과 상기 제1 검출기 사이의 각도(+α)를 설정하는 단계, 중성자 빔을 공급하는 단계, 조사 후에 상기 제1 검출기를 박스로부터 특수 컨테이너로 이동시켜 포토필름과 접촉하게 하는 단계, 제2 검출기를 상기 그루브 내에 마운트하는 단계, 방사선의 방향과 상기 제2 검출기 사이의 각도(-α)를 설정하는 단계, 조사를 실시하는 단계, 조사 후에 상기 제2 검출기를 박스로부터 제거하여 특수 컨테이너에 위치시킴으로써 포토필름과 접촉하게 하는 단계, 노출된 필름들을 처리하여 각도 ±α(|+α| = |-α|)에서의 이미지들을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 각도를 조절함으로써 입체 이미지가 생성될 수 있는 중성자 방사선 촬영 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도(±α)는 40° 내지 80°의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 중성자 방사선 촬영 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시료는 첫번째 조사 및 두번째 조사에 대한 노출 동안에 같은 중성자 흐름 밀도로 조사되는 것을 특징으로 하는 중성자 방사선 촬영 방법.
  4. 중성자 방사선 촬영에 의한 시료 시험 방법의 구현을 위한 장치로서, 상기 장치는 중성자원, 시료를 위한 보호 컨테이너, 평면 방사화 검출기를 포함하는 검출 시스템을 포함하고, 추가적으로 중성자 검출기들을 고정하기 위한 직경형 그루브 형태의 마운팅 시트를 가지고 상부에 검출 시스템이 위치되는 회전 림브 형태의 베드를 더 포함하며, 상기 림브는 상기 시료의 축과 평행한 축에 대하여 설정된 각도로 회전 가능하도록 마운트되고 그 내부에 길이가 긴 시료의 통과를 위한 반원형 리세스를 가져서, 상기 림브가 중성자 빔의 방향에 대하여 각도(αi)로 회전하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 림브의 회전 중심은 상기 베드 내에 일체로 형성된 볼-베어링에 마운트되고, 상기 림브는 상기 림브의 원형 트랙에 구비된 롤러들 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 림브는 회전 및 고정 메커니즘에 의해 설정된 각도들로 자동으로 회전되는 것을 특징으로 하는 장치.
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