Production Cross-Section Measurements of Medically and Technologically Important Radionuclides by Proton-Induced Reactions Below 40 MeV : 의료용 및 산업용으로 중요한 방사성 동위원소의 40 MeV 이하의 양성자 유도 반응에의한 생성단면적 측정

마인 우딘 칸다커 경북대학교 대학원 2008 국내박사

The study of light ion-induced nuclear reactions by versatile ion-accelerating machine cyclotrons leading to the production of radionuclides finds increasing importance in various practical applications. The gamma (γ) emitting diagnostic radionuclides can be produced by using both the nuclear reactors and the cyclotrons, but the positron (b+) emitting radionuclides can only be produced by using cyclotron via charged particle-induced reactions. On the other hand, the therapeutic radionuclides can also be produced by using both the nuclear reactor and the cyclotron. However, the later process for the production of therapeutic radionuclides is better due to the no carrier added (NCA) form and also with high specific activity nature. Regardless the production of the diagnostic or therapeutic radionuclides by using cyclotron, nuclear cross-sections and/or excitation functions play a crucial role for the optimization of their production condition. We measured production cross-sections of medically and technologically important radionuclides from the proton-induced reactions on natural molybdenum (Mo), tungsten (W), zinc (Zn), and zirconium (Zr) targets by using a stacked-foil activation technique in the energy range from threshold to 40 MeV at the MC50 cyclotron of the Korea Institute of Radiological and Medical Science (KIRAMS). A HPGe γ-ray detector (EG&G Ortec.) was used to measure the radioactivity of the residual nuclei in the activated foils without chemical separation. The HPGe-detector was coupled with a 4096 multi-channel analyzer (MCA) with the associated electronics to determine the photo-peak area of the gamma-ray spectrum and Maestro data acquisition software. The spectrum analysis was done using the program Gamma Vision 5.0 (EG&G Ortec). The proton energy for each foil in the stacks was determined by using the SRIM-2003 program. The beam intensity was monitored by using Cu and Al monitor foils. The uncertainty of proton energy for each foil in the stack was estimated by comparing the measured excitation functions of the monitor reaction natCu(p,x)62Zn with the recommended values and the individual uncertainties of the contributing processes were taken into account considering also cumulative effects. The following uncertainties were considered in order to derive the total uncertainty in each cross-section: statistical uncertainty of γ-ray counting (1-10 %), uncertainty in the monitor flux (~7 %), uncertainty in detection efficiency of the γ-ray detector (~4 %), uncertainty in decay data (1~2%), uncertainty in thickness measurement (~2%), and uncertainty in photo-peak area determination (~3%). The overall uncertainty in the cross-section measurements is around 9-16 %. The results were compared with the earlier reported experimental data and the model calculations using codes TALYS and ALICE-IPPE. The present values are in general good agreement with some of the previously reported literature data. The fitted excitation functions were used to select the most suitable energy range for optimum production of the medically and technologically important radionuclides with minimum impurity concentration from the simultaneously produced radionuclides. The suitable production circumstances for most of the important radionuclides (such as 99Mo/99mTc, 94mTc, 186Re, 67Ga, 61,62Cu, 86,87Y, 89Zr, and so on) are reported precisely in the conclusions of this thesis. It should be noted that the model codes describe well most of the investigated reaction channels, however, some deviations in absolute cross-sections were found especially in the α-emission reactions. The integral yields for thick target for produced radionuclides were deduced using the measured cross-sections and the stopping power of relevant targets from their respective threshold energy to 40 MeV. The data were obtained by assuming the beam current as 1 μA, and the irradiation time as 1 hour. The deduced integral yields were compared with the directly measured values available in the literature and found an overall good agreement with each other. 다목적 용 이온 가속 장치인 싸이클로트론 설비를 이용한 가벼운 이온 핵반응들에 대한 연구는 의료용 및 산업용 방사성 핵종의 생산을 비롯하여 방사선 차폐나 방사선 효과에 대한 연구 등 다양한 실용적 응용분야에서 그 중요성이 증가하고 있다. 그 이유는 감마 방출 진단용 방사성 핵종은 원자로와 싸이클로트론 양쪽에서 모두 생성되지만, 양전자(베타)방출 진단용 방사성 핵종의 생성은 전하를 띈 입자를 수반하는 반응들을 통해서 가능하므로 싸이클로트론 에서만 가능하기 때문이다. 또한, 치료용 방사성 핵종의 생성 역시 원자로와 싸이클로트론 모두에서 가능하지만, NCA (no carrier added) 수준과 높은 고유활동도의 특성을 갖는 방사성 핵종의 생산에는 싸이클로트론이 유용하다. 본 연구에서는 한국 원자력의학원의 MC-50 싸이클로트론에서 방출되는 양성자를 다양한 시료에 조사하여 의료용 및 산업용으로 중요한 방사성 동위원소들의 생성 단면적을 양성자의 에너지 함수로 측정하였다. 사용된 시료는 Mo, W, Zn, Zr 이고, 조사된 양성자 빔의 초기 에너지는 42 MeV 이다. 본 연구에서는 여러 장의 박막 시료를 동시에 쌓아서 양성자 빔을 조사하는 Stacked-foil 방사화 방법을 이용하였으며, 조사된 시료들은 높은 효율의 HPGe 감마선 검출기를 이용하여 방사능을 측정하였다. 각 방사화 박막 시료에 조사되는 양성자 에너지를 서로 다르게 하고 시료에 입사되기 전의 양성자 빔의 강도를 모니터 하기 위해서 Al과 Cu 박막을 사용하였다. 이 때, 각 시료에 입사되는 에너지는 MC 전산시늉프로그램인 SRIM-2003을 사용하여서 계산하였으며, 측정된 Cu의 양성자 반응 단면적으로부터 계산된 양성자 빔 에너지를 비교하여 보정하였다. 본 연구로부터 측정된 방사능 동위원소들의 생성 단면적 측정결과들은 기존 문헌의 값들과 비교 하였다. 한편, TALYS와 ALICE-IPPE 코드에 의해 계산된 값들과도 비교하였다. 양성자 에너지의 함수로 측정된 생성단면적은 의료용 또는 산업용으로 중요한 방사성 동위원소들의 순도를 높이는 생산 최적조건에 가장 부합하는 에너지 영역을 선택하기 위해 사용된다. 본 연구의 결과로 99Mo/99mTc, 94mTc, 186Re, 67Ga, 61,62Cu, 86,87Y, 89Zr 등과 같은 대부분의 중요한 방사성 동위원소들의 생성 최적에너지 영역을 결정하였다. 이론적 모형코드가 조사된 대부분의 핵반응들에 대해 제대로 기술하고 있지만, 특히 ?\ 방출 반응에 있어서 절대적인 반응 단면적에 약간의 차이가 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 측정된 방사성 동위원소들의 생성단면적과 SRIM 프로그램을 사용하여 계산된 40 MeV까지의 저지능 값들을 사용하여 두꺼운 시료로부터 생성되는 각 방사성 핵종의 누적생산량 (integral yield)을 계산하였다. 본 연구에서 얻은 누적 생산량은 두꺼운 시료를 사용한 실험에서 직접 측정된 문헌 값들과 비교하였으며, 대부분 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 얻은 누적 생산량은 높은 정확도를 가지고 실용적으로 활용될 수 있을 것이다. 양성자 빔 에너지의 함수로 측정된 양성자 유도 반응 단면적 측정 결과들은 향상된 정확도를 가지고 국제적인 핵 자료로 제공 될 수 있으며, 의료 및 산업용 방사성 동위원소들의 생산방법을 향상시키는데 중요한 자료로 사용될 것이다. 무엇보다도 전 세계적으로 부족한 핵 반응 단면적 측정결과에 보탬이 되었고, 의료 및 산업용 방사성 동위원소의 생성에 필요한 자료로 활용되어 질것이다.

포항중성자 설비에서 Mo, Ta, Bi, Hf 시료의 중성자 전단면적 및 공명상수 측정 : Measurements of Neutron Total Cross-sections and Resonance Parameters of Mo, Ta, Bi, and Hf at the Pohang Neutron Facility

미야지모이눌허크 경북대학교 대학원 2005 국내박사

(초 록) 포항중성자 설비에서 Mo, Ta, Bi, Hf 시료에 대한 중성자 전단면적을 비행시간법을 이용하여 각각 중성자 에너지 영역 0.01~200 eV, 0.01~100 eV, 0.01~400 eV 그리고 0.1 ~ 100 eV에서 측정하였다. 그중에서 Mo, Ta, Hf 시료에 대해서는 SAMMY 코드로 측정된 전이률을 fitting 하여 공명 상수들을 구하였다. 포항중성자 설비는 전자선형가속기, 물로 냉각하는 Ta 표적, 10.8 m (나중에 12.1 m)의 비행시간 경로, 시료교환기, 그리고 중성자 검출기로 6LiZnS(Ag) 신틸레이터로 구성되어져 있다. 전자선형가속기는 RF-전자총, 알파형 자석, 4개의 사극자석, 두개의 SLAC형 가속장치, 3중형 사극자 그리고 빔 분석 자석으로 구성되어져 있다. 첫 번째 가속장치와 두 번째 가속장치사이에는 2 m의 공간이 있는데, 이것은 향후 다른 연구를 위해서 에너지 보상 자석이나 빔 이송을 위한 자석을 설치할 공간이다. 가속기의 전체 길이는 약 15 m 이다. 최대 전자빔 에너지는 75 MeV 이다. 직경 4.9 cm이고 길이가 7.4 cm인 물로 냉각하는 Ta 표적은 10개의 Ta 판이 0.15 cm의 간격으로 배열되어져 있다. 표적의 겉면은 0.5 mm 두께의 타이타늄(Ti)으로 만들어져 있다. 표적은 빠른 속도의 중성자를 감속하기위하여 직경 30 cm 높이 30 cm 이고 두께가 0.5 cm인 알루미늄 원통으로 만든 물 감속장치의 중심에 설치되어진다. 비행시간경로는 약 10.8 m 이었는데 나중에 12.1 m로 확장하였다. 비행경로안의 중성자 관은 직경 15 cm 와 20 cm로 된 강철로 만들어져서 입사하는 전자빔에 대하여 수직으로 설치되어졌다. 중성자 관내부에는 H3BO3, Pb, Fe으로 만든 콜리메이터의 직경이 10 cm에서 시작하여 시료교환기에 있는 중심부에서는 직경이 약 5cm 가 되도록 배치하였고, 다시 넓어져서 중성자 검출기가 있는 끝 부분에는 직경이 8cm 가 되도록 하였다. 표적과 검출기가 있는 방 사이에는 1.8 m 두께의 콘크리트가 있다. 중성자 전단면적은 중성자가 시료를 통과하는 전이률을 측정함으로 결정할 수 있다. 시료는 비행경로의 중앙지점에 4개의 시료 장착을 할 수 있는 자동 시료교환 장치를 설치하여 주기적으로 중성자 빔 라인에 들어가도록 한다. 자동 시료교환 장치는 4개의 원형 디스크로 되어있으며, 각각의 직경은 8 cm 로 중성자 빔 라인에 있는 콜리메이터와 일치하도록 하였다. 서로 반대편의 두 구멍 중심사이의 거리는 31 cm이다. 중성자 검출기는 중성자 표적에서 10.8m (12.1m) 떨어진 지점에 설치하였다. 직경 12.5 cm 두께 1.6 cm인 6LiZnS(Ag) 신틸레이터(BC702)를 중성자 검출기로 사용하였다. BC702는 열중성자 및 아열중성자를 검출하기에 적합한 검출기로 감마선에는 덜 민감하여, 감마선 백그라운드가 높은 곳에 사용하기에 좋다. 중성자 전이율 측정 실험에 사용되는 데이터 획득 장치는 두 가지를 사용 한다: 즉, NIM을 기반으로 하는 장치와 CAMAC을 기반으로 하는 장치이다. NIM 기반 장치의 주요 목적은 중성자-감마선 분리를 목적으로 하면서 중성자 TOF 스펙트럼 측정을 하는데 사용 할 수 있다. CAMAC 기반 장치는 데이터 획득이 주 목적임과 동시에 시료교환기를 자동으로 조정하는 데 사용되어진다. 실험 중에는 전자가속기의 전자빔에너지는 65 MeV이고, 가속장치 끝에서 측정된 전류는 30~100 mA 이고, 펄스폭은 1.0~1.8 μs, 그리고 빔 반복율은 10~12 Hz이였다. 전자빔의 직경은 30 mm 이하였다. Mo, Bi, Hf 시료에 대한 데이터 획득시간은 각각 48, 48, 7.5시간이고, 각각의 경우 시료가 없는 경우 즉 open beam인 경우도 같은 시간동안 데이터를 획득하였다. Ta 시료인 경우에는 두께가 0.45, 1.0, 2.0, 4.0 mm인 서로 다른 시료들을 사용하여 각 시료들에 대해서 45, 61.25, 61.25, 45 시간씩 측정하였다 이때에도 open beam에 대해서 같은 시간동안 데이터를 획득하였다. 이러한 시료에 대한 측정 실험과 별도로 백그라운드를 예측하거나 에너지 교정을 하기위하여 Co, In, Cd과 같은 공명에너지가 뚜렷한 notch filter를 사용하여 측정 실험을 하였다. Mo, Ta, Bi, Hf 시료들에 대한 중성자 전단면적을 통계적 오차가 각각 5~15%, 5%, 10~15%, 그리고 1~50% 로 측정하였다. 측정 결과는 일반적으로 ENDF/B-VI.8에의한 평가 값과 다른 실험 그룹들에 의해서 측정된 결과들과 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. Mo, Ta, Hf의 공명상수들을 도플러 효과, 에너지 분해능에 대한 효과를 고려하고, Baye의 일반적인 최소 좌승법을 이용한 SAMMY 코드로 전이율을 fitting하여 결정하였다. 측정된 공명상수들을 Mughabghab 결과와 다른 실험에 의한 결과들과 비교하였다. 일반적으로 여기서 측정된 공명 상수들은 ENDF/B-VI.8에 의한 평가 값과 다른 실험 그룹들에 의해서 측정된 결과들과 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.

Cross-sectional Study and Topology Optimization for Axial Crashworthiness of Thin-walled Structures : 얇은 벽 구조물의 축 방향 충돌성에 대한 단면 연구 및 토폴로지 최적화

Mohammadmahdi, Davoudi 경북대학교 대학원 2018 국내박사

이 연구는 두 단계로 구분됩니다. 1 단계는 다양한 단면을 결합한 얇은 벽 구조의 축 방향 충돌 성 평가입니다. 두 번째 단계는 비선형 플라스틱 좌굴과 소성 힌지의 위치를 고려한 축 방향 충돌 하에서 얇은 벽 구조물의 충돌 특성에 대한 위상 최적화입니다. 첫 번째 단계는 축 방향으로 동적 압축을 받는 얇은 벽 구조의 충돌 성을 높이기 위해 3 가지 결과 단계로 분류됩니다. 첫째, 수치 해석을 통해 가장 가혹한 얇은 벽 구조를 추출하기 위해 각 원주 단면 튜브의 장점을 얻습니다. 둘째, 적절한 결합 단면이 설계되고 구조물의 충격 강도 (EA, Fmean, Fmax, CFE and CS)가 크게 개선되었음을 보여줍니다. 설계된 구조는 Fmax를 극적으로 줄이기 위해 충돌의 처음 단계에서 작동하는 정사각형 충돌 상자의 조합입니다. 나머지 단계에서는 원형 단면이 EA 및 Fmean을 최대화하고 CS를 감소시키는 데 사용됩니다. 이 아이디어는 구조의 충돌 가능성을 제어하고 향상시키는 데 도움이 됩니다. 셋째, 각각의 결합 된 섹션에 대한 최적의 길이를 얻기 위해 철저한 연구가 수행됩니다. 구조의 CFE는 사각형 단면에 비해 15 % 증가하고 CS감소에도 불구하고 원형 단면에 비해 78 % 증가했습니다. 사각형 교차 튜브의 수치 결과는 기존 분석 솔루션과 비교됩니다. 또한 다른 단면에 대한 수치 결과는 문헌과 유사한 경향을 보여줍니다. 이 두 사실은 얻어진 수치 결과의 타당성을 나타냅니다. 두 번째 단계는 위상 최적화 (TO) 관점에서 얇은 벽 구조의 축 방향 충돌에 초점을 맞춥니다. 위상 최적화가 선형 정적 문제에 대해 설정되었지만 비선형 플라스틱 문제를 해결하려면 더 많은 노력이 필요합니다. 주요 충돌 에너지 흡수 메커니즘 인 크래시 유발 변형을 고려하여 박판 크래시 박스의 소성 힌지의 최적 위상 및 위치를 찾기 위해 등가 정적 하중 (ESL)을 사용하는 새로운 TO 접근법을 제안합니다. FEM의 충돌 해석과 함께 속도 비례 가소성을 갖는 모든 비선형성을 고려하여 이 높은 값의 하중을 제거하지 않고 적절한 시간 증분 ESL을 사용하여 이 방법을 개발했습니다. 분석 결과 최적의 위상을 가진 크래시 박스는 원래 구조와 동일한 에너지 흡수 능력을 보여줍니다. 제안된 방법은 저속 충돌 상자와 고속 충돌 대상 이중 셀의 두 가지 충돌에 대해 평가된다. 결과는 이 방법이 비선형 분쇄 거동과 적절한 경첩의 위치를 포착함을 나타내며, 적절한 보강이 이루어지면 에너지 흡수가 향상 될 수 있습니다. This research is divided into two phases. Phase one is evaluation of the axial crashworthiness of thin-walled structures with various and combined cross sections. The second phase is topology optimization for crashworthiness of thin-walled structures under axial crash considering nonlinear plastic buckling and locations of plastic hinges. The first phase is categorized in three consequent steps to increase the crashworthiness of thin-walled structures subject to dynamic compression in the axial direction. First, a numerical analysis obtains the advantage of each circumferential cross-sectional tube to extract the most crashworthy thin-walled structure. Second, an appropriate combined cross section is designed, and it demonstrates a significant improvement in the crashworthiness (EA, Fmean, Fmax, CFE and CS) of the structure. The designed structure is a combination of a square crash box to work at the first time steps of a collision to dramatically decrease Fmax. For the rest of the steps, a circular cross section is used to maximize EA and Fmean, and decrease CS. This idea helps to control and enhance the crashworthiness of the structure. Third, a thorough research is done to obtain the optimum length for each of the combined sections. The CFE of the structure increased by 15% compared to the square section, and 78% compared to the circular section in spite of decreasing CS. The numerical result of the square cross tube is compared with the existing analytical solution as a sample. Furthermore, numerical results for other cross sections show similar trends to the literature. These two facts indicate the validity of the obtained numerical results. The second phase focuses on axial crashworthiness of thin-walled structures from topology optimization (TO) viewpoint. Although topology optimization is established for linear static problems, more efforts are required for solving nonlinear plastic problems. A new TO approach with equivalent static loads (ESLs) is suggested to find optimum topologies and locations of plastic hinges of thin-walled crash-boxes by considering crash-induced deformations, the main crash energy-absorbing mechanism. Together with FEM crashworthiness analyses, considering all nonlinearities with rate-dependent plasticity, the method was developed by means of an appropriate time incremental scheme of ESLs without removing any of these high values of loads. Analyses show the crash-boxs with optimum topologies show an equivalent energy-absorbing capability to the original structure. The proposed method is evaluated for two different crashes, a crash-box at low speed and a double-cell subjected to high speed collision. The results indicate this method captures nonlinear crushing behaviours and accurately locations of plastic hinges where if proper reinforcements are made, energy absorption can be enhanced.

(The) influence of cross-section profiled fiber geometry on liquid water transport and subjective wet sensation of knitted fabric

박은진 Graduate School, Yonsei University 2018 국내박사

이형단면 섬유로 제작된 흡한속건소재는 인체로부터 발산하는 땀을 빠르게 배출하는 원단으로 현재 기술의 발달과 수요의 증가에 따라 기능별로 다양하게 생산되고 있다. 이에 본 논문은 기공의 크기와 분포가 다른 아웃도어 스포츠웨어용 흡한속건소재 내 섬유 단면에 따른 액체 수분 전달 특성을 측정방법에 따라 비교 분석하고, 모세관 현상에 따른 섬유 내 수분 이동을 3D 프린팅과 유체역학 프로그램(CFD)을 통해 실제 수분 전달을 예측하고자 하였다. 또한, 수분전달 특성의 객관적인 평가방법 및 CFD를 통해 실제 예측한 수분전달력과 착용자가 느끼는 주관적 감각 및 미세기후를 평가하여 주관적 착용감의 관계를 분석하고자 하였다. 섬유의 단면 모양, 굵기, 가닥수가 다르면서 같은 굵기를 갖는 세 종류의 폴리에스터 100% 원사를 시료로 선정하였다. 36가닥의 클로버 모양을 가진 이형단면 섬유로 이루어진 원사, 72가닥의 이형단면 섬유로 이루어진 원사와 36가닥의 원형단면 섬유로 이루어진 원사 3 종류이며, 각 원사들로 원단 3 종류도 편직하였다. Capillary flow porometer를 사용하여 니트 시료의 기공 크기 및 분포를 측정하였으며, 3D 프린팅 기술을 이용하여 기공도가 동일한 이형단면 섬유의 배열에 따른 모세관력을 살펴보았다. 이와 더불어 기공의 둘레 및 섬유의 이형도가 모세관력과 섬유 내 수분의 이동에 미치는 영향을 보다 현실에 가깝게 연구 및 고찰하기 위해 유체역학 프로그램을 통해 비교 분석하였다. 수분전달특성은 심지흡수력, 흡수속도, 투습도 및 수분제어성능 실험을 통해 평가하였으며, 피험자를 이용한 패치테스트를 통해 수분전달특성과 관련한 미세기후를 측정하고 피험자가 느끼는 습윤감을 평가하였다. 피험자를 통한 결과와 객관적인 실험을 통해 측정한 결과를 비교 분석하여 실제 섬유 단면 모양이 습윤감에 미치는 영향을 살펴보았다. 그 결과 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다. 첫째, 기공도가 동일한 실 내부에서 이형단면 섬유의 배열을 다르게 할 경우 모세관력도 함께 변화하였다. 원형단면을 가진 섬유가 만들어 내는 기공의 둘레는 같은 면적을 가지는 원형 모양의 기공 둘레에 비해 2.2배 길고, 이 때문에 일반적으로 모세관력 또한 2.2배 정도 좋다고 알려져 있다. 그러나 이는 이형단면의 섬유가 만들어 내는 섬유의 배열에 의한 기공의 크기 효과를 모두 고려하지 못한 값이다. 이형단면 섬유의 배열에 의해 실 내에 기공의 크기 및 배열이 달라지게 될 경우, 이론적인 계산보다도 더 크게 나타나는데 이 때 모세관력은 2.29배에서 2.37배 정도까지도 우수한 것으로 나타났다. 둘째, CFD를 통해 모세관 반지름에 따른 모세관력과 섬유의 배열에 따른 모세관력을 살펴보았다. 모세관 반지름에 따른 모세관력의 경우 섬유의 반지름이 20μm 이하에서는 기공의 반지름 크기가 감소하더라도, 일반적인 경향성과 다르게 모세관력이 증가하지 않고 감소하는 사실을 알 수 있었다. 이는 섬유와 수분간의 표면장력보다 중력이 더 크기 때문인 것으로 사료된다. 섬유 배열에 따른 모세관력의 경우, 같은 이형단면 섬유로 기공을 구성한다고 할 때 어떻게 배열하느냐에 따라서 유량이 차이가 거의 없을 수도 있고, 3배 정도까지 차이 날 수 있어 섬유의 배열이 수분전달에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 셋째, 수분 전달 시 섬유의 수와 섬유의 이형단면 모양이 건조 속도에 영향을 미쳤으며 섬유의 이형화가 클수록, 같은 이형 단면을 가진 섬유의 경우 섬유의 수가 많을수록 건조 속도가 우수하였다. 넷째, 수분의 흡수성질을 결정하는 수분제어성능 실험(MMT)의 경우 섬유 단면의 이형성이 증가할수록 수분을 이동시킬 수 있는 기공이 많아지고 기공의 크기가 감소하여 기공크기에 반비례하는 모세관력이 증가하였다. 이에 따라 shape factor가 크고 섬유의 굵기가 가늘수록 이면에서 표면으로의 수분전달거동이 좋게 나타남을 알 수 있었다. 다섯째, 심지흡수력은 실과 그 실로 니팅된 시료로 두 가지로 나누어 살펴본 결과 이형단면을 가진 굵기가 얇은 섬유로 구성된 실의 심지흡수력이 가장 우수한 것으로 나타나 실 상태의 심지흡수력은 섬유의 이형화 정도보다 섬유의 굵기에 더 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 니트시료의 경우 시료별로 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 실이 꼬이고 니팅이 되는 과정에서 미세 기공들이 줄어들어 시료들 간에 큰 차이가 나지 않는 것으로 사료된다. 여섯째, 서로 다른 섬유의 이형단면과 섬유단면이 동일할 때 섬유가닥의 수가 변화함에 따라 시료간에 피험자가 느끼는 습윤감에 차이가 있는지를 패치테스트로 실험하였다. 그 결과 땀이 발생하게 되는 그 시점의 몇 분만 차이를 보이며, 땀 발생 후 5분이 넘어가는 시점부터는 피험자들이 습윤감을 비슷하게 느끼는 것을 볼 수 있었다. 이후에는 온도 변화가 크지 않았으며 시료간에도 차이가 거의 없었다. 이상의 연구결과로부터 섬유의 이형단면화와 섬유의 굵기가 수분전달 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 이로 인해 나타나는 미세기후 온도 및 상대습도변화를 통해 습윤감과의 관계를 살펴 보았다. 실과 니트시료 모두 섬유의 이형화, 섬유의 굵기, 실 내의 섬유 배열이 수분 전달에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그러나, 실제 의복으로 사용되는 니트타입의 시료는 미세기후 변화 및 습윤감에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 또한 본 연구를 통해 섬유 단면의 이형 정도, 같은 굵기 실 내부의 섬유의 개수와 이들이 유체전달특성에 미치는 영향을 비교 분석 및 고찰할 수 있었으며, 이들 결과들을 통해 3D프린팅 기술과 CFD 프로그램을 이용하여 흡한속건소재의 쾌적성 향상을 위한 섬유의 구조설계에 활용될 수 있음을 보여준다. 그러나 본 연구는 패치 테스트를 이용하여 착의 상태를 모델링하여 본 것으로, 흡한속건소재의 이형단면 섬유가 스포츠웨어용 소재 내에서 효과가 있는지를 더 확실히 검증 하기 위해서는 실험실 수준에서 실험하기 보다 실제 의복착용 계절에 맞고 착의 시 직면하게 되는 외부환경에서 피험자 평가가 후속연구로 이루어져야 할 것이다. The aim of this study is to identify factors which influence the capillary flow of liquid water through the yarn and plain knitted fabric structure. Cross sectional shape of fiber and the number of fiber strands were used as parameters in order to investigate the effect of liquid water transport. For better understanding of the internal structures of the yarn formed by cross-section profiled fibers, the objective experiments of liquid water transport and micro-structural analysis of the yarn using 3D printed specimens and computational fluid dynamics (CFD) were conducted. Additionally, patch test for subjective wet sensations was also performed. Three different polyester fiber along with the number of fibers in a yarn and two cross-sectional shapes were selected to produce three sets of plain knitted fabrics. In studying liquid water transport properties of specimens, the experiments of water vapor transmission rate, drying rate, moisture management test (MMT) and wickability were evaluated. To conduct micro-structural analysis of the fabrics which is crucial for a better understanding of the various structural aspects of liquid water flow through plain knitted fabric, image analysis with 3D-printed samples were adopted. The effects of capillary radius on capillary flow through the yarn were examined numerically by using CFD. From the results of the numerical solution, the capillary flow pattern and the capillary height in the pores by size were obtained. The thermophysiological properties and wet perception were assessed and experimentally evaluated using patch test with 8 human subjects. The results obtained in this study were as follow: From image analysis using 3D-printing and CAD program, it was confirmed that the arrangement of the fibers has a significant influence on the capillary flow in the pores. It is also shown that the capillary pressure was changed even when the arrangement of the cross-sectional fibers was different in the yarn having the same porosity. It is generally known that the capillary pressure of about 2.2 times better due to the perimeter of the pores produced by the pores having the same area as the pores formed by the fibers having the circular cross section. Due to the arrangement of the cross-section fibers, capillary pressures can increase from 2.29 to 2.37 times the theoretical calculation if the size and arrangement of the pores in the chamber is changed. The capillary pressure according to capillary radius and fiber arrangement were examined through CFD. Capillarity is primarily dependent on the pore radius. From CFD analysis, the capillary phenomenon between the fibers were observed. The results showed that the capillary radius of pore formed by fibers must be at least 20μm. When it is less than 20μm, the capillary pressure is influenced by cohesion between water molecules and adhesion between liquid water and fibers, and the height cannot be raised even though the radius is small. In the case of capillarity according to the fiber arrangements, the simulation with CFD can be used. Even though the pores are composed of the same cross-sectional fibers, there could be almost no difference or increase up to 3 times in flow rate depending on how it is arranged. The results of the moisture management test (MMT), which determines the water absorption properties showed that knitted fabrics composed of fibers in their different fiber cross-sectional shape have different moisture management properties. When the degree of shape factor increases, water absorption increase. As a result, it was found that behavior of the liquid water transfer from the back to the surface was better when the shape factor was larger and the fiber thickness was smaller. The wicking pressure is divided into the yarn and the knitted fabric, the wickability of the yarn composed of the finer fiber having the clover shaped cross section is the best. This is because the wickability was influenced by the thickness of the fiber than the shape factor of profiled fiber. Increasing fiber number in a yarn or employing non-circular fibers brings about an increase in liquid water transport attributable to enhanced availability of pores to transfer the liquid water in the fabric structure. However, there was no significant difference in the knitted samples. It suggests that the micro pores are reduced during twisting and processing of knitting. To study the wet sensation, patch test on the arm of subject were performed. The microclimate temperature, microclimate humidity and wet sensations were measured. There was significant difference only a few minutes at the moment of sweat pulse and the wet sensations of the subjects were almost similar.

Development of MICROMEGAS and measurements of (n,xn) cross section for fast neutrons

김도윤 성균관대학교 일반대학원 2015 국내박사

As a possible solution for the present nuclear energy issues, the Accelerator Driven System (ADS) has been proposed. The ADS is a sub-critical fast neutron system driven by a high energy proton accelerator. High energy proton beams generate neutrons through spallation processes. The generated neutrons sustain the chain reactions in the subcritical system. The subcriticality is represented by the effective neutron multiplication factor keff. keff is usually chosen to be in the range between 0.955 and 0.98 for safety. Therefore, the neutronics is very important. (n,xn) reaction is one of the source of neutrons. Therefore, (n,xn) reaction is very important to keep the effective neutron multiplication factor keff = 0.98. However, cross sections of a number of (n,xn) reactions are not available in literature, and reported data often have discrepancies. Most of the evaluated nuclear data libraries have neutron induced cross section data evaluated up to 20 MeV, while (n,xn) data at incident neutron energies higher than 20 MeV are needed to develop fast neutron systems. Therefore, it is necessary to do experiments to measure fast neutron cross sections. To obtain an accurate (n,xn) cross section, a monoenergetic neutron facility such as a neutron time-of-flight (n-TOF) facility is necessary. A neutron TOF facility is not available in Korea, and thus we attempted to extract (n,xn) cross sections by using neutrons with continuous spectra with an approximation. Our aim is twofold in this thesis: one is to develop the MICROMEGAS detector and have a good understanding of its characteristics and performance for neutron flux monitoring. Second is to suggest a method of using continuous neutron spectra to obtain the (n,xn) cross section for fast neutrons. As a neutron source, we used neutrons over a wide range of energies produced by proton beams of the MC-50 cyclotron at the KIRAMS. To test the neutron flux generated by MC-50 which was calculated by using GEANT4 Monte Carlo simulation, we tried to measure the neutron flux by using the MICROMEGAS detector and compared the experimental flux with the calculated neutron flux. The neutrons can be detected by MICROMEGAS through the nuclear reaction such as 10B(n,α)7Li with 10B deposited on the cathode plate. Thus the detection of α (and 7Li) which are generated by the 10B(n,α)7Li reaction is crucial. Before developing MICROMEGAS for detecting α, we first used it to detect X-rays. Using standard X-ray sources such as 55Fe and 109Cd, we measured the characteristics and performance of MICROMEGAS for photons and compared them with our GARFIELD simulation results. After successful calibration of MICROMEGAS for photons, we used 241Am as a standard α source, and measured the spectrum of α with different energies by changing the flight distance of α from 241Am source. The experimentally measured channel number for peak positions for different α energies was compared with the calculated deposit energy of α in the detector by using GEANT4 simulation, and the calibration of MICROMEGAS for α was successfully done in this way. In the measurement of (n,xn) cross sections, we considered two samples. 89Y is an element used in the reactor structure materials. 209Bi is used as a coolant for Pb-Bi eutectic. There is no experimental (n,2n) data on 89Y at the neutron energies 30 ~ 60 MeV. The (n,4n) experimental data on 209Bi have large errors at the neutron energies around 30 ~ 40 MeV. To obtain the cross section for 89Y(n,2n)88Y and 209Bi(n,4n)206Bi reaction, Y and Bi samples were irradiated by the neutron spectra from MC-50 cyclotron. The gamma-ray activities of the samples were measured by the HPGe detector, and were used to extract the cross section of 89Y(n,2n)88Y and 209Bi(n,4n)206Bi by using an approximate subtraction method. The preliminary results show large uncertainties in the measured cross section, but we can show the possibility to measure the (n,xn) cross section for fast neutrons by using wide range neutron spectra and an approximate subtraction method. Further detailed analyses are needed with more experimental statistics and better simulation of neutron flux. Also, further development of MICROMEGAS as an on-line, compact detector for neutrons and α will be useful for many application purposes.

One-dimensional Modeling of Thin-walled Beams with Arbitrary Cross-sections and Their Jointed Structures

김재용 서울대학교 대학원 2021 국내박사

In a one-dimensional analysis model, displacement field is expressed by cross-section modes. In the classical beam theories, since only six rigid-body cross-section modes are considered, detailed behaviors cannot be expressed, leading to a stiffer structural rigidity compared to three-dimensional analysis models. This limitation can be overcome by considering higher-order modes that represent distortion or warping deformations of a cross-section. Although an accurate analysis of a single beam can be made through this advanced approach, it also arouses another difficulty when analyzing beam structures like space frames. At joints of a beam structure, where multiple beams are connected, joint conditions are needed to define coupling relations of the cross-section modes. In the classical beam theories, a coordinate transformation matrix for the rigid-body cross-section modes can be used as a joint condition. However, when considering the higher-order modes in addition to the rigid-body cross-section modes, a standard transformation is no longer valid, since the higher-order modes have no resultant. In this thesis, fist, a new process to derive cross-section modes is proposed. Equations of cross-section modes are derived from the constitutive relations for a plane stress state, then, the equations are transformed to an eigenvalue problem using mode orthogonality condition. Finally, a set of the cross-section modes are defined through the inner products of a basis function vector and obtained eigenvectors. As this process is repeated, the cross-section modes are recursively derived from the lowest set to higher sets. Second, this thesis proposes a new joint condition that is applicable to a joint of thin-walled beams analyzed by the higher-order modes as well as the six-rigid body modes. The proposed joint condition is defined using the continuities in displacements and rotations at designated connection points along the beam sections. The proposed joint condition two unique features; the connection points are set in a consistent way, and additional displacements induced by mismatch between the beam section and the joint section are taken into account. Without this theory using these features, accurate analyses of complicated beam structures would be impossible. Several numerical case studies covered in this dissertation show that the proposed approaches for the one-dimensional modeling are appropriate to analyze a complicated beam structure with arbitrary sectioned members. 일차원 해석 모델에서는 단면 모드를 통해 변위장이 표현되기 때문에 고려되는 단면 모드의 정의 방법과 개수는 해석 정확도에 큰 영향을 미친다. Euler-Bernoulli 보나 Timoshenko 보 이론과 같은 고전 보 이론에서는 여섯 개의 단면 강체모드만이 고려되기 때문에 상세 변형이 표현되지 않으며, 결과적으로 실제보다 구조 강성이 높게 계산된다. 이와 같은 고전 보 이론의 한계점은 보 단면의 뒤틀림(distortion)이나 일그러짐(warping) 변형을 나타내는 고차 모드를 고려함으로써 해결될 수 있다. 고차 모드는 보의 복잡한 변위 분포를 표현함으로써 강성이 정확하게 평가되도록 하며 역학적 특성을 반영할 수 있도록 정의되어야 한다. 고차 모드는 연결된 보 구조물 해석 시 주의 깊게 다뤄져야 한다. 일차원 해석 모델에서는 여러 개의 보가 연결되는 조인트에서 단면 모드 커플링 관계(조인트 조건)가 정의되어야 한다. 고전 보 이론에서는 단면 강체모드의 조인트 조건이 좌표 변환 행렬을 이용해 간단하게 정의되지만, 결과력을 발생시키지 않는 고차 모드의 경우 방향성을 지니지 않기 때문에 기존 방법으로는 조인트 조건을 정의할 수 없다. 본 논문에서는 임의 단면을 갖는 박판 보에 적용 가능한 단면 모드 정의 방법론과 조인트 조건이 제안된다. 제안하는 단면 모드 정의 방법론에서는 평면 응력 상태에 대한 구성 방정식으로부터 단면 모드 식이 유도되고, 그 식은 단면 모드의 직교 조건을 이용해 고윳값 문제로 변환된다. 이 고윳값 문제를 풂으로써 구해진 고유벡터들을 기반으로 한 세트의 단면 모드들이 정의된다. 이러한 과정이 반복되면서 단면 모드는 저차 세트부터 고차 세트까지 반복적으로 유도된다. 제안하는 조인트 조건은 단면 연결점(connection point)에서 변위 및 회전각 연속 조건을 부여함으로써 정의된다. 연결점은 단면의 형상에 관계없이 일관된 방법으로 지정되기 때문에 다양한 부재로 구성되는 복잡한 보 구조물에 대해서도 조인트 조건을 정의할 수 있다. 또한 보 단면과 조인트 단면이 일치하지 않음에 따라 발생되는 조인트 단면에서의 추가 변위를 고려함으로써 정확한 해석이 가능하다. 타당성 검증을 위해, 제안하는 일차원 모델링 방법론을 이용해 다양한 예제를 풀고 쉘(shell) 해석 결과와 비교해 보았다. 검증을 통해, 제안하는 방법으로 임의 단면을 갖는 복잡한 보 구조물을 고전 보 대비 정확하게 해석 가능함을 확인하였다.

금속 판재 단면을 활용한 기물의 조형성 연구 : 기물의 전을 중심으로

윤이랑 서울대학교 대학원 2021 국내박사

The purpose of this study is to thoroughly understand the ‘cross-section’ among the structural characteristics of metal sheets, and apply it as the main element in making a ‘vessel’, that centers on the connected walls from rim to rim. A vessel is shaped for the purpose of filling and is composed of space surrounded by an exterior. Since the exterior has a shell-like structure that encloses the space, metal sheets, suitable for making thin and wide forms, have been widely used in making vessels. The structural characteristics of the metal sheets appear even in the finished piece, especially the thinness of the metal sheet on the ‘rim’ of the vessel, has been perceived as a problem. Thus, metal craftsmen have been solving this issue by supplementing the sheet’s cross-section through various methods when making vessels. Based on the two-dimensional characteristics of the metal sheet and in the field of form composition, forms that characteristically show the properties of the cross-section were carried out. As a result of analyzing various forms, ranging from sculptures to vessels, it was confirmed that the cross-section is expressed as a line, as well as a combined structure. Since the vessel’s interior is separated from its exterior by the emptied space to fill, the structure of the outer shell is similar to that of the sheet’s characteristic. In this study, the outer shell is referred to and linguistically identified and analyzed as the boundary plane; however, is also the boundary plane presented to be in the form of starting from the floor, constructing a wall, and ending with the rim. By analyzing the cases of supplementing the cross-section or using formative element to handle the cross-section exposed at the boundary, the cross-section is sometimes expressed as a line and a combined structure, used in various ways as a formative element in a vessel. Based on the theoretical exploration of the formative characteristics of the metal sheet’s cross-section and the structure of the vessels, the research work was progressed with the wall portion extended from rim to rim of the vessel. Metal sheets that have undergone a rolling process were used as materials, and the process was carried out by focusing on the linear impression and the treatment of the sheets’ cross-section as follows. First is the line and color plane of the cross-section. Primarily, to transform the line of the cross-section, change in the joining method of the walls were applied through ‘overlap joining’ and ‘cross joining’ methods, which were modified from the roll and joining method, and then the change in the cross-section line of the sheet was utilized. Next, a two-dimensional color surface through ottchil and potassium sulfide coloring was applied to the sheet to emphasize or alleviate the cross-section. Second is the change of the rim’s form. The form of the wall was limited to a cylinder in order for the research to be focused on the rim. After making the warp-structured rim, it was joined to the upper part of the wall. Moreover, the surface of the joined sheet and the cross-section of the wall complexly expressed to appear as the vessel’s rim. ‘The rim’s expansion through joining the surface’ was examined by the surface joined to the cylinder top while ‘the double layer and rim’ was examined taking in mind the morphological characteristics of the rim connecting the two cylinders. Third is the structural transformation from the rim to the wall. The twisted form was conceived by having in mind the fact that when a long metal sheet is twisted and rolled up, the line created by the cross-section appears diagonally across the form of the vessel. In order to express the structure that transforms from the rim to the wall, the cross-section was used both as a line and a joint element to make the vessels. Ultimately, this formative research centered on the cross-section of metal sheets, satisfies the function of filling the vessel, while fully utilizing the unique properties and aesthetics of the metal sheet and cross-section applied. As a result, various formative methods focusing on the cross-section of the metal sheet and their formation were examined from various angles. Furthermore, by interpreting the cross-section of the metal sheet as an element of formative expression, the boundary plane of the vessel was made as part of the wall which was extended from rim to rim. Through this, it was possible to explore the formative possibilities of the cross-section, which originally was often recognized as a problem in metalwork because of its thin thickness. Instead of hiding the cross-sectional exposure that inevitably occurs in sheet vessels, the rim is interpreted as a linear formative element and actively expanded beyond its functional aspect that defines the vessel’s whole formative nature which is the significance of this study. 이 연구는 금속 판재의 구조적 특성 중에서도 ‘단면’을 집중적으로 파악하고, 이를 조형의 주된 요소로 활용하여 전과 전에서 확장된 벽의 일부를 중심으로 ‘기물’을 제작하는 것에 그 목적을 둔다. 기물은 담는 목적의 공간과 이를 감싸는 외피로 이루어져 있다. 외피는 공간을 감싼 껍질과 같은 구조를 보이므로, 껍질처럼 얇고 넓은 형태를 만들기 적합한 금속 판재가 기물 제작에 널리 사용되었다. 금속 판재의 구조적 특성은 완성된 기물에서도 고스란히 나타나는데, 특히 기물의 ‘전’ 부분에서 판재의 얇은 두께가 드러나는 것이 문제점으로 인식되어왔다. 따라서 금속공예가는 기물을 제작할 때 여러 방법을 통해 판재 단면을 보완하는 방식으로 문제를 해결해왔다. 판재의 2차원적 특성을 바탕으로, 입체 조형 분야에서는 단면의 성질을 특징적으로 보여주는 조형이 주로 진행되었다. 조형물부터 기물까지 다양한 조형 사례를 분석한 결과, 단면이 선(線)으로 표현되는 것은 물론 결합 구조로까지 활용되고 있음을 확인할 수 있었다. 기물은 무언가를 담을 수 있게 비운 공간과 그 외피를 통해 외부로부터 내부가 분리되므로, 외피의 구조는 판재의 특성과 유사하다. 이 연구에서는 외피를 경계면이라 명명하고 언어적으로 파악하여 분석하는 한편, 경계면을 바닥에서 시작하여 벽을 구성하고 전으로 끝맺는 형태로 상정하였다. 경계면에 드러난 단면을 조형적으로 처리하기 위하여 단면을 보완하거나 조형의 요소로 활용한 사례를 분석하여, 단면이 선으로 표현되기도 하고 결합 구조로 나타나기도 하며 기물에서 조형 요소로 다양하게 활용되고 있음을 알 수 있었다. 판재 단면의 조형적 특성에 대한 이론 탐색과 기물의 조형성에 대한 탐구를 기반으로, 기물의 전과 전에서 확장된 벽의 일부를 대상으로 작품 연구를 진행하였다. 압연 공정을 거친 금속 판재를 재료로 사용하였으며, 기물에서 판재의 단면이 주는 선적인 인상과 그 처리에 집중하여 이를 다음과 같이 진행하였다. 첫째, 단면의 선(線)과 색면이다. 우선 단면의 선 변화는 말아 붙이기를 변형한 ‘겹쳐 붙이기’와 ‘엇갈려 붙이기’를 통해 벽의 접합 방식에 변화를 가한 다음, 여기에서 나타나는 판재 단면 선의 변화를 활용하였다. 다음으로는 판재 기물에 옻칠과 황화칼륨 착색을 통한 2차원적 색면을 적용하여 단면을 강조하거나 완화하거나 하였다. 둘째, 전 형태의 변화다. 실린더 형태로 벽의 형태를 제한하고 전에 집중하여 연구를 진행하였다. 뒤틀린 구조의 전을 제작한 후 이것을 벽의 상단부에 접합하였으며, 접합된 판재의 면과 벽의 단면이 복합적으로 기물의 전으로 나타날 수 있도록 표현하였다. ‘면 접합을 통한 전의 확장’은 실린더 상단에 접합한 면을 통해서, ‘이중 구조와 전’은 두 개의 실린더 사이를 잇는 전을 덧붙여 전 부분의 형태적 특성을 관찰하는 방식으로 진행하였다. 셋째, 전에서 벽으로의 구조적 변형이다. 한 장의 긴 판재를 비틀어서 말아 올리면 단면이 만드는 선이 기물의 형태를 대각선으로 가로지르며 나타난다는 점에 주목하여 비틀린 형태를 구상하였다. 전에서 벽으로 변형되는 구조가 잘 표현될 수 있도록 단면을 선과 접합의 요소로 모두 활용하여 기물을 제작해보았다. 이상으로 진행된 금속 판재 단면을 중심으로 한 조형성 연구는 기물의 담는 기능을 충족하면서도, 제작에 사용된 금속 판재 및 단면의 고유한 성질과 심미성을 충분히 활용한 것으로, 판재의 단면 처리에 중점을 둔 다양한 조형 방법과 그 조형성을 다각도에서 살펴보았다. 나아가 금속 판재의 단면을 조형적 표현의 요소로 해석하여, 전과 전에서 확장된 벽의 일부를 대상으로 기물의 경계면을 제작하였고, 이를 통해 얇은 두께 때문에 금속공예 기물 작업에서 문제점으로 인식되곤 했던 단면의 조형 가능성을 탐색해 볼 수 있었다. 판재 기물에서 필연적으로 발생하는 단면 노출이라는 단점을 숨기는 대신, 선적인 조형 요소로 해석하여 전이라는 기능적 측면을 넘어 기물 전체의 조형적 성격을 규정하는 데까지 적극적으로 확장했다는 점에서 연구의 의의를 찾고자 한다.

Study of nuclear reactions of palladium isotopes induced by bremsstrahlung, neutron and proton : 제동복사 감마선과 중성자 및 양성자에 의해 유도된 팔라듐(Pd) 동위원소의 핵반응 연구

Hien, Nguyen Thi 경북대학교 대학원 2019 국내박사

본 연구에서는 제동복사 감마선과 양성자 및 중성자에 의해 유도된 Pd의 동위원소들의 단면적과 수득률이 연구되었다. 50 MeV 에서 70 MeV의 제동복사 감마선을 이용하여 Pd의 광자 유도 핵반응으로부터 생성되는 99m,g;101m,g;102m,gRh의 이성질체 수율비가 연구되었으며, 열(thermal) 및 고온(epithermal) 중성자를 Pd-108에 입사하여 생성되는 Pd-109의 중성자 포획 단면적 및 공명 적분 연구가 수행되었다. 게다가 Pd의 양성자 유도 핵반응으로부터 생성되는 99m,g;101m,g;102m,gRh의 생성단면적이 분광 기술 및 방사화 방법에 의해 결정되었다. 제동복사 감마선을 이용한 측정 실험은 포항가속기연구소 (PAL)의 100 MeV 전자 선형가속기에서수행되었다. 본 연구는 Giant Dipole Resonance 영역을 넘는 50 ~ 70 MeV 에너지 범위의 제동복사 감마선에 대한 이성질체 수율비 연구로, natPd(γ,pxn)99m,g,101m,g,102m,gRh 핵반응으로부터 99m,gRh, 101m,gRh 및 102m,gRh의 핵종들의 수율비가 높은 에너지 영역에서 처음 측정되었다. 측정된 실험데이터의 분석과 물리적 현상을 살펴보기 위해 핵반응 코드인 TALYS를 이용하여 이론적 계산을 수행하고 비교하였다. 본 연구는 표적 핵으로부터 방출되는 핵자의 수와 제동복사 감마선 에너지에 따른 핵반응 수득률의 의존성에 중요한 정보를 제공한다. Thermal 및 epithermal 중성자를 이용한 Pd-108의 중성자 유도 핵반응에 의해 생성되는 Pd-109의 단면적은 중성자의 방사화 방법을 사용하여 결정하였다. 중성자의 선속은 197Au(n,g)198Au 모니터 핵반응을 이용하여 결정하였으며, Thermal과 epithermal 중성자의 기여도는 카드뮴(Cd)을 이용하여 구분하였다. 본 연구는 thermal과 epithermal 중성자를 활용한 핵반응 단면적 측정기술을 개발하고, Pd-109의 중성자 포획 단면적 및 공명 적분의 신뢰할만한 데이터를 얻기 위해 수행되었다. 마지막으로 Pd의 양성자 핵반응에 의해 생성되는 99m,g,101m,g,102m,gRh의 방사성 핵종의 단면적 측정 연구가 수행되었다. 원자력의학원 MC-50 사이클로트론에서 45 MeV 양성자 에너지를 이용하여 적층시료 방사화 방법과 오프라인 감마선 분광기술에 의해 단면적이 결정되었다. 양성자 빔의 선속은 잘 알려진 Cu의 모니터 핵반응을 사용하여 결정하였고, 측정된 결과는 TENDL-2015 이론계산 라이브러리 및 문헌의 실험데이터와 비교하였다. 본 연구로부터 측정된 102mRh와 102gRh의 단면적 데이터는 20 MeV ~ 35 MeV 양성자 에너지 범위에서 처음으로 획득된 결과이다. In this study, cross-sections and yield of Pd isotopes induced by bremsstrahlungs, protons and neutrons were studied. The isomer yield ratios of 99m,g;101m,g;102m,gRh produced from the photon-induced nuclear reaction of Pd were investigated using bremsstrahlung from 50 to 70 MeV. The neutron capture cross-section and resonance integral to produce Pd-109 from Pd-108 were determined using thermal and epithermal neutrons. In addition, the production cross-sections of 99m,g;101m,g;102m,gRh produced from proton-induced nuclear reactions of natPd were determined by using activation methods and offline γ –ray spectroscopic techniques. The measurement experiment using the bremsstrahlung was performed at the 100 MeV electron linear accelerator of the Pohang Accelerator Laboratory (PAL). In this study, isomeric yield ratios of the 99m,g;101m,g;102m,gRh from the nuclear reactions natPd (γ, pxn) were first measured in the energy region of interest. We also make calculations of the isomeric yield ratios using the TALYS and compare with experimental data. This study provides important information on the dependence of the nuclear reaction rate on the number of nuclei emitted from the target nucleus and on the braking bremsstrahlung energy. The production cross-sections of Pd-109 produced by the neutron-induced nuclear reaction on Pd-108 with thermal and epithermal neutrons were determined using the neutron activation method. The neutron capture cross sections on Pd-108 have been determined by using the 197Au(n,γ)198Au monitor reaction and the contributions of thermal and epithermal neutrons were classified by using cadmium ratio method. The aim of this present work is to develop the experimental procedures for the measurements of the reaction cross-sections for thermal and epithermal neutrons and provide more accurate data on the 108Pd(n,γ)109Pd reaction. Finally, production cross-sections of 99m,g;101m,g;102m,gRh radionuclides produced by proton nuclear reactions of natPd were performed. The cross-sections were determined by the stacked-foil method and the offline γ-ray spectroscopy technique using the 45 MeV proton energy in the MC-50 Cyclotron at KIRAMS. The flux of the proton beam was determined using well-known cross sections of the monitor Cu, and the measured results were compared with the experimental data from the TENDL-2015 library. The experimental cross-section data are reported for the first time in the energy region from 20 to 40 MeV for natPd(p,x)102mRh reaction, in the energy region from 20 to 35 MeV for natPd(p,x)102gRh reaction.

Novel Refined Cross-sectional Modeling, Analysis, and Optimization of Anisotropic Rotor Blades

마노즈 쿠말 다드왈 건국대학교 대학원 2016 국내박사

본 연구는 헬리콥터와 풍력발전기 등에 사용되는, 세장비가 긴 이방성 보에 대한 진보된 해석기법 및 최적화 기법에 초점을 두었다. 본 연구의 목표는 크게 세 가지로 구분된다. 첫째, 비균질 3차원 워핑효과를 포함하고, 이를 바탕으로 유한요소 단면해석을 수행하는 최신의 복합재료 보 모델에 대한 정식화를 수행하였다. 둘째, 구속조건을 포함하는 최적화 문제를 위한 진보 된혼합진화최적화알고리듬을개발하였다. 셋째, 최적의복합재료로터블 레이드 디자인을 위해 개발된 단면해석기법과 최적화 알고리듬을 조합하여 적용하였다. 논문의첫부분은비균질복합재료보를위한변위기반및다영역변분단면 해석기법개발하고,이를비균질복합재료보에적용하여타당성을검증하는 부분이다. 고전적인탄성연성효과와전단변형및포아송변형을포함하도록 3차원워핑변위와응력성분들을모델링하였다. 단면의탄성강성계수모델은 전단변형에 대해 Timoshenko 수준으로 구성하며, 구속 비틀림 워핑변형에 대해 Vlasov 수준의 모델을 포함한다. 본 연구의 독창적인 부분은 비균일 전단 워핑효과를 고려한 것인데, 이는 기존의 문헌에서 다루지 않은 부분이다. 본 수식화를 통해서 단면의 탄성 강성계수는 3차원 비균일 워핑효과를 포함하여12×12의행렬형태를갖는다. 본이론을바탕으로탄성효과의고려 유무에 따른 복합재료 블레이드의 해석결과에 대해 검증을 수행한다. 그 결과 비균일 전단변형효과는 저 세장비를 갖는 폐단면 박벽 복합재료 보에 지배적인 영향을 미치며, 특히 개단면 복합재료 보의 경우, 저 세장비 뿐만 아니라 고 세장비에서도 감쇄비가 낮게 나타남을 보여 무시할 수 없는 요인 임을 확인하였다. 비균일 비틀림은 개단면 단면 보에서 주로 관찰되는데, 고세장비를 갖는 보에서도 그 효과가 큼을 확인할 수 있다. 비균일 워핑효과는 복합재료의 섬유적층각과 보의 세장비에 큰 영향을 받는 것을 확인하였다. 두번째부분은진화이론에기반한최적화알고리듬을바탕으로개발된PSGA를다룬다. PSGA는군집최적화기법과실수로코드화된다부모유전알고리듬을 합성한 것이다. 해의 다양성과 알고리듬의 효율성을 위해 새로운 순위 기반 다부모 크로스오버 연산자를 제안하였다. 군집 단계에서 최저 성능을 갖 인자들을는 보완하므로써 알고리듬의 효율을 향상시켰다. 설계변수공간 내에서 타당한 영역에서 해가 도출될 수 있도록 강제하는 선형 및 비선형 구속조건들을다루기위해구속조건완화계획에기반한타당한인자를이용한다. 국부적인 최적해를 찾는 것을 방지하기 위해 정체점 및 틈새 탐색법을 도입하였다. 다양한 수학적 및 공학적 예제들을 통해 본 연구에서 개발된 알고리듬의 효율성과 정확성을 입증하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 알고리듬이 다른 최신 기법에 대비하여 50 % 이상 뛰어난 효율성을 보임을 확인하였다. 마지막 부분은 앞서 언급한 복합재료 보의 단면해석과 PSGA를 이용한 단면 설계최적화프레임워크를적용한사례를다룬다. 단면설계최적화프레임워크는복합재료로구성된유연보에대해단면최적화를수행하기위해도입되었다. 사이징및형상최적화를수행하여본프레임워크가실용적인관점에서 적용될 수 있음을 보였다. 본 프레임워크에서는 복합재료 보의 비균일 전단 및 비틀림 워핑효과를 고려하고 있다. 주어진 구속조건을 만족하고 전단 및 비틀림 워핑 강성계수를 포함하며, 동시에 다양한 설계 목표를 달성할 수 있는치적의단면형상을도출할수있었다. 본연구는이방성보에대해진보된 모델링기법, 해석 및 최적 설계 기법을 제시하였다. The present study focuses on the development of advanced methodologies for the analysis and optimization of slender anisotropic beam-like structures such as helicopter and wind turbine rotor blades. The aims of this work are three-fold: first, the novel refined beam formulations are proposed incorporating nonuniform three-dimensional (3D) warping effects and implemented into finite element cross-sectional analyses; second, an advanced hybrid evolutionary optimization algorithm is developed for constrained design optimization problems; and third, the beam cross-sectional analyses and the optimization algorithm are integrated to demonstrate the application for optimal design of composite rotor blades. The first part of this dissertation deals with the development of displacement-based and multifield variational sectional analyses methodologies, and their validation and application for nonhomogeneous composite beams. The 3D warping displacements and stresses are modeled which naturally include the effects of classical elastic couplings, transverse shear and Poisson deformations. The influences of 3D nonuniform warping due to boundary constraints are modeled. The sectional elastic stiffness models include Timoshenko level refinement for transverse shear deformations and Vlasov level refinement for restrained torsional warping. The unique aspect of the present sectional analyses is the nonuniform shear warping effect for anisotropic beams which has not been studied in the existing literature. The present formulation gives a fully refined 12x12 elastic stiffness matrix including the nonuniform 3D warping. The validations are performed for composite beams and blades with or without elastic couplings. The present results reveal that nonuniform shear is dominant for thin-walled closed section composite beams and blades with low slenderness ratio and non-negligible for open section composite beams where slow decay of nonuniform shear is observed even at high slenderness ratios. The nonuniform torsion is found to be dominant only for open section anisotropic beams where no decay is noted even for highly slender beams. The nonuniform warping effects are shown to be considerably dependent on the composite fiber orientations and beam slenderness ratios. The second part covers the proposed evolutionary algorithm called particle swarm assisted genetic algorithm (PSGA) which is a hybrid of particle swarm optimization and a real-coded multiparent genetic algorithm for constrained optimization problems. The key feature of the algorithm is the newly developed rank-based multi-parent crossover operator to increase the solution diversity and the efficiency of the algorithm. The worst population enhancement in the particle swarm phase further improves the efficiency of the algorithm. A feasible population based constraint relaxation scheme is used to handle the linear or nonlinear constraints which forces the solutions toward the feasible region in the design space. The stagnation check and niching are introduced to avoid local optimal solutions. A number of mathematical benchmark constrained problems and engineering design optimization problems are presented to demonstrate the efficiency and accuracy of the developed algorithm. The results indicate that the present algorithm consistently achieves the global optimum solution with nearly 50 % or higher increase in the overall efficiency compared to other state-of-the-art algorithms. The third and the final part describes the sectional optimization framework which discusses the application of the refined beam sectional analysis and evolutionary algorithm PSGA. The sectional optimization framework is employed to perform the cross-sectional optimization of composite flexbeams. The sizing and shape optimization are carried out in order to illustrate the practical application of the present framework. The effects of nonuniform shear and torsional warping are demonstrated for the baseline and optimal configurations. The better cross-sectional designs are achieved compared to the conventional baseline ones with the required multiple design targets while satisfying the given constraints including the shear and torsional warping stiffnesses. The present study offers advanced novel methodologies for the refined modeling, analysis, and optimal design of anisotropic beams and blades.

Chord Stress Effect in Grade 700 Steel Tubular X-Joints with Non-Compact Cross-Section

정휘찬 서울대학교 대학원 2022 국내석사

최근 고강도 강재의 개발 및 상용화로 그 수요가 점차 증가하고 있다. 고강도 강재의 강관 구조체로의 적용 또한 증가하는데, 이는 강관의 단면적 특성을 극대화할 수 있다. 그러나, 현행 강관 접합부 설계기준은 일반강 강관 접합부 실험 결과 및 해석데이터를 근간하여 제작된 것으로, 고강도강 강관 접합부 설계에 대한 맞춤 기준이 미비하다. 따라서 고강도강 접합부 설계 시 현행 설계기준을 적용하면 몇몇 조항등이 고강도강 적용에 독소조항으로 작용하는데, 대표적으로 유로코드3의 조밀 단면 제한이 있다. 조밀 단면 제한은 설계 시 부재의 단면 형상이 조밀 단면에 해당해야 하는 설계기준으로, 고강도강을 이용하여 강관 접합부 설계 시 현재 상용되는 강관 부재 치수 대부분을 제한한다. 이러한 제한사항은 고강도강 적용에 대해 보수적이고 역학적 근거도 불분명하여 재평가할 필요가 있다. 최근 원형강관 X형 접합부와 각형강관 X형 접합부에 대한 Kim 등의 선행연구에서 주관에 기작용하는 압축력 또는 휨모멘트에 의한 접합부 강도 감소(주관응력효과)는 비조밀 단면에 해당하는 고강도강 접합부에서도 일반강 접합부에 비견되는 수준임을 확인하였다. 이는 현행 설계 기준이 고강도강 접합부에 보수적임을 나타낸다. 본 연구에서는 단면 조밀도에 따른 고강도강과 일반강의 주관응력효과를 보다 자세히 조사하기 위해, 주관에 압축력이 작용하는 경우에 대해 매우 얇은 두께의 주관 단면을 갖는 접합부까지 단면 두께 범위를 확장하여 수치해석을 진행했다. 또한 주관에 휨모멘트가 작용 경우, 항복을 접합부 부근으로 유도하기 위해 선행연구의 순차적 가력 방법이 아닌 동시 가력 방식을 적용하여 접합부 부근의 항복을 유도한 뒤 조밀 단면과 비조밀 단면에서의 고강도강과 일반강의 주관응력효과를 비교하였다. 이때, 주관과 지관의 폭비 또는 지름비가 같을 경우 (β = 1.0) 다른 한계상태 거동을 보이므로, 주관과 지관의 폭비 또는 지름비가 같은 경우에 대해 구분하여 조사하였다. 주관에 압축력이 작용하는 경우, 주관과 지관의 지름이 같은 원형강관은 고강도강과 일반강의 차이 없이 주관응력효과가 거의 나타나지 않았다. 한편, 각형강관의 경우 주관의 두께가 매우 얇아지면 주관응력에 의한 접합부 강도 감소가 발생하였다. 지관의 폭 또는 지름이 주관보다 작을 경우, 원형강관과 각형강관 모두 단면 두께가 얇아질수록 주관응력효과가 증가했다. 현행 설계기준과 비교 시 단면 두께 범위 상한 (D/t ≤ 40) 내에서 주관과 지관 폭이 같은 각형강관을 제외하면 보수적이라 평가할 수 있다. 그러나, 주관과 지관 지름이 같은 원형강관을 제외하면 단면 두께 범위 상한은 필수적이라 평가된다. 주관에 휨모멘트가 작용하는 경우, 주관응력에 의한 접합부 강도 감소는 고강도강과 일반강 모두 현행 설계기준보다 크게 나타났다. 따라서, 주관응력관계식 (n)의 휨모멘트항에 강도감소계수 0.7을 적용한 새로운 기준식을 제안하였다. 새롭게 적용한 기준식은 강관 단면 형상 및 강재의 강도에 상관없이 주관에 휨모멘트가 작용할 경우 접합부의 강도 감소를 반영한다. The application of high-strength steels on tubular structures enhances structural advantages of hollow sections by increasing merits of a closed section. However, in most representative design standards, the use of high-strength steels on tubular structures has been prohibited in general, or partially allowed by applying joint strength reduction. The limitation on section compactness, in which applicable range of design formulae is limited to members with the compact cross-section (e.g., Class 1 and Class 2 according to the Eurocode) when axial compression is applied, also hinder the use of many tubular sections in practical range of steel whose grade 700 steel or higher. In previous numerical study by the authors (Kim et al., 2019) on the circular hollow section (CHS) X-joints and rectangular hollow section (RHS) X-joints, the joint strength reduction caused by preloaded compression or preloaded bending moments on a chord member (i.e., the chord stress effect) was shown to be acceptable for many high-strength steel chord sections classified as Class 3 or 4. The study, in case of preloaded chord compression, is extended to much more slenderer cross-sections to investigate more comprehensively the influence of cross-sectional compactness on the chord stress effect. Meanwhile, in case of bending moments, numerical analyses comparing high-strength and mild steel joint having compact or non-compact section are conducted by replacing a sequential loading profile to a proportional loading profile in which the chord load and the brace load acts simultaneously, to induce yielding near the joint. At this time, CHS and RHS joints with brace-to-chord diameter ratio of 1.0 are separately analyzed since the ultimate behavior of these joints are different from the joints with lower diameter ratios. Under the chord compression, steel grade is shown to be a minor influential factor to the chord stress effect except full-width RHS X-joints. Comparing chord stress effect of study results and that of CIDECT design guide, study results are shown to have less joint strength degradation than that of CIDECT for both steel grades within the design cross-sectional slenderness range in CIDECT except full-width RHS X-joints. Meanwhile, under the chord bending moments, chord stress effect for both steel grades and cross-section shapes shows larger than design criteria of CIDECT design guide. The application of a proposed strength reduction factor 0.7 on bending moments term in the chord stress level equation is recommended. With the new strength reduction factor, the modified chord stress level equation is found to be appropriate for the tubular X-joints regardless of the cross-sectional shapes and steel grades.