Gamma-ray has been widely used in process diagnosis because of its deep penetration ability. Gamma column scanning, radioisotope tracer and gamma radiography are examples of gamma-ray applications in in-dustries. Recently there have been growing studies on gamma-ray tomography for process diagnosis in addi-tion to conventional gamma-ray technologies. In those studies, multi-phase flow measurement, process flow visualization and CFD validation have been achieved by gamma-ray tomographic system. There are many case studies on gamma-ray tomographic systems used in laboratories and pilot plants but few cases for real scale industrial system.
The main objective of this work is to develop a movable gamma-ray tomographic system for real scale industrial plants. To develop the movable gamma-ray tomographic system, some preliminary reviews has been made on the status of industrial process tomographic techniques such as electrical impedance tomogra-phy, X-ray tomography and gamma-ray tomography. From review results, it is considered that a fixed detec-tion system with a gamma-ray source is suitable for movable tomographic system. To actualize the fixed de-tection and rotating source system, 4th generation scheme by instant installation with a gamma-ray source and portable clamp-on gamma-ray tomographic system are proposed. As for 4th generation system, multiple dis-crete detectors are installed around large scale object and a source is designed to rotate inside detector circle. The general configuration is similar to medical 4th generation CT. But unlike a same type of a medical system, this system has adopted a gamma ray source and portable detection system. This system is aiming for large scale plants whose size is too big to be scanned by conventional tomographic systems. Monte Carlo simula-tions are performed to validate this method by generating virtual experimental data. The source and detector are simulated as 137Cs and 1/2 inch NaI detector. Image reconstructions are performed for Monte Carlo simu-lation data. In image reconstruction, Algebraic algorithm and statistical algorithm are applied and scatter ra-diations are evaluated. The image from virtual experiment shows that this method can be applied to large scale industrial object. The lab scale experiments with similar condition to the virtual experiment are carried out to confirm simulation results. From those preliminary results, an experiment with 60 Co has been carried out for a real plant and its result is promising.
In addition to 4th generation system, this thesis introduces a clamp-on tomographic system with 137Cs source as movable tomgoraphic system. The clamp-on gamma-ray tomographic system is modification of 4th gen-system. The detectors of the system can not fully cover 360 degree around an object and result in missing angle. This geometry can envelope and scan an object without disassembling of the tomographic system for fixed objects. The missing angle is used for inserting an object in clamp type system. Stable image reconstruc-tion condition is established for different missing angle conditions. Two kinds of phantom are used for Monte Carlos simulation. The Monte Carlo simulation data are reconstructed by ART, Total variation, EM and Con-vex PS algorithm. Images are reconstructed for stable image condition and insufficient data condition. The results show that images from stable reconstruction condition are similar to results from standard geometry without missing angle. Image results from insufficient data show some artifact but acceptable image in boundary condition. To realize the system, experimental system with compact CsI detector and motion control system have been developed. The experiments have been carried out with similar condition to simulation setup. The experiment confirms the simulation result and proves the feasibility of a proposed method.
감마선은 높은 투과력으로 인해 대형 산업설비 진단에 널리 활용되고 있다. 밀봉 감마선을 이용한 증류 탑 진단, 배관 진단, 방사성 추적자를 이용한 반응기 효율진단 등이 그 활용 예이다. 또한 최근 감마선 전산화 단층 촬영 장치를 이용하여 산업공정을 진단하는 기술이 국내외의 여러 그룹에 의해 개발되고 있다. 공업공정 진단을 위한 감마선 전산화 단층 촬영기술의 연구 동향은 평행 빔, 팬 빔 등의 구조를 갖는 영상장치를 이용하여 실험실 또는 파일럿 규모의 공정모사장치를 대상으로 하는 측정사례가 주를 이루며 이에 비해 실제 공정에 대한 측정에 대한 사례는 많지 않은 편이다.
본 연구에서는 산업적 활용가능성이 높은 이동형 감마선 단층 촬영 시스템 개발을 위해 기존의 공정진단을 위한 기술 중 감마선 단층 측정장치, 전기 임피던스 단층 측정 장치, X선 단층 장치 등에 대한 분석을 토대로 검출기 고정 및 선원 회전 형 측정구조를 이동형 감마선 측정구조로 채택하였다. 검출기 고정 및 선원 회전 형 측정구조의 실현을 위해 본 연구에서는 이동 설치 형4세대 감마선 단층 장치와 clamp-on이동형 감마선 영상장치를 제안하였다. 이동 설치 형 4세대 감마선 단층 장치의 경우 검출기를 대상 체 주변으로 고정되도록 설치하고 선원을 회전 시키는 것으로 기존 4세대 형 단층 측정 구조와 개념적으로 유사하도록 하였다. 제안된 구조에 대해 몬테칼로 전산모사를 통하여 가상 실험데이터를 생성하고 이에 대한 단면 복원을 실시하였다. 단면 복원은 대수적 방법과 통계적 방법에 대해 교차 적용하였으며 산란방사선에 의한 평가도 수행하였다. 가상 실험데이터에 대한 이미지 복원결과 제안된 방법의 타당성을 확인할 수 있었다. 가상 실험과 유사한 모사 조건에 대해 실험장치를 구성하여 실험 데이터를 통하여 확인하였으며 코발트 선원을 이용한 실 공정 규모 실증 실험을 통하여 가상 실험 결과에 대한 검증을 하였다.
또한 본 연구에서는 4세대 형 감마선 단층 측정장치와 더불어 clamp-on 이동형 감마선 단층 측정 장치를 개발하였다. Clamp-on 이동형 단층 촬영장치는 현장 설치 형4세대 형 감마선 영상장치를 일체형 장치로 발전시킨 것으로 137Cs선원을 이용하고 배관 형태의 공정장치에 부착하여 사용 가능하도록 설계하였다. 일부 엑스선 단층 측정장치에서 유사 측정구조를 갖는 경우 가있으나 본 논문에서는 제한 각을 대상체 삽입을 위한 구조로 활용하였으며 안정적인 이미지 복원을 위한 조건을 수립하였다. 두 종류의 가상 팬텀에 대해 몬테칼로 전산모사를 이용하여 가상 실험 데이터를 구하였으며 ART, Total Variation, EM, Con-vex PS 알고리즘을 통하여 이미지 복원을 수행하였다. 안정적인 조건과 불충분 조건에 대해 이미지 복원을 수행하였으며 이미지 복원 결과에서 안정적인 조건에서는 일반적 측정구조의 결과와 비슷한 수준의 결과를 보였으며 불충분한 조건에서도 일정 수준의 이미지 결과를 얻을 수 있었다. Clamp-on구조 장치의 실현을 위해 소형 감마선 검출기를 개발하였고 제한 각 구조를 갖는 선원 구동 시스템을 개발하였다. 실험 장치 구성 및 실험 데이터를 통하여 전산모사 결과를 검증하고 제안된 장치의 분석 데이터에 대한 타당성을 검증 하였다.
