공정유체 유동특성의 영상연구를 위한 방사형 콜리메이션 산업용 단일광자 단층촬영 장치 개발

Abstract

산업공정 내부에서 흐르는 다상 유체의 분포를 정확하게 예측하는 것은 효율적이고 안정적인 공정의 운영과 설계에 있어서 필수적이다. 이를 위하여 국내외에서는 다양한 방법들이 제안되어 왔으며, 특히 공정 내 주입된 방사선원의 분포에 대한 정보를 얻을 수 있는 산업용 단일광자 단층촬영법(single photon emission computed tomography, SPECT)은 공정 내 유체흐름 분포를 시각적으로 확인할 수 있는 가장 적합한 방법으로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 산업용 SPECT의 성능 향상을 위하여 방사형 콜리메이터의 사용을 제안하였으며, 방사형 콜리메이터를 적용한 12각형 산업용 SPECT을 제작하고 성능을 평가하였다. 먼저, 방사형 콜리메이터를 적용한 산업용 SPECT는 MCNPX 몬테칼로전산모사를 이용하여 기존의 평행형 콜리메이터 산업용 SPECT와 성능이 비교되었으며, 그 이점은 다음과 같았다. (1) 계측 효율 분포도에서 발생하는 가장자리 허상을 감소시키고, 총 계측효율을 약 19% 향상시킨다. (2) 영상 해상도를 약 36% 향상시킨다. (3) 선원 위치에 관계없이 선원의 정보를 재구성 영상에 정확하게 나타낸다. (4) 계측 시스템의 크기를 감소시킨다. 다음으로, MCNPX 전산모사를 이용하여 72개의 CsI(Tl) 계측기를 사용한 방사형 12각 산업용 SPECT를 개발하고, 6각형 및 24각형 산업용 SPECT와 성능을 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 12각형 산업용 SPECT는 다른 산업용 SPECT에 비해 뛰어난 성능을 보여주었다. 12각형 산업용 SPECT는 계측 효율 분포도에서 가장자리 허상이 나타나지 않았으며, 가장 높은 영상 해상도를 제공하였다. 또한, 12각형 SPECT는 유일하게 선원의 개수와 관계없이 선원의 정보를 정확하게 보여주는 영상을 제공하였다. 최종적으로, MCNPX 전산모사의 결과를 기반으로 방사형 12각 산업용 SPECT를 제작하고 성능을 실험적으로 평가하였다. 성능평가는 검사 대상체 내의 유체가 정지 상태와 유동 상태인 경우에 대하여 각각 수행되었으며, 선원이 유동 상태인 경우에는 선원의 움직임을 동영상으로 촬영하여 SPECT의 영상과 비교하였다. 실험 결과, 제작된 방사형 12각 산업용 SPECT의 영상은 선원의 상태와 관계없이 선원에 대한 정확한 정보를 제공하는 것을 확인할 수 있었다. |In industrial processes where multiphase flows are frequently encountered, it is important to examine the phase distribution and flow pattern for optimization of process efficiency, safe operation, and cost savings. One of the most suitable techniques of industrial-process flow-dynamics visualization is the single photon emission computed tomography (SPECT) system, which provides, by means of a process-system-injected radioisotope source, cross-sectional images of process flow. Obtaining reliable SPECT imaging results for a multiphase flow system, however, remains a significant challenge. In the present study, a 12-gonal diverging-collimation industrial SPECT system was successfully designed and constructed. The use of a diverging collimator for improvement of industrial SPECT system performance is herein proposed. The advantages of the diverging-collimation industrial SPECT system as compared with a previous parallel-collimation version by MCNPX simulation can be summarized as follows: (1) significant reduction of edge artifacts on a detection-efficiency map, and 19% improvement of average detection efficiency; (2) 36% improvement of image resolution; (3) accurate source region reconstruction even with the source positioned farther from the object’s center; (4) reduced system size. The 12-gonal diverging-collimation industrial SPECT system was modeled by MCNPX simulations, and its performance was compared with those of hexagonal and 24-gonal systems. Of all of the systems, the 12-gonal type showed the best performance, providing (1) a detection-efficiency map without edge artifacts, (2) the best image resolution, and (3) reconstruction images that correctly furnish multi-source information. Based on these results, a 12-gonal industrial SPECT system with a diverging collimator was constructed, and its performance was experimentally evaluated under both steady-state and dynamic-state conditions. Under the steady-state condition, the system’s reconstruction images accurately represent the source regions and sizes. Under the dynamic-state condition, the reconstruction images were compared with video frames as a function of time, revealing very comparable source-movement patterns.; In industrial processes where multiphase flows are frequently encountered, it is important to examine the phase distribution and flow pattern for optimization of process efficiency, safe operation, and cost savings. One of the most suitable techniques of industrial-process flow-dynamics visualization is the single photon emission computed tomography (SPECT) system, which provides, by means of a process-system-injected radioisotope source, cross-sectional images of process flow. Obtaining reliable SPECT imaging results for a multiphase flow system, however, remains a significant challenge. In the present study, a 12-gonal diverging-collimation industrial SPECT system was successfully designed and constructed. The use of a diverging collimator for improvement of industrial SPECT system performance is herein proposed. The advantages of the diverging-collimation industrial SPECT system as compared with a previous parallel-collimation version by MCNPX simulation can be summarized as follows: (1) significant reduction of edge artifacts on a detection-efficiency map, and 19% improvement of average detection efficiency