ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК H05G1/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в машиностроении, авиакосмической и оборонной технике, например сотовых панелях и т.п. объектов.

Известен лазерный центратор, содержащий лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, коллиматор для расширения лазерного пучка, два зеркала, одно из которых выполнено из оргстекла и установлено на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков и направляет на объект коллимированное излучение лазера для создания на его поверхности светящегося пятна, размер которого не изменяется при изменениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, служит базой дальномера, состоящего из объектива коллиматора, полупрозрачного зеркала, установленного на оптической оси лазера перед объективом, которое с помощью первого зеркала в обратном ходе лучей строит в задней фокальной плоскости объектива изображение лазерного пятна на объекте, размер которого, пропорциональный расстоянию между рентгеновским излучателем и объектом и служит базой дальномера, состоящего из объектива коллиматора, полупрозрачного зеркала, установленного на оптической оси лазера перед объективом, которое помощью первого зеркала в обратном ходе лучей строит в задней фокальной плоскости объектива изображение лазерного пятна на объекте, размер которого, пропорциональный расстоянию между рентгеновским излучателем и объектом, измеряется с помощью шкалы, переносится с помощью микрообъектива на поверхность ПЗС-матрицы телекамеры, которая размещается в фокальной плоскости объектива и наблюдается на видеомониторе одновременно с изображением пятна лазера [1].

Недостатки устройства - необходимость применения мощного лазера для создания высокой яркости пятна на объекте при значительных (до 100^х и более) масштабах расширения пучка коллиматора, большие габариты коллиматора, необходимые для формирования пучка с малой угловой расходимостью (порядка 10"), низкая точность оценки по шкале величины малоразмерного пятна лазера на экране видеомонитора при больших значениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, а также сложность визуального наблюдения поверхности удаления объектов при больших перепадах масштаба изображения, пропорционально их удаленности от излучателя. Недостаток аналога заключается также в сложности процедуры измерения расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, невозможность визуального наблюдения зоны поверхности объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением, а также фотографической регистрации этой зоны и прилегающих к ней участков для привязки рентгеновского изображения к объекту.

Для устранения этих недостатков в центратор дополнительно введены ультразвуковой дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, а базовая плоскость его корпуса, от которой ведется отсчет расстояния до объекта, совмещена с плоскостью, проходящей через продольную ось рентгеновского излучателя и перпендикулярной плоскости, образованной этой осью и осью рентгеновского пучка, цифровая фотокамера, оптическая ось которой параллельна оси рентгеновского пучка и расположена на расстоянии Δ от нее, при этом угол поля зрения фотокамеры определяется из соотношения

где α - угол излучения рентгеновского излучателя, F - расстояние от фокуса рентгеновского излучателя до объекта, кольцевая матрица полупроводниковых микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу к продольной оси рентгеновского излучателя, расположена на окружности диаметром D перед дополнительным объективом с фокусным расстоянием f', расположенным на оси, параллельной продольной оси рентгеновского излучателя, передний фокус дополнительного объектива находится на расстоянии А от точки пересечения этой оси с осью рентгеновского пучка, равному расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновского излучателя, при этом фокусное расстояние дополнительного объектива f', его диаметр D, на котором расположены микролазеры, связаны соотношением f'=d/2tgα и D≥d.

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1 и 2), на которых представлены общая схема устройства (фиг.1) и оптическая схема, поясняющая расчетные соотношения, используемые при выводе формулы для определения угла поля зрения цифровой фотокамеры.

Центратор содержит корпус рентгеновского излучателя 1, на котором закреплены ультразвуковой дальномер 2, лазер 9, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, цифровая фотокамера 3, зеркало 4 из оргстекла, установленное в точке пересечения осей рентгеновского излучателя и лазера, объектив 5 с диаметром D и фокусным расстоянием f', оптическая ось которого совпадает с оптической осью лазера 9 и осью симметрии кольцевой матрицы 6 полупроводниковых микролазеров, причем передний фокус этого объектива находится от точки пересечения осей рентгеновского и лазерного пучков на расстоянии А, равном расстоянию от фокуса рентгеновского излучателя до этой точки по оси рентгеновского пучка. Перед дополнительным объективом на его оптической оси со стороны заднего фокуса расположена кольцевая матрица 6 полупроводниковых микролазеров диаметром d. Оптические оси микролазеров параллельны друг другу и оптической оси объектива, поэтому после объектива они фокусируются в переднем фокусе дополнительного объектива и затем распространяются, после отражения от зеркала 4, в виде веера лучей, расположенных на поверхности конуса с углом при вершине α, равным углу излучения рентгеновского пучка. Поэтому на поверхности объекта 7 формируется кольцевое структурное смещение точек, диаметр которых равен диаметру зоны, просвечиваемой рентгеновским пучком, а центр зоны подсвечивается лазером 9.

На фиг.2 показана расчетная схема для определения величины угла поля β зрения объектива цифровой фотокамеры.

Как следует из рассмотрения прямоугольных треугольников АВС и АДЕ, при смещении оси объектива фотокамеры от параллельной ей оси рентгеновского пучка на расстояние Δ минимальное значение половины угла поля зрения камеры, при котором просвечиваемая рентгеновским пучком зона объекта, находящегося от рентгеновского излучателя на расстоянии F, еще находится в поле зрения фотокамеры, равно

Очевидно, что отрезок АЕ=АС+Δ. Обозначив АС=С, получим после преобразования, с учетом

ВС=DE=F,

и, окончательно

Устройство работает следующим образом.

Перемещая рентгеновский излучатель относительно объекта, ориентируют его таким образом, чтобы просвечиваемая лазерами зона объекта совпала с предназначенным для радиационного контроля участком изделия. Анализируя форму у кольцевой структуры, контролируют перпендикулярность плоскости объекта оси рентгеновского пучка (в этом случае структура имеет форму круга в отличие от эллиптической формы, наблюдаемой при неперпендикулярности объекта оси пучка).

Затем производится измерение расстояния от рентгеновского излучателя до объекта с помощью ультразвукового дальномера и фотографирование контролируемого участка объекта цифровой фотокамерой.

После этого включается рентгеновский излучатель и производится экспонирование рентгеновской пленки 8, размещенной на противоположной от излучателя поверхности объекта 7, в зоне его просвечивания рентгеновским излучением.

Использование: для неразрушающего контроля с помощью рентгеновского излучения материалов и изделий в машиностроении. Сущность заключается в том, что в корпусе центратора дополнительно располагается ультразвуковой дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, а базовая плоскость его корпуса, от которой ведется отсчет расстояния до объекта, совмещена с плоскостью, проходящей через продольную ось рентгеновского излучателя перпендикулярно плоскости, образованной этой осью и осью рентгеновского пучка, цифровая камера, оптическая ось которой параллельна оси рентгеновского пучка, объектив, оптическая ось которого совпадает с оптической осью центрального лазера, при этом передний фокус его находится на расстоянии от точки пересечения осей лазерного и рентгеновского пучков, равного расстоянию А от фокуса рентгеновского излучателя по оси рентгеновского пучка до точки пересечения осей лазерного и рентгеновского пучков, кольцевая матрица полупроводниковых микролазеров с диаметром d, установленная перед объективом со стороны его заднего фокуса, ось симметрии матрицы совпадает с осью центрального лазера. Технический результат: облегчение условий и процедур применения лазерного центратора. 2 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус рентгеновского излучателя, в котором размещен лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект лазерный луч, совпадающий с осью симметрии рентгеновского пучка, формирующий на объекте изображение яркой точки, определяющей центр зоны просвечивания объекта рентгеновским излучением, отличающийся тем, что в корпусе центратора дополнительно располагается ультразвуковой дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, а базовая плоскость его корпуса, от которой ведется отсчет расстояния до объекта, совмещена с плоскостью, проходящей через продольную ось рентгеновского излучателя перпендикулярно плоскости, образованной этой осью и осью рентгеновского пучка, цифровая камера, оптическая ось которой параллельна оси рентгеновского пучка и расположена на расстоянии Δ от нее, угол поля зрения фотокамеры определяется соотношением

где F - расстояние от рентгеновского излучателя до объекта, α - угол излучения рентгеновского пучка,

объектив с диаметром Д и с фокусным расстоянием f', оптическая ось которого совпадает с оптической осью центрального лазера, при этом передний фокус его находится на расстоянии от точки пересечения осей лазерного и рентгеновского пучков, равном расстоянию А от фокуса рентгеновского излучателя по оси рентгеновского пучка до точки пересечения осей лазерного и рентгеновского пучков, кольцевая матрица полупроводниковых микролазеров с диаметром d, установленная перед объективом со стороны его заднего фокуса, ось симметрии матрицы совпадает с осью центрального лазера, оси полупроводниковых микролазеров параллельны этой оси и друг другу, диаметр матрицы d выбирается из условия d≤Д, а фокусное расстояние объектива f' отвечает соотношению f'=d/2tgα, что обеспечивает формирование на объекте кольцевой структуры лазерных точек, диаметр которой соответствует размеру просвечиваемой рентгеновским излучением зоны объекта.