ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК H05G1/02 

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в машиностроении, авиакосмической и оборонной отраслях промышленности.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, применяемого для контроля материалов и изделий радиационным методом в различных отраслях машиностроения. Сущность изобретения: в устройстве имеются корпус, в котором расположен лазер о двусторонним выходом излучения, оптическая ось выхода излучения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучения, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя, второй отражатель установлен с возможностью поворота вокруг оси параллельно оси поворота первого отражателя на оси выхода излучения вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучения, средство индикации фокусного расстояния и средство прерывания пучка от второго отражателя, установленное до или после второго отражателя, дополнительно центратор снабжен двумя цилиндрическими линзами, установленными на оси излучения лазера, первая - между одним из торцов лазерного отражателя и первым отражателем, а вторая - между вторым торцом лазерного излучателя и вторым отражателем, их фокус выбирается из соотношения f=h/tgα, где h - радиус лазерного пучка; α - угол излучения рентгеновского излучателя, при этом цилиндрические линзы установлены с возможностью вращения вокруг оси лазерного пучка [1].

Недостаток устройства - отсутствие информации о зоне объекта, просвечиваемой рентгеновским пучком, а также сложность операций по совмещению лазерных полосок на объекте при различной ориентации цилиндрических линз.

Для устранения этих недостатков в лазерный центратор, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен на оптической оси выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера и осью рентгеновского пучка, средство индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, и цилиндрическую линзу, установленную на оптической оси выхода излучения лазера между вторым торцом лазера и вторым отражателем, клин, установленный на оптической оси лазера с возможностью вращения относительно этой оси с частотой f≥10 Гц на расстоянии А от точки пересечения осей рентгеновского пучка и лазера, которое равно расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновского излучателя, привод для вращения оптического клина, первый светоделитель, установленный на оптической оси лазера между оптическим клином и первым торцом лазера на расстоянии С>A от центра первого отражателя под углом β<45° к оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, второй светоделитель из оргстекла, установленный на оси рентгеновского пучка за первым отражателем на расстоянии В от его центра перпендикулярно плоскости, образуемой осями рентгеновского пучка и лазера под углом γ к оси рентгеновского пучка, при этом между расстояниями B и С и углами β и γ существуют соотношения γ=45°-β и В=с·tg(2β), а параметры оптического клина, угол при вершине θ, угол отклонения луча δ и показатель преломления материала клина h связаны соотношением δ=θ(n-1) и δ=α/2, где α - угол излучения рентгеновского излучателя.

Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3, 4, на которых представлена общая схема устройства (фиг.1), расчетная схема для определения расстояний между отражателями в зависимости от угловых наклонов к соответствующим осям (фиг.2), схема оптического клина (фиг.3) и вид поля зрения устройства на этапах наведения центратора на объект (фиг.4, а) и измерения расстояния от центратора до объекта (фиг.4, б).

Устройство содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2, в котором располагаются лазер 6 с двусторонним выходом излучения, первый отражатель 3 из оргстекла, установленный на оси рентгеновского пучка на расстоянии А от фокуса рентгеновского излучателя в точке пересечения осей рентгеновского пучка и лазера, оптический клин 4, установленный на оси лазера между первым отражателем и первым торцом лазера 6 на расстоянии А от центра первого отражателя, первый светоделитель 5, установленный на оси лазера между оптическим клином и первым торцом лазера, второй отражатель 8, установленный на оси лазера с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости, образуемой осями рентгеновского пучка и лазера, цилиндрическую линзу 7, установленную на оси лазера между его вторым торцом и вторым отражателем.

На оси рентгеновского пучка за первым отражателем остановлен второй светоделитель 9 из оргстекла.

Устройство содержит также привод для вращения клина относительно оси лазера с частотой f≥10 Гц, шкалу с индексом для отсчета расстояния от рентгеновского излучателя до объекта 9. Эти элементы устройства не показаны на фиг.1 в силу общеизвестных соответствующих технических решений. Расстояние до объекта измеряется триангуляционным методом, как и в аналоге [1].

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера, выходящий из его первого торца, частично отражается на второй светоделитель 9, после отражения от которого направляется на объект 10. При этом углы наклона отражающих поверхностей светоделителя 5 и второго светоделителя и расстояния между ними подобраны таким образом, что после отражения луча лазера от второго светоделителя 9 он совпадает с осью рентгеновского пучка (фиг.2). Прошедшая через светоделитель 5 часть излучения лазера 6 попадает на оптический клин 4 и после преломления в нем отклоняется на угол α/2, равный половине угла излучения рентгеновского пучка. При вращении оптического клина прошедший через него луч лазера формирует в пространстве полый конический пучок лучей, который после отражения от первого отражателя 3 проходит второй светоделитель 9 и направляется на объект 10, формируя на его поверхности светящееся кольцо. Т.к. расстояние от центра первого отражателя 3 до оптического клина равно расстоянию от этого центра до фокуса рентгеновского излучателя, а первый отражатель 3 установлен под углом 45° к оси лазера, то после отражения от него полый конический пучок лучей лазера распространяется соосно с рентгеновским пучком. Параиетры клина - его показатель преломления h и преломления угол θ подобраны так, что после преломления в клине 4 лучи лазера отклоняются на угол α/2, равный половине угла излучения рентгеновского пучка. В силу этого при вращении клина 4 формируется пучок лазерных лучей в виде полого конуса с углом при вершине θ, геометрия которого полностью идентична геометрии пучка рентгеновского излучения. Поэтому на поверхности объекта диаметр светящегося кольца, формируемого вращающимся клином 4, соответствует размерам зоны объекта, просвечиваемой пучком рентгеновского излучателя, а его центр совпадает с точкой пересечения объекта осью рентгеновского пучка. Эта точка в центре кольца подсвечивается лучом лазера, отраженного светоделителями 5 и 9.

Излучение из второго торца лазера 6 проходит через цилиндрическую линзу 7, которая преобразует его в плоский расходящийся пучок света, который после отражения от подвижного второго отражателя формирует на объекте светящуюся полоску, которая перемещается по его поверхности параллельно самой себе при вращении второго отражателя 8. В момент совпадения этой полоски с центром светящегося кольца, подсвечиваемого отраженным от светоделителей 5 и 9 лучом лазера, отсчет по шкале устройства несет информацию о расстоянии от объекта до рентгеновского излучателя (фиг.4, а и б).

На фиг.2 представлена расчетная схема определения углов наклона светоделителей 4 и 9 к осям лазера и рентгеновского пучка соответственно, а также расстояний между ними.

При наклоне первого светоделителя 5, установленного на расстоянии С от центра первого отражателя 3 к оси лазера на угол β в силу симметрии геометрических соотношений при зеркальном отражении света [3] существует равенство

∠NKE=∠MKP=β.

Сумма углов, прилегающих к прямой ДКР, равна 180°, поэтому ∠ДКЕ=180°-ε=ϕ.

Но угол, прилегающий к прямой NM и EKP=E=180°-2β, что следует из анализа, отсюда ∠ДКЕ=2β=ϕ.

Из прямоугольного треугольника ДКЕ получаем B=c·tgϕ=c·tg(2β) и ∠ДКЕ=ω=90°-ϕ=90°-2β.

Проводя аналогичный вышеизложенному анализ соотношенийй между углами, прилегающими к прямой RE, и углов между лучами, зеркально отраженными от второго светоделителя 9 в точке Е, получим ψ=180°-2γ, а также что ψ=90°-2β (углы при прямой RE).

Окончательно получим, что γ=45°-β.

Угол отклонения луча δ от первоначального направления после преломления в клине (фиг.3) определяется известным соотношением [2]. δ=θ(n-1), где δ выбирается равным .

В процессе работы оператор наводит на объект рентгеновский излучатель, совмещая светящееся кольцо с контролируемой зоной (фиг.4, а). Затем, вращая второй отражатель 8, совмещают лазерную полоску с лазерным пятном в центре светящегося кольца и снимают со шкалы значение расстояния от рентгеновского излучателя до объекта (фиг.4б).

Частота вращения оптического клина f≥10 Гц выбрана с учетом получения сложного изображения светящегося кольца на поверхности объекта в соответствии с эргономическими характеристиками зрения [2].

Источники информации

1. Патент РФ 2106619. Лазерный центратор.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов. В.А. Панов и др. - Л.: Машиностроение, 1980, 742 с.

Использование: для ориентации излучателя по отношению к объекту. Сущность: заключается в том, что в него дополнительно введены оптический клин, установленный на оптической оси лазера с возможностью вращения относительно этой оси с частотой f≥10 Гц на расстоянии А от точки пересечения осей рентгеновского пучка и лазера, которое равно расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновского излучателя, привод для вращения оптического клина, первый светоделитель, установленный на оптической оси лазера между оптическим клином и первым торцом лазера на расстоянии С>А от центра первого отражателя под углом β<45° к оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, второй светоделитель из оргстекла, установленный на оси рентгеновского пучка за первым отражателем на расстоянии В от его центра перпендикулярно плоскости, образуемой осями рентгеновского пучка и лазера под углом γ к оси рентгеновского пучка, при этом между расстояниями В и С и углами β и γ существуют соотношения γ=45°-β и β=c·tg(2β), а параметры оптического клина: угол при вершине θ, угол отклонения луча δ и показатель преломления материала клина n связаны соотношениями δ=θ(n-1) и δ=α/2, где α - угол излучения рентгеновского излучателя. Технический результат: возможность оценки области объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением, а также возможность определения центра данной области и, кроме того, упрощение определения расстояния от рентгеновского излучателя до объекта. 4 ил.

Лазерный центратор, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен на оптической оси выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера и осью рентгеновского пучка, средство индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, и цилиндрическую линзу, установленную на оптической оси выхода излучения лазера между вторым торцом лазера и вторым отражателем, отличающийся тем, что в него дополнительно введены оптический клин, установленный на оптической оси лазера с возможностью вращения относительно этой оси с частотой f≥10 Гц на расстоянии А от точки пересечения осей рентгеновского пучка и лазера, которое равно расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновского излучателя, привод для вращения оптического клина, первый светоделитель, установленный на оптической оси лазера между оптическим клином и первым торцом лазера на расстоянии С>А от центра первого отражателя под углом β<45° к оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, второй светоделитель из оргстекла, установленный на оси рентгеновского пучка за первым отражателем на расстоянии В от его центра перпендикулярно плоскости, образуемой осями рентгеновского пучка и лазера под углом γ к оси рентгеновского пучка, при этом между расстояниями В и С и углами β и γ существуют соотношения γ=45°-β и β=C·tg(2β), а параметры оптического клина: угол при вершине θ, угол отклонения луча δ и показатель преломления материала клина n связаны соотношениями δ=θ(n-1) и δ=α/2, где α - угол излучения рентгеновского излучателя.