GRANITE: 대형 TPC 전극의 고해상도 영상·전기 품질 검사 시스템

초록

본 논문은 2.5 m × 1.8 m 규모의 화강암 테이블 위에 설치된 로봇 gantry와 비접촉 메트롤로지를 결합한 GRANITE 시스템을 소개한다. 동축 와이어 스캔 헤드를 이용해 공기 중 고전압 방전 전류를 고해상도 이미지와 동시에 측정함으로써, 방전 ‘핫스팟’이 정적인 시각적 결함과는 무관한 일시적 현상임을 확인하였다. 또한 인위적인 연마 손상을 가한 와이어에서 방전 시작 전압이 감소하는 정량적 관계를 규명함으로써, 차세대 저배경 실험에 사용될 전극 와이어의 비침습적 품질 보증 방법을 제시한다.

상세 분석

GRANITE은 대형 TPC 전극의 기계·전기적 결함을 동시에 탐지할 수 있는 통합 검사 플랫폼이다. 화강암 테이블은 평탄도와 진동 감쇠가 뛰어나며, 온·습도·기압을 실시간 기록해 환경 변동을 보정한다. gantry 로봇은 5 µm 이하의 위치 재현성을 갖고, 4가지 비접촉 센서를 자유롭게 이동시켜 2 m × 1.4 m 영역을 스캔한다. 특히, 고해상도 산업용 카메라와 텔레센트릭 렌즈 조합은 1 µm 수준의 픽셀 크기로 와이어 표면을 촬영하고, 레이저 거리 센서는 20 µm 이하의 거리 변화를 측정한다.

핵심은 동축형 스캔 헤드이다. 구리 실린더가 와이어를 둘러싸고 중앙에 슬릿을 두어 카메라 시야를 확보하면서, 와이어와 실린더 사이에 -5 kV~‑15 kV의 전압 차를 가한다. FEM 시뮬레이션을 통해 실린더와 와이어 사이의 전계가 거의 균일함을 확인했으며, 오프셋에 따른 전계 왜곡을 보정하는 수식(3.3)을 적용해 실제 전계값을 추정한다.

방전 측정은 4 mm 간격으로 와이어를 이동시키며 전류·전압 데이터를 10회 평균한다. 전류가 10 µA 수준을 초과하면 ‘핫스팟’으로 정의하고, 해당 위치와 이미지 데이터를 연계한다. 결과적으로 핫스팟은 시간에 따라 위치가 변동하는 일시적 현상이며, 고해상도 이미지에서 식별되는 미세 결함(스크래치, 이물질)과는 통계적으로 유의미한 상관관계가 없었다. 이는 전계 집중이 미세 형상보다 표면 전하 축적이나 공기 중 이온화 현상에 더 민감함을 시사한다.

다음 단계로 인위적인 연마 손상을 가한 와이어를 제작해 표면 거칠기(Ra)를 0.1 µm에서 1 µm까지 변화시켰다. 측정 결과, 거칠기가 0.5 µm 이상일 때 방전 시작 전압이 평균 2 kV 이상 낮아지는 명확한 경향이 나타났다. 이를 통해 “표면 거칠기 ↔ 방전 시작 전압”의 정량적 모델을 구축했으며, 향후 생산 라인에서 자동화된 거칠기 측정과 전압 테스트를 결합하면 불량 와이어를 사전에 차단할 수 있다.

또한, 자동 인코더 기반 이미지 분석을 시도했지만, 재구성 오류와 블러 정도만이 핫스팟 발생 가능성을 약간 예측함을 확인했다. 이는 현재 이미지 해상도와 학습 데이터 양이 제한적이기 때문이며, 향후 대규모 데이터와 고해상도 3D 토포그래피를 결합하면 머신러닝 기반 결함 예측이 가능할 것으로 기대된다.

전반적으로 GRANITE은 기계적 사그, 전기적 방전, 광학적 결함을 하나의 플랫폼에서 동시에 평가함으로써, 기존의 개별 검사 방식보다 시간·비용 효율성을 크게 향상시킨다. 특히, 대형(>3 m) TPC 프로젝트인 XLZD와 같은 차세대 다크마터 탐지기에 적용하면, 전극 제작 단계에서 저전압 방전 위험을 최소화하고, 검증된 와이어만을 사용함으로써 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.