СПОСОБ РЕНТГЕНОВИБРОМЕТРИИ Российский патент 1998 года по МПК G01N23/08 

Изобретение относится к области рентгенотехники и может использоваться для измерения вибрации и связанных с ними механических характеристик материалов и изделий рентгеновским методом.

Известен способ оптической виброметрии, основанный на взаимодействии светового пучка с колеблющейся поверхностью исследуемого объекта и регистрации отклоненного указанной поверхностью пучка (1).

Недостатком известного способа является невозможность исследования оптически недоступных структур, например вибрации элементов, расположенных внутри непрозрачной оболочки.

Наиболее близким техническим решением является способ рентгеновского исследования объектов, заключающийся в просвечивании исследуемого объекта коллимированным пучком рентгеновского излучения и регистрации детектором провзаимодействовавшего с указанным объектом излучения (2).

Однако указанный способ не использовался ранее для исследований вибрации объектов.

Задача изобретения заключается в создании способа рентгеновиброметрии, обеспечивающего в силу проникающей способности рентгеновского излучения возможность исследования вибрации внутренних элементов непрозрачных и недоступных для установки контактных вибродатчиков структур.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в способе рентгеновиброметрии, основанном на взаимодействии пучка рентгеновского излучения с исследуемым объектом и регистрации детектором провзаимодействовавшего с указанным объектом излучения, узкоколлимированный пучок рентгеновского излучения выводят вдоль границы или внутренней поверхности раздела исследуемого объекта, при регистрации провзаимодействовавшего с исследуемым объектом излучения выделяют переменную составляющую сигнала детектора на выбранной частоте и на основе выделенной переменной составляющей судят о параметрах вибрации.

При этом, выведение пучка рентгеновского излучения осуществляют путем взаимного линейного и/или углового перемещения указанного пучка и исследуемого объекта и нахождения их взаимного расположения, при котором выделяемая переменная составляющая сигнала детектора имеет наибольшую величину.

Кроме того, дополнительно определяют постоянную составляющую сигнала детектора и по совокупности переменной и постоянной составляющих судят о параметрах вибрации.

В определенных случаях производят спектральный анализ сигнала детектора и выделение переменной составляющей сигнала производят на одной или нескольких частотах полученного спектра.

Для нормировки составляющей или составляющих сигнала детектора дополнительно измеряют интенсивность первичного пучка рентгеновского излучения.

Предложенное решение позволяет с высокой чувствительностью исследовать вибрационные и связанные с ними механические характеристики не доступных для иных средств виброметрии элементов конструкции.

Задача предложения достигнута за счет высокой чувствительности способа к вибрациям с малой амплитудой при реальных размерах поперечного сечения зондирующего пучка рентгеновского излучения.

Новым качеством способа является возможность исследования вибраций внутренней структуры самого колеблющегося элемента, которые могут быть отличны от вибрации его свободной поверхности.

В силу изложенного предложение можно считать соответствующим критериям охраноспособности "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняет чертежами, на фиг. 1 приведена схема измерения колебаний камертона; на фиг. 2 - зависимость разности числа отсчетов от амплитуды колебаний камертона и на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика колебаний камертона.

Пример осуществления способа.

Способ рентгеновиброметрии проиллюстрирован результатами исследования колебаний камертона через металлическую стенку.

При осуществлении способа рентгеновиброметрии используют рентгеновский излучатель 1, сопряженный с коллиматором 2, формирующим узкоколлимированный, в данном случае ленточный, пучок рентгеновского излучения (размеры поперечного сечения пучка 0,2х1,0 мм²). Рентгеновский излучатель 1 застабилизирован по напряжению и току. На пути первичного пучка 3 установлена металлическая стенка 4, за которой на линейной направляющей 5 установлен камертон 6, связанный с генератором 7 вибрации. За камертоном 6 размещен детектор 8 излучения, на выходе которого включена синхронная система 9 детектирования с двумя противофазными каналами, к входу синхронизации которого подключен сигнальный выход генератора 7 вибраций. К выходу системы 9 подключено регистрирующее устройство 10.

При проведении исследований камертон 6 путем его перемещения по направляющей 5 устанавливали так, чтобы его грань "располовинивала" рентгеновский пучок. С помощью генератора 7 инициировали колебания камертона 6 и путем синхронного детектирования системой 9 сигнала детектора 8 излучения измеряли зависимость разности Δ числа отсчетов в двух противофазных каналах системы 9 в зависимости от амплитуды (А) колебаний камертона 6 (фиг. 2) и амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) камертона 6 (фиг. 3).

Установлено, что порог обнаружения колебаний камертона 6 при времени интегрирования t_инт = 10 с составил 0,45 мкм.

При использовании металлической стенки 4 из различных материалов (сталь, латунь) и различной толщины возможность получения результатов на одном уровне точности связана с необходимостью варьирования величины высокого напряжения на рентгеновском излучателе 1, а именно: сталь 10 мм - 95 кВ, латунь 10 мм - 115 кВ, сталь 20 мм - 138 кВ, латунь 20 мм - 155 кВ, сталь 20 мм + латунь 20 мм - 260 кВ.

Исследование АЧХ камертона 6 производили с использованием генератора ГЗ-110, задающего частоту (f) вибраций с точностью 0,01 Гц. Результат исследования АЧХ (Δ-f) в околорезонансной области камертона 6 приведена на фиг. 3.

Для одновременного определения амплитуды и фазы колебаний камертона 6 были проведены измерения синфазной и реактивной составляющих сигнала детектора 8.

Полученные результаты свидетельствуют о практической применимости рентгеновиброметрии для исследования реальных систем.

С точки зрения условий применения способа в практике необходимо отметить следующее.

В общем случае, проблема выведения узкоколлимированного пучка рентгеновского излучения в положение вдоль границы исследуемого объекта требует как линейных, так и угловых относительных перемещений пучка и объекта. При неизвестности расположения такой границы указанное выведение пучка реализуется в поисковом режиме с осуществлением следящего детектирования колебаний интенсивности провзаимодействовавшего с исследуемым объектом пучка на выбранной частоте (частоте вибросистемы или ее гармониках) и фиксации того положения, когда амплитуда колебаний становится наибольшей. Средства проведения такого поиска являются очевидными для специалиста и не составляют предмета настоящей заявки.

Помимо переменной составляющей сигнала детектора излучения целесообразно определять и его постоянную составляющую, которую можно использовать как для оценки в совокупности с переменной составляющей вибрационных характеристик, так и для облегчения процедуры выведения пучка, поскольку во многих случаях для индикации факта "располовинивания" пучка можно использовать быстрое изменение постоянной составляющей сигнала при переходе пучка из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью.

Также целесообразно производить непрерывный контроль интенсивности первичного пучка с целью нормирования на нее регистрируемых сигналов. Такой прием хорошо известен в технике радиационных измерений.

В тех случаях, когда объекту сообщают вынужденные колебания, исследования производят непосредственно на частоте этих вынужденных колебаний или ее гармониках, т.е. в этом случае термин "выбранная частота" подразумевает данное обстоятельство.

В случае же сложного в частотном аспекте или неизвестного характера колебаний производят спектральный анализ сигнала детектора излучения и выбирают представительные для исследуемого объекта и его колебательного процесса частоты, на которых и производят оценку параметров вибрации, что и является содержанием термина "выбранная частота" для данной ситуации. Естественно, что результаты спектрального анализа могут иметь и самостоятельное значение с точки зрения определения характеристик исследуемого объекта.

Важным преимуществом способа является то, что его реализация не ограничена определением параметров вибрации только свободных поверхностей объектов. Данный способ применим также для контроля внутренних поверхностей раздела объектов, поскольку характер взаимодействия рентгеновского пучка с такой поверхностью имеет абсолютно тот же характер, что и для внешней границы объекта.

При этом, понятие "выведение пучка вдоль границы или внутренней поверхности раздела" охватывает не только вариант параллельной ориентации пучка и границы с "располовиниванием" пучка, но и касательное прохождение пучка относительно изогнутых границ или поверхностей раздела, захват пучком выступающих элементов границы и иные варианты, при которых имеет место обусловленная вибрациями и детектируемая модуляция интенсивности пучка за объектом.

В большинстве случаев это автоматически имеет место при поисковом режиме работы, но в случае исследования объектов с известной ориентацией границ и внутренних поверхностей раздела такой режим не является необходимым, поскольку достаточна простая юстировка пучка и объекта, а при реализации поискового режима основные положения, в которых детектируется вибрационная модуляция интенсивности пучка за объектом, соответствуют, в основном, именно параллельной ориентации пучка излучения и колеблющейся границе или внутренней поверхности раздела изделия. Вследствие этого для формулировки притязаний в п. 1 формулы изобретения применен более общий термин "выведение пучка вдоль. . .", содержание которого дополнительно конкретизировано в предыдущем абзаце.

Дополнительно следует отметить возможность исследования данным способом развития дефектов, особенно на внутренних поверхностях раздела объектов, в процессе вибрации. В этом случае целесообразно использовать переменную и постоянную составляющие сигнала детектора.

В целом, описанный способ рентгеновиброметрии сравним по точности и чувствительности с лучшими контактными датчиками, практически не имеет ограничений по частоте и обеспечивает исследование вибрационных процессов в механически и оптически недоступных объектах и структурах.

1. Патент ФРГ N 2228502, G 01 H 9/00, 1981.

2. Патент Великобритании N 1283915, H 5 P, 1972.

Использование: измерение вибрации и связанных в ними механических характеристик материалов и изделий рентгеновским методом. Сущность изобретения: выводят узкоколлимированный первичный пучок рентгеновского излучения вдоль границы или внутренней поверхности раздела сред с различным коэффициентом поглощения рентгеновского излучения исследуемого объекта и выделяют переменную составляющую сигнала детектора по меньшей мере на одной выбранной частоте. При исследовании объектов с неизвестным частотным спектром вибрации производят анализ указанного спектра и для выделения переменной составляющей выбирают одну или несколько частот этого спектра. Дополнительно можно измерить постоянную составляющую сигналов детектора и, в целях нормировки, интенсивность первичного пучка. Выведение пучка можно осуществлять путем относительно линейного и углового перемещения пучка и исследуемого объекта с определением их взаимного положения, при котором переменная составляющая детектора имеет наибольшее значение. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ рентгеновиброметрии, отличающийся тем, что осуществляют взаимодействие узкоколлимированного пучка рентгеновского излучения с исследуемым вибрирующим объектом путем выведения пучка вдоль границы или внутренней поверхности раздела сред с различным коэффициентом поглощения рентгеновского излучения исследуемого объекта, регистрируют провзаимодействовавшее с исследуемым объектом излучение детектором, выделяют переменную составляющую сигнала детектора по меньшей мере на одной частоте вибрации исследуемого объекта и на основе выделенной переменной составляющей судят о параметрах вибрации указанной границы или поверхности раздела исследуемого тела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выведение пучка рентгеновского излучения осуществляют путем взаимного линейного и/или углового перемещения указанного пучка и исследуемого объекта и нахождения их взаимного расположения, при котором выделяемая переменная составляющая сигнала детектора имеет наибольшую величину. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно определяют постоянную составляющую сигнала детектора и по совокупности переменной и постоянной составляющих судят о параметрах вибрации. 4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что производят спектральный анализ сигнала детектора и выделение переменной составляющей сигнала производят на одной или нескольких частотах полученного спектра. 5. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что дополнительно измеряют интенсивность первичного пучка рентгеновского излучения и используют ее для нормировки составляющей или составляющих сигнала детектора.