СПОСОБ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПАРАМЕТРОВ ИХ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01N23/20 

Изобретение относится к области рентгенографии, в частности к определению остаточных и рабочих поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки.

Метод рентгеновской тензометрии позволяет измерить деформации по любому направлению, образующему с перпендикуляром к поверхности образца углы в интервале от 0° до 65°, при этом деформация определяется не по всем кристаллитам, находящимся в облучаемом объеме, а только по кристаллитам, ориентированным соответствующим образом.

Применение рентгеновских лучей или гамма-излучения для исследования напряженного состояния в металлах и сплавах основано на явлении дифракции их при прохождении через кристаллическую решетку исследуемого материала.

Известен способ определения остаточных поверхностных напряжений в металлах, заключающийся в облучении исследуемого объекта рентгеновским лучом, последовательно устанавливаемым под разными углами к поверхности исследуемого объекта, регистрации отраженных квантов газопроточным линейно-координатным детектором, определении координат точек их попадания на резисторный чувствительный элемент посредством аналого-цифрового преобразования, формировании картины распределения отраженных квантов по координатам и вычислении величины поверхностного напряжения. (Васильев Д.М. и др. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л., СКБРА, вып.11, 1972 г.).

Недостатками способа и устройства для его реализации являются инструментальные и субъективные погрешности при установке углов облучения и их юстировке, необходимость прокачки газовой смеси через детектор, промежуточное аналого-цифровое преобразование, большие габариты и масса, что делает невозможным его применение вне лаборатории, в т.ч. для определения механических напряжений в металлах.

Задачей изобретения является упрощение способа и создание на этой основе мобильного быстродействующего устройства (дифрактометра) повышенной надежности для его реализации.

В предлагаемом способе экспресс-анализа механических напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки используется облучение исследуемого объекта узким пучком радиационного или рентгеновского излучения, выделение из потока отраженных квантов М участков, каждому из которых ставится в соответствие индивидуальный позиционный код, однозначно соответствующий его координатам среди остальных выделенных участков.

При попадании отраженного кванта в выделенный участок соответствующий чувствительный элемент детектора генерирует сигнал, например электрический, который преобразуется в код координат этого элемента, немедленно передающийся в блок обработки и представления информации для формирования картины распределения отраженных квантов и вычисления определяемого параметра.

Способ реализуется устройством (фиг.1), содержащим последовательно соединенные излучатель (1), многоэлементный детектор (2), преобразователь (3) позиционного кода каждого чувствительного элемента детектора в код его координат и блок обработки и представления информации (4), причем выход каждого из М чувствительных элементов детектора соединен с соответствующим ему входом преобразователя кодов, выход которого подключен к входу блока обработки и представления информации. В качестве детектора могут использоваться, например, широко применяющиеся в цифровых фотоаппаратах и камерах для видеонаблюдения мегапиксельные матрицы.

Использование в предлагаемом способе процедуры позиционного кодирования каждого из М выделенных из потока отраженных квантов независимых участков позволяет упростить его и существенно уменьшить количество оборудования в устройстве для его реализации, что и решает поставленную задачу.

Работает устройство следующим образом. Первичное рентгеновское или радиационное излучение формируется в узкий пучок, например, с помощью коллиматора. Отраженные от исследуемого объекта кванты улавливаются чувствительными элементами детектора, которые преобразуют их, например, в электрические сигналы, поступающие на соответствующие входы блока 3, преобразующего их в код координат соответствующего чувствительного элемента, отличающих его местоположение в конструкции от множества других чувствительных элементов детектора. Количество отраженных квантов, попавших в каждый чувствительный элемент детектора, подсчитывается в блоке 4, образуя картину распределения отраженных квантов по координатам. В дальнейшем эта информация обрабатывается по известным алгоритмам, и вычисляются искомые параметры.

Для повышения быстродействия и точности в устройстве применен излучатель с К независимыми каналами (фиг.2), углы облучения которых фиксированы, оси облучающих пучков направлены в одну точку на поверхности исследуемого материала, а поток отраженных квантов направляется в К независимых непересекающихся приемных зон детектора.

Фиксированные углы облучения позволяют исключить субъективные ошибки оператора при их установке и юстировке, что также повышает точность измерения.

Устройство может применяться для быстрого определения величин остаточных или рабочих поверхностных напряжений в конструкциях, узлах и деталях из поликристаллических материалов неразрушающим методом, в труднодоступных местах и на крупногабаритных объектах, в том числе находящихся в рабочем состоянии, с целью определения их работоспособности и эксплуатационного ресурса. Кроме того, оно может использоваться при определении параметров кристаллической решетки в исследовательских целях. Устройство работоспособно при пониженном атмосферном давлении.

Использование в устройстве полупроводниковых элементов, чувствительных к рентгеновскому (радиационному) излучению, и блоков преобразователя кодов и обработки и представления информации, выполненных по микроэлектронной технологии, позволяет создать устройство в виде малогабаритного мобильного прибора.

Использование: для определения остаточных и рабочих поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки. Сущность: облучают исследуемый объект узким пучком радиационного или рентгеновского излучения, выделяют из потока отраженных квантов М участков, регистрируют кванты, попавшие в каждый участок за период облучения, формируют картину распределения отраженных квантов и вычисляют величину определяемого параметра, при этом каждому из М выделенных из потока отраженных квантов участков присваивают однозначно определяемый координатами его пространственного положения среди остальных выделенных участков индивидуальный позиционный код, который при попадании в участок отраженного кванта преобразуют в код его координат, и немедленно используют его для формирования картины распределения отраженных квантов и последующего вычисления остаточных и рабочих поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки. Технический результат: упрощение и ускорение определения остаточных и рабочих поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ экспресс-анализа остаточных и рабочих поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки, характеризующийся тем, что облучают исследуемый объект узким пучком радиационного или рентгеновского излучения, выделяют из потока отраженных квантов М участков, регистрируют кванты, попавшие в каждый участок за период облучения, формируют картину распределения отраженных квантов и вычисляют величину определяемого параметра, при этом каждому из М выделенных из потока отраженных квантов участков присваивают однозначно определяемый координатами его пространственного положения среди остальных выделенных участков индивидуальный позиционный код, который при попадании в участок отраженного кванта преобразуют в код его координат и немедленно используют его для формирования картины распределения отраженных квантов и последующего вычисления остаточных и рабочих поверхностных напряжений поликристаллических материалов и параметров их кристаллической решетки.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что выбирают К фиксированных углов облучения, соответствующих исследуемому материалу, их оси направляют в одну точку на поверхности исследуемого материала, а потоки отраженных квантов от каждого облучающего пучка при этом попадают в соответствующую каждому пучку одну из К непересекающихся приемных зон, состоящих из М выделенных участков каждая.

3. Устройство для реализации способа по п.1, состоящее из блока излучения, детектора, содержащего М чувствительных элементов, и блока обработки и представления информации, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения надежности и улучшения габаритных показателей, выход каждого из М чувствительных элементов детектора соединен с соответствующим входом преобразователя позиционного кода данного элемента в код его координат, однозначно определяемых его положением среди остальных чувствительных элементов детектора, а выход преобразователя подключен к входу блока обработки и представления информации.

4. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что блок излучения содержит К независимых излучателей, расположенных под фиксированными углами, соответствующими исследуемым материалам, оси облучающих пучков направлены в одну точку на поверхности исследуемого материала, а потоки отраженных квантов от каждого облучающего пучка направляются соответственно в одну из К непересекающихся зон, каждая из которых состоит из М выделенных участков.

5. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что выход преобразователя кодов соединен с входом блока обработки и представления информации с помощью гальванически развязанного канала.

6. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что передача информации между преобразователем кодов и блоком обработки и представления информации осуществляется по радиоканалу.

7. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что чувствительные элементы детектора расположены на части сферической поверхности, радиус которой равен расстоянию до точки отражения квантов.