Устройство для обмера следов частиц Советский патент 1993 года по МПК G01T5/10 

На фиг,2 изображено описываемое устройство для обмера следов частиц с системой прецизионного сканирования.

На фиг.З изображен профиль оптического диска описываемого устройства.

На фиг.4 .представлен ход лучей света через оптический диск, когда точка фокуса находится в-исходном положении.

На фиг.5 представлен ход лучей света через оптический диск при повороте его нз угол 90°.

На фиг.6 представлен ход пучей света через оптический диск при повороте его на угом; 180°,

Устройство содержит точечным источник 1 монохроматического света, осветитель 2, первый светоделитель 3, ос82.цеющий объектив 4, изображающий объектив 5. второй светоделитель 6, отсекающий оптический фильтр 7, точечный фотоприемник 8, ПЗС-матрицу 9,. дисплей 10, компьютер 11, систему перемещения и контроля 12 положения ядерной фотоэмульсии, дополнительная система быстрого сканирования 13 ядерной фотоэмульсии вдоль оптической оси заявленного устройства (ось Z); оптический диск S 4, система поворота и контроля 15 углового положения оптического диска.

Устройство работает следующим образом.

Лучи света, вышедшие из точечного источника 1 монохроматического света, проходят через первый светоделитель 3, освещающий объектив 4, и фокусируются в яркую точку внутри слоя ядерной фото- змульсии Я.Ф.Э. Далее лучи света проходят изображающий объектив 5, второй свето- д е. и т е л ь 6, о т с е к э ко щ и и о п т и ч е с к и и фильтр 7 и попадают з точечный фотоприемник 8. Сигнал фототока на выходе точечного фотоприемника 8 поступает на вход коммутатора 11,

Одновременно лучи свчта из осветителя 2 идут через первый светоделитель 3 и освещающий объектив 4. Традиционное изображение элементов следа частицы в пределах тонкого слоя ядерной фотоэмульсии Я.Ф.Э. толщиной 2 мкм формируется изображающим объективом 5 на ПЗС-м атрице 9. Сигналы фототека-с выхода ПЗС-матрицы 9 поступают на дисплей 10. Часть лучей света из осветителя 2 идет в сторону точечного фотоприемвика 8, но задерживаются в отсекающем оптическом фильтре 7. Кроме этого на ПЗС-матрицу 9 падают лучи света из точечного источника. 1 монохроматического света. На ПЗС-матрице 9 они образуют одну дополнительную точку, сфокусированную или размытую.

Если в точку фокуса, сформированную освещающим объективом 4, попадает обмеряемый элемент следа частицы, то сигнал фототока на выходе точечного фотоприемпика 8 уменьшается.

Ядерную фотоэмульсию Я.Ф.Э. устанавливают в систему перемещения и контроля 12 положения ядерной фотоэмульсии. Включают точечный источник 1 моно.хрома0 тичёского свата, осветитель 2, точечный фотоприемник 8, ПЗС-матрицу 9, дисплей 10, компьютер 11, систему перемещения и контроля 12 положения ядерной фотоэмульсии, а также дополнительную систему быстрого

5 сканирования 13 объема ядерной фотоэмульсии вдоль оптической оси заявленного устройства (ось Z).

Оператор при помощи системы положения и контроля 12 изводит перекрестье,

0 имеющееся на дисплее 10, нз обмеряемый элемент следа частицы и вводят старт- сигнал е систему сканирования вдоль оси дополнительной системы быстрого сканирования 13. Сигнал фототека, который изме5 няется во времени от максимального значения до минимального -л затеи возвращается к максимальному, значению, анализируют в компьютере 11 и находят положение минимума сигнала фототека, ко0 торое соответствует прецизионному значению Z координаты обменяемого элемента следа частицы.Указанную операцию повторяют для ближайших зна1 -опий координат X и Y. При этом перемещение ядерной фото5 эмульсии вдоль оси X м V ведут при помощи системы положения и контроля 12.

Техническое преимущество и одновременно положительный эффект устройства состоят в том, что. благодаря возможности

0 наблюдать раздельно традиционное изображение элементов следа частицы и его конфокальной изображение, погрешность измерения Z-координаты элемента следа частицы уменьшается в 2,5 раза. Коэффици5 еит умножения 2 возникает из-за того, что ширина полосы пространственных частот при.конфокальном сканировании в 2 раза больше ширины полосы пространственных частот в традиционном оптическом микрр0 скопе. Дополнительный множитель 1,2.5 получается благодаря тому, что координата центра тяжести кривой фототока с минимумом находят при помощи компьютера 11. Тем самым в заявленном устройстве устра5 йены источники погрешностей, возникаю- . щие при визуальной наводке на фокус.

Вторая цель описываемого устройства состоит в том, чтобы повысить быстродействие устройства для обмера следов частиц путем устранения механического перемещения ядерной фотоэмульсии на стадии прецизионного сканирования вдоль Z-коор- динаты.

Система прецизионного Z-сканирова- ния выполнена в виде оптического диска и системы поворота и контроля углового положения оптического диска, ось вращения оптического диска и оптические оси освещающего и изображающего пучков света взаимно параллельны друг другу, рассто-. яние между осью освещающего пучка света и осью вращения оптического диска отличается на величину D от расстояния между осью изображающего пучка света и осью вращения оптического диска, где D Do, а Do - диаметр освещающего или изображающего пучка света в месте расположения оптического диска, толщина оптического диска в пределах двух неперекрывающихся кольцеобразных дорожек, на которые последовательно попадают освещающий и изображающий пучки света, изменяется монотонно и линейно с азимутальным углом оптического диска, например, ступенчато- линейно, так что высота профиля на одной кольцеобразной дорожке возрастает по часовой стрелке а высота профиля на второй кольцеобразной дорожке возрастает против часовой стрелки, положение скачков профилей расположены на двух кольцеобразных дорожках со сдвигом на 180° по азимутальному углу оптического диска, высота скачка каждого профиля на оптическом диске выбрана из условия:

tmax

П|

П2 - 1

4h- м2.

где ЛЬ - глубина аксиально сканируемого участка слоя ядерной фотоэмульсии на стадии прецизионного сканирования вдоль оси Z,

М - линейное увеличение объективов,

М 2/li;

li - расстояние от объектива до точки фокуса; .

12- расстояние от точечного источника света (или точечного фотоприемника) до освещающего (или изображающего) объектит вэ;

ni - показатель преломления света в ядерной фотоэмульсии;

пг -- показатель преломления света в оптическом диске, число ступенек N на каждой дорожке оптического диска выбрано из условия;

N

где Д Z - аксиальное разрешение конфокальной системы из двух объективов-.

Описываемое устройство с прецизионным сканированием работает следующим 5 образом (фиг.2).

Лучи света из точечного источника 1 мо- нохроматического света проходят через оптический диск .14, отражающийся от первого светоделителя 3 и при помощи освещающе10 го объектива 4 фокусируются в ч очку. Далее расходящиеся лучи света превращаются изображающим обьективом 5 в сходящиеся, отражаются от второго светоделителя 6, проходят через отсекающий оптический

15 фильтр 7, через оптический диск 14 и попадают в точечный фотоприемник 8. Сигнал фототока из 9 поступает в компьютер 11.

Лучи света из осветителя 2 проходят через первый светоделитель 3, освещаю20 щий объектив 4, и создают в ядерной фотоэмульсии освещенную область на длине волны света котортг1 отгнгпется от длины волны света точечного источника 1 монохроматического света. Изображающий объек25 тив 5 формирует на ПЗС-матрице 9, установленной после второго светоделителя 6, традиционное изображение элементов следа частицы, которое оператор видит на дисплее 10.

30Чтобы пояснить ход лучей света через

оптический диск 14, рассмотрим сначала его положение в момент времени, когда оптическая толщина оптического диска 14 для лучей света, идущих из точечного источника 1

35 монохроматического света, равна оптической толщине оптического диска 14 для лучей света, идущих в точечный фот.оприемник 8 (фиг.4). В этот момент времени точка фокуса, формируемая освещающим объективом

40 4, находится в исходном, нулевом положении. После поворота оптического диска на угол 90° вокруг оси вращения оптическая толщина оптического диска 14 для лучей света, идущих из точечного источника 1 мо45 нохроматического пучка света, возрастает на tmax/2 (фиг.5), а оптическая толщина оптического диска 14 для лучей света, идущих в точечный фотоприемник 8, уменьшится на ту же величину tmax/2. В результате точка

50 фокуса освещающего объектива 4 и точка фокуса изображающего объектива 5 одновременно сместятся вдоль оси Z на величину Д.п/4. После поворота оптического диска 14 еще на угол 90° величина этого сдвига

55 достигнет значения Ah/2 (фиг.6). Для угла поворота, равного точно 180°, лучи света одновременно пройдут через скачки профилей на двух кольцеобразных дорожках оптического диска 14, в результате чего общая

точка фокуса перейдет из точки Zi -у- в

7 Ah

ТОЧКу /2 - -rj-.

Процесс безынерционного перемещения общей точки фокуса происходит ступенчато вдоль оси Z с. шагом A h/N. .Отсчеты значения фототека на выходе точечного фо- топриемникз 8 производятся в моменты времени, когда освещающий и изображающий лучки1скета находятся-в центре-соответствующей ступеньки.

Указанные тактовые сигналы поступают из системы поворота контроля 15 углового положения .оптического диска.

Величину tmax выбирают из условия, чтобы при скачке профиля, равном Ттзх. общая точка Фокуса совершила скачкообразный безынерционный переход из точки с Zi Ah

Чем выше

показатель преломления света в оптическом диске П2, тем больше, величина tmax. При перемещении общей точки фокуса в воздухе из величину Д. h ееличима переме- щения общей точки фокуса внутри слоя ядерной фотоэмульсии составит Ah/ni, где ni - показатель преломления света. ядерной фотоэмульсии. Чтобы компенсировать указанный эффект, величину tmox надо дополнительно увеличить ,У rvi ра. -з. При заданном значении AZ аксиального разрешения конфокальной системы из двух объективов 4 и 5 число ступэнек М должно быть выбрано из условия N /A Si/2 A Z. при этом N - нечетное число,

Заявленное устройство по п,2 работает следующим образом.

Включают точечный источник 1 монохроматического света, осветитель 2, точечный фстопоиемник 8, систему перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсий 12, компьютер 11 и дисплей 10. Оптический диск 14 приводит г; равномерное вращение прм помощи сиогзмы попорота и контроля углового полол йкир оптического диска 15. Сначала оператор находит вершину р.ззпмодейстпип { зкегду) в слое ядерной фотоэмульсии. З.зтем оператор устанавливает поочередно на перекрестие дисплея 10 элементы.следа частицы, используя для этого систему перемещения и контроля положения ядерной фотоэмульсии 12, По сигналу пуск сигналы фототека на выходе точечного фотоприемникз 8 оцифровываются в компьютере 11 и обрабатываются там же с целью определения п р е ц и з и о и и с го з и а ч е н и я Z- к о о р д и н ат ы данного элемента следя частицы. В память

Ah

компьютеры 11 заносят три координаты

данного элемента следа частицы, При этом достоверность прецизионной оценки Z-ко- ординаты данного элемента следа частицы

5 не зависит от субъективных погрешностей, которые вносит оператор при визуальной наводке на фокус. .Описанная выше опера- . ция повторяется д/н осек остальных элементов следа частицы. Процесс наведения

10 изображения элемента следа частицы на перекрестье дисплея 0 и по фокусу можно автоматизировать, если н компьютер 11 ввести данные о положении начала и конца обмеряемого следа частицы.

15 Техническое преимущество заявленного устройства по п.2 состоит в тоги, что имеет высокую скорость обмера следов частиц в ядерной фотоэмульсии. Источников указанного преимущества явлпчтся.то. что в про20 цессе прецизионного сканирования ядерной фотоэмульсии едоль оси 7. ни ядерная Фотоэмульсия, ии система из двух обь- ективоз 4 и 5 не со пер шз ют никаких движений и остаются асе аремя неподвиж25 ными относительно сстзпьных узлов заявленного1 устройства. Благодаря этому полностью устранены любыз вредные последствия быстрот:; механического переме- шйния ядерной фотоэг ульсии или двух

30 оОьективов A w b. Впемг прецизионного сканирования ЕЩОЛЬ oc;-; iio ограничено, в частности, i-iHepii -ioHиuf w и ПРОЧНОСТНЫМИ факторами. , иапр - мвр. это ипег.-;л может составлять 0,05 с, чему скоро35 сть вращения оптического диска В з 20 об/с. .Частота следования оцифрованных данных из точечного Фотопр.эмпика В раггнз в этом случае 1000 1 /с.

Положительной эффект заявленного ус Ю тройства по п,2 состоит в том, что благодаря высокому быстродействию, а также высокой точности прецизионного сканирования вдоль оси2 перед Физиком открывается возможность более надежно установить истин45 ную моду распада вторичных частиц и с более высокой то - мостью определить все кинетические пара метры события в целом. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Устройство для обмера следов част иц,

50 содержащее осветитель, изображающий обьек п/m, фотоприемиик в виде ПЗС-матри- цы, компьютер, дисплей, а также систему перемещения w ко -п роля пояожеммя ядерной фотоэмульсии, о т л и ч а ю щ е е с я тем,

55 что, с целью пооьяиения оэзрешающёй способности устройства, о него дополнительно введены точечный источник монохроматического света, осаещаюш.ий объектив, два светоделителя, первый светоделитель со стороны освещающего объектива и второй

светоделитель со стороны изображающего объектива, точечный фотоприемник, при этом длина волны света осветителя не равна длине волны света точечного источника монохроматического света, отсекающий опти- ческий фильтр, не пропускающий излучение от осветителя на точечный фотоприемник, а также дополнительную систему прецизионного сканирования ядерной фотоэмульсии вдоль оптической оси устройства.

2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства для обмера следов частиц путем устранения механического перемещения ядерной фотоэмульсии на стадии прецизионного сканирования ядерной фотоэмульсии вдоль оптической оси устройства, система прецизионного сканирования ядерной фотоэмульсии вдоль оптической оси устройства выполнена в виде оптиче- ского диска и системы поворота и контроля углового положения оптического диска, ось вращения оптического диска и оптические оси освещающего и изображающего пучков света взаимно параллельны друг другу, рас- стояние между осью освещающего пучка света и осью вращения оптического диска отличаются-на величину D от расстояния между осью изображающего пучка света и осью вращения оптического диска, где D DO, a Do - диаметр освещающего или изображающего пучка света в месте расположения оптического диска, толщина оптического диска в пределах двух кольцеобразных дорожек изменяется с ази- мутальным углом оптического диска ступенчато-линейно, при этом высота профиля на одной кольцеобразной дорожке возрастает по часовой стрелке, а высота профиля на второй кольцеобразной дорожке возрастает против часовой стрелки, скачки профилей расположены на двух кольцеобразных дорожках со сдвигом на 180° по азимутальному углу оптического диска, высота скачка каждого профиля на оптическом диске tmax выбрана из условия

tmax -

ГЦ

П2 1 ,,

-4 м.

где Ah- глубина аксиально сканируемого участка слоя ядерной фотоэмульсии на стадии прецизионного сканирования вдоль оси Z;

М - линейное увеличение объективов, M H2/li;

h - расстояние от объектива до точки фокуса;

2 расстояние от точечного источника света (или точечного фотоприемника) до освещающего (или изображающего) объектива;

ni - показатель преломления света в ядерной фотоэмульсии;

- показатель преломления света в оптическом диске,

число ступенек N на каждой дорожке оптического диска выбрано из условия

N -TAZ

где Д2- аксиальное разрешение вдоль оси Z конфокальной системы из двух объективов.

о с in о со «з

// // ft jf ft & .# #

I

ФигЛ

Фиг б

9 1 О -180

о