비파괴검사는 구조물, 배관, 용접 부위 등을 파괴하지 않고 표면 상태, 균열 등을 검사하는 방법이다[1]. 사용하는 방사선의 에너지는 일반적으로 ∼450 kV 정도를 사용하고 있으며, 이에 따라 검출시스템이 설계되었다. 작은 두께의 검사체를 검사하기 위해서는 ∼450 kV 정도의 에너지를 지닌 방사선을 사용하더라도 충분한 투과 및 검출로 영상화가 가능하다. 그러나 구조물의 두께가 두꺼워짐에 따라 사용하는 방사선의 에너지는 높아진다. 두꺼운 두께의 구조물을 검사하기 위해 고에너지 방사선을 이용하며, 주로 선형가속기를 통한 고에너지 X-선을 발생시키고, 검출기로는 비파괴검사용 검출기 또는 일반 의료용 X-선 검출기를 사용한다[2]. 이러한 검출기는 상대적으로 낮은 X-선을 검출하기 위해 개발되었으므로, 고에너지 방사선을 검출하기에는 사용되는 섬광체의 두께가 얇아, 충분한 검출이 이루어지지 않는다. 그러므로 구조물의 영상화에도 제한적이다.

본 연구에서는 고에너지 방사선의 충분한 검출로 구조물의 영상화에 보다 적합한 전용의 영상획득 시스템을 설계하였다. 기존에 사용하는 검출기에서 섬광체의 종류 및 두께 등의 변수를 다르게 설정하여 보다 향상된 영상을 획득하도록 설계하였다. 기존 시스템에서는 GOS 섬광체를 주로 사용한다. 파우더 또는 시트 형태로 섬광체를 구성할 수 있어, 광센서인 포토다이오드와 결합하여 검출기를 구성할 수 있다. 이러한 GOS 섬광체뿐만 아니라 다른 종류의 섬광체 및 두께의 변화를 통해 영상의 측정 정도를 평가하였으며, 평가된 결과를 바탕으로 우수한 섬광체 및 두께를 도출하였다. 설계한 영상획득 시스템의 평가를 위해 GATE[3, 4] 시뮬레이션을 수행하였다.

1. GATE 시뮬레이션을 통한 영상획득 시스템 설계

GATE는 Geant4 기반으로 설계된 시뮬레이션 툴로 방사선과 물질과의 상호작용에 대한 모사가 가능하다. 방사선원, 검출기, 팬텀 등을 설계할 수 있으며, 검출기에서 획득한 데이터를 사용하여, 검출기의 특성 분석 및 영상화를 수행할 수 있다. GATE를 통해 기존의 검출시스템을 설계하고, 향상된 성능의 영상획득 시스템을 설계하였다.

Figure 1은 X-선을 검출하기 위해 사용하는 검출기의 모습을 나타낸다[5]. 검출기는 X-선을 빛으로 변환하는 섬광체와 섬광체에서 발생된 빛을 수집하는 광센서 영역으로 나눌 수 있다. 이러한 검출기에서 사용하는 섬광체는 주로 CsI(Tl) 및 GOS[6, 7]를 사용하며, 두께는 ∼1 mm 정도를 사용한다. 의료용 및 비파괴검사에서 사용하는 방사선의 에너지는 ∼450 keV정도이므로 적절한 섬광체의 두께를 사용하였다. 그러나 고에너지 방사선을 검출하기 위해서는 보다 더 두꺼운 섬광체가 필요하며, 이를 적용한 검출기를 설계하여 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 시스템에서 사용하는 두께 1 mm 정도의 GOS 섬광체와 GOS와는 다른 종류의 섬광체인 GAGG[8]를 사용하여 검출기를 구성하였으며, 이때 GAGG는 5 mm 두께로 설정하였다. 이러한 두께에서 GAGG 섬광체는 511 keV 에너지에서 약 95%의 검출율 달성할 수 있다.

Figure 1. (Color online) Structure of an X-ray detector. It consists of a scintillator and a photodiode [Figure adapted from Ref. 5].

2. 영상획득 시스템의 영상 평가

Figure 2는 고에너지 방사선을 사용하는 비파괴검사에서 영상의 해상도 평가를 위한 시뮬레이션 구조를 나타낸다. X-선 발생기와 검출기 사이의 거리는 3 m이며, 검출기 전면에 100 mm 두께의 철 구조물이 있고, 그 전면에 해상도 평가를 위한 팬텀이 위치한다. 팬텀은 철 와이어로 구성되어 있으며, 크기는 0.81 mm – 2.54 mm 지름을 지녔다. Table 1에 해상도 평가를 위해 사용한 팬텀의 크기를 나타내었다. X-선은 9 MV를 모사하였으며, Fig. 3과 같이 에너지를 설정하였다[9]. X-선 발생기에서 발생된 X-선은 해상도 평가 팬텀 및 철 구조물을 투과하여 검출기에 검출된다. 검출기에서 획득된 데이터를 사용하여 해상도 평가 팬텀의 영상을 재구성하였다. 재구성된 영상을 바탕으로 섬광체의 종류 및 두께에 따른 평가를 수행하였다.

Figure 2. (Color online) GATE simulation structure for evaluating image resolution in non-destructive testing using high-energy radiation.

Figure 3. (Color online) Energy spectrum of 9 MV X-rays simulated by GATE simulation [Figure adapted from Ref. 9].

Table 1 . Wire diameter used for resolution evaluation.

	Diameter (mm)
Resolution phantom wire	0.81	1.02	1.27	1.60	2.03	2.54

고에너지 방사선을 검출하기 위해 기존에 사용하는 GOS 섬광체를 대체하여 GAGG 섬광체를 사용한 영상획득 시스템을 설계하였다. 비파괴검사에서 사용하는 검출기에는 1 mm 미만의 GOS 섬광체가 사용된다. 밀도가 높고 우수한 형광효율을 나타내어 사용되고 있다. 그러나 매우 작은 두께로 인해 고에너지 방사선의 검출에는 어려움이 따른다. 이에 밀도 및 빛 발생량이 우수한 GAGG 섬광체를 사용하여 검출기에 적용하였다. 5 mm의 두꺼운 두께를 적용하여 고에너지 방사선의 검출율을 높이고자 하였다.

Figure 4는 GOS 1 mm와 GAGG 5 mm를 사용하여 해상도 팬텀을 영상화한 것이다. 해상도 팬텀은 영상확인을 위한 5 mm 와이어와 0.81 mm, 1.02 mm, 1.27 mm, 1.60 mm, 2.03 mm, 2.54 mm로 구성되어있다. GOS 1 mm 섬광체를 사용한 영상시스템에서는 재구성한 영상을 확인한 결과 1.27 mm의 와이어까지 구분되는 것을 확인할 수 있다. 프로파일 상에서는 0.81 mm 및 1.02 mm도 관찰되는 것처럼 보이지만, 이는 매끄럽지 못한 프로파일로 인해 나타난 결과이다. 반면에 GAGG 5 mm 섬광체를 사용한 영상획득 시스템에서는 1.02 mm를 구분할 수 있으며, 0.81 mm의 와이어도 상당량 구분이 되는 것을 확인할 수 있다. 이를 명확히 확인하기 위해 각 영상의 프로파일을 획득하였다.

Figure 4. (Color online) Resolution phantom image reconstructed using GOS 1 mm and GAGG 5 mm.

Figure 5는 GOS 1 mm와 GAGG 5 mm를 사용하여 획득한 해상도 팬텀의 프로파일을 나타낸다. 획득영상에서와 마찬가지로 GOS 1 mm 섬광체를 사용하여 영상을 획득한 경우 1.27 mm까지 확실히 구분 가능함을 확인할 수 있으며, GAGG 5 mm 섬광체를 사용한 경우는 0.81 mm까지 프로파일 상 구분되는 것을 확인할 수 있다.

Figure 5. (Color online) Profile of the resolution phantom image reconstructed using GOS 1 mm and GAGG 5 mm.

본 연구에서는 고에너지 방사선을 사용하는 비파괴검사에서 우수한 영상을 획득할 수 있는 시스템을 설계하였다. 고에너지 방사선을 사용할 경우 기존의 검출시스템으로는 방사선의 충분한 검출에 어려움이 있으므로 영상의 질에 영향을 미친다. 현재 사용하는 검출기들은 얇은 섬광체와 섬광체에서 발생된 빛을 측정하는 광다이오드로 구성된다. 의료영상 및 비파괴검사에서는 ∼450 kV 정도의 X-선을 사용하므로, 얇은 섬광체의 사용이 가능하였다. 그러나 고에너지 방사선을 사용하는 비파괴검사에서는 얇은 섬광체를 사용하는 검출기에서는 충분한 방사선의 검출이 어렵고, 또한 높은 에너지와 다량의 방사선으로 인해 광센서의 손상이 발생할 수 있다. 그러므로 두꺼운 섬광체를 사용하면 고에너지 방사선을 충분히 검출하여 영상의 질을 향상시키고 광센서의 손상을 방지할 수 있다. 5 mm 두께의 GAGG 섬광체를 사용함으로써 해상도 팬텀을 영상화할 경우 더 미세한 구조물까지 영상화가 가능함을 확인하였다. 또한 방사선의 검출율이 향상되어, 즉 투과되는 양이 상대적으로 적어 광센서의 방사선에 대한 직접 노출을 감소시킬 수 있었다. 설계한 영상획득 시스템을 고에너지 방사선 사용 비파괴검사에 사용할 경우, 영상의 질은 향상시키고 광센서의 방사선에의한 손상은 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다. 향후 연구에서는 다양한 종류의 섬광체 및 여러 두께를 적용하여 최적의 검출기를 도출하고자 한다.

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (No. 2022R1I1A3064473).