ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
LASER POSITIONER FOR X-RAY EMITTER

Изобретение относится области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения.
Известно устройство, включающее в себя лазер, два зеркала, первое зеркало установлено на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновских пучков и направляет на объект лазерные пучки, концентричные рентгеновским пучкам, линейную шкалу, телескоп для расширения и коллимации лазерного излучения, позволяющий сформировать посредством зеркал и объектива действительное изображение светящегося диска, телевизионную систему. Особенностью устройства является кольцевая матрица лазеров, расположенная в задней фокальной плоскости объектива, причем диаметр окружности расположения лазеров матрицы задан определенным соотношением. Техническим результатом изобретения является возможность оценивать размеры исследуемой зоны объекта [1].
Недостаток устройства - искажение размера кольцевой зоны лазерных пятен, визуализирующих область просвечивания объекта рентгеновским излучением, при наличии слоя воды или иной жидкости над объектом, что часто встречается в современных условиях при контроле подводных трубопроводов, объектов спецтехники, находящихся в жидких средах и т.п.
Цель изобретения - устранение этого недостатка.
л
2
л
2
Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, в котором расположены центральный лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла и установлено на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновских пучков перпендикулярно образуемой ими плоскости и направляющее на объект лазерный пучок, концентричный рентгеновскому пучку, телескоп для расширения и коллимации лазерного излучения, состоящий из микрообъектива и объектива и позволяющий посредством первого зеркала, объектива и второго зеркала, выполненного полупрозрачным, сформировать действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком, телевизионная система, включающая микрообъектив и ПЗС-матрицу, при этом микроробъектив используется для переноса изображения диска на вход ПЗС-матрицы телевизионной системы, монитор, вынесенный из корпуса, линейная шкала, оцифрованная в расстояниях от объекта до рентгеновского излучателя, установленная в задней фокальной плоскости объектива на оси, проведенной из точки пересечения полупрозрачного зеркала с осью центрального лазера перпендикулярно к его оси, причем на этой же оси установлены последовательно микрообъектив и ПЗС-матрица телевизионной системы, кольцевая матрица лазеров, располагаемая в задней фокальной плоскости объектива телескопа соосно с его оптической осью, оси лазеров матрицы параллельны друг другу и оптической оси объектива телескопа, лазеры матрицы расположены в ней на окружности диаметром D≤D, где D - диаметр объектива телескопа, дополнительно введены ультразвуковой дальномер, измеряющий расстояние Н от фокуса рентгеновской трубки до поверхности слоя жидкости над объектом, а телескоп, телевизионная система, кольцевая матрица лазеров, центральный лазер, полупрозрачное зеркало и линейная шкала, оцифрованная в расстояниях от объекта до рентгеновского излучателя, размещены в корпусе центратора в отдельном модуле, который может перемещаться относительно этого корпуса поступательно вдоль оси центрального лазера с возможностью фиксации величины этого перемещения с помощью линейной шкалы, размещенной на корпусе модуля и индекса, закрепленного на корпусе центратора, передний фокус объектива телескопа располагается на расстоянии t=A-d от центра первого зеркала, где А - конструктивное расстояние от этого центра до фокуса рентгеновской трубки  α - половина угла расхождения рентгеновского пучка, β=arcsin(n, sin α) - половина угла схождения конического снопа лучей кольцевой матрицы лазеров на выходе объектива телескопа, величина которого связана с диаметром этой матрицы D и фокусным расстоянием (f′) объектива телескопа соотношением  где Н - показание ультразвукового дальномера, характеризующее расстояние от фокуса рентгеновской трубки до поверхности жидкости, n - показатель преломления жидкости над объектом.
Схема лазерного центратора приведена на чертеже.
л
Центратор содержит излучатель 1 с рентгеновской трубкой, к которому крепится корпус 17, в котором расположены центральный лазер 2, ось которого параллельна продольной оси излучателя 1, первое зеркало 4 из оргстекла, установленное на пересечении осей лазера и рентгеновского пучков перпендикулярно образуемой ими плоскости на конструктивном расстоянии А от фокуса рентгеновской трубки, телескоп для расширения и коллимации луча центрального лазера 2, состоящий из объектива 5 диаметром D с фокусным расстоянием f′, кольцевая матрица лазеров 12 диаметром D≤D, установленная на оси центрального лазера в задней фокальной плоскости объектива телескопа, полупрозрачное зеркало 6, установленное на оси центрального лазера между ним и первым зеркалом под углом 45° к этой оси, а также линейная шкала 7, установленная в задней фокальной плоскости объектива 5 на оси, проведенной из точки пересечения полупрозрачного зеркала 6 с осью центрального лазера перпендикулярно к его оси. На этой же оси установлены последовательно миктрообъектив 8 и и ПЗС-матрица телевизионной системы, монитор 10, который вынесен из корпуса 17.
Объектив 5 телескопа, его микрообъектив 3, кольцевая матрица лазеров 12, полупрозрачное зеркало 6, шкала 7, микрообъектив 8 и ПЗС-матрица 9 установлены в корпусе модуля 11, который расположен в основном корпусе 17 с возможностью поступательного перемещения по оси центрального лазера 2.
При этом перемещение измеряется с помощью установленной на корпусе модуля 11 шкалы 15 и с помощью индекса 14, закрепленного на корпусе 17.
Все вышеперечисленные элементы, расположенные в корпусе модуля 11, сохраняют свое положение относительно друг друга, т.е. перемещаются как единое целое.
2
Объект 13 находится под слоем жидкости с показателем преломления n, толщиной h. Ультразвуковой (УЗ) дальномер 16 установлен на корпусе излучателя 1. Ось пучка излучения УЗ-дальномера параллельна оси рентгеновского пучка и с его помощью измеряется расстояние Н от фокуса рентгеновской трубки до поверхности жидкости.
л
Фокусное расстояние объектива f′ с диаметром D кольцевой матрицы лазеров 12 и углом расхождения формируемого им конического снопа (пучка) лучей 2β связаны очевидным соотношением .
1
2
2
1
Передний фокус объектива 5 за счет перемещения корпуса модуля 1 устанавливается на расстоянии t от центра первого зеркала 4, которое связано с расстоянием А от фокуса рентгеновской трубки до центра первого зеркала 4 и расстоянием Н от фокуса трубки до поверхности жидкости соотношением . В свою очередь, угол β связан с углом α очевидным соотношением, вытекающим из закона преломления n sin β=n sin α, или sin β=n sin α, т.к. для воздуха n=1.
Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазера 2. с помощью телескопа, состоящего из микрообъектива 3 и объектива 5, расширяется до диаметра D и коллимируется для уменьшения угловой расходимости, а в целях сохранения постоянства этого диаметра - во всем диапазоне требуемых фокусных расстояний центратора. После отражения от первого отражателя 4 коллимированный лазерный пучок, ось которого совмещается юстировкой с осью рентгеновского пучка, направляется на объект 13. После отражение от диффузной поверхности объекта лазерный пучок теряет параллельность и распространяется в обратном направлении в пределах широкого телесного угла, что позволяет с помощью отражателя 4, объектива 5 и полупрозрачного отражателя 6 сформировать в фокальной плоскости объектива 5, совпадающей со шкалой 7, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком. Изображения линейной шкалы 7 и освещаемой лазерным пучком зоны объекта микрообъективом 8 проектируются в плоскость видеопреобразователя телекамеры (например, миниатюрной ПЗС-матрицы), видеосигнал от которой подается на вход видеоконтрольного устройства 10. На экране видеоконтрольного устройства оператор наблюдает изображение лазерного пятна и оценивает его размер с помощью изображения линейной шкалы, оцифрованной непосредственно в единицах фокусного расстояния рентгеновского излучателя, например, в метрах.
Центр шкалы при юстировке центратора совмещается с оптической осью лазерного пучка, что позволяет выполнить ее симметричной для облегчения снятия показаний. Возможно выполнение шкалы в виде концентрических окружностей, а также использование обычных шкал, оцифрованных в линейных единицах (мм и т.д.). В последнем случае для определения дистанции до объектива измеряется размер изображения лазерного пятна в делениях шкалы (сетки), число которых затем умножается на соответствующий масштабный коэффициент, определяемый при градуировке центратора.
Кольцевая матрица лазеров 12 установлена в задней фокальной плоскости объектива телескопа соосно с его оптической осью, а оптические оси лазеров матрицы параллельны друг другу и оптической оси телескопа. Число лазеров матрицы подбирается эмпирически.
Питание матрицы лазеров осуществляется от общего источника питания с возможностью модуляции на частоте V=1-15 Гц, оптимальной для наблюдения лазерных пятен на объекте в зоне подсветки в условиях посторонних засветок.
Длина волны лазеров матрицы выбирается из условия максимального контраста изображения зоны подсветки на объекте с учетом спектральной чувствительности ПЗС-телекамеры и атмосферных условий на трассе наблюдения.
Передний фокус объектива телескопа удален от точки пересечения его оптической оси с осью рентгеновского пучка на расстояние t.
Для устранения эффекта экранирования выходного пучка телескопа корпусом кольцевой матрицы кольцевая матрица лазеров располагается в задней фокальной плоскости объектива телескопа, где диаметр пучка лазера телескопа минимален. Оптические оси лазеров матрицы параллельны друг другу и оптической оси телескопа согласно законам геометрической оптики фокусируются в его переднем фокусе, а затем распространяются в виде расходящегося пучка лучей с углом при вершине, равном
л
л
л
где D≤D - диаметр окружности, на которой размещены лазеры матрицы, D и f - диаметр и фокусное расстояние объектива телескопа соответственно. Соотношение D и f выбирается из условия равенства угла α - углу расхождения рентгеновского пучка.
Пучок рентгеновского излучения не испытывает преломления в жидкости и угол его расхождения 2α остается постоянным на всем пути до объекта.
В то же время конический пучок лучей, формируемый кольцевой матрицей лазеров, после преломления на границе воздух-жидкость испытывает преломление и угол его расхождения уменьшается в соответствии с законом преломления.
2
1
2
1
2
Как видно из чертежа, для того, чтобы после преломления на поверхности жидкости лучи лазеров кольцевой матрицы распространялись в ней с углом расхождения 2α, равным углу расхождения рентгеновского пучка, угол α падения в точке пересечения рентгеновского пучка с поверхностью жидкости должен быть равен углу β=n·sinα, что вытекает из закона преломления n·sinβ=n·sinα, при n=1 (воздух), таким образом β=arcsin(n·sinα).
Для определения положения вершины конуса лучей (т.е. О), формируемых кольцевой матрицей с помощью объектива телескопа, рассмотрим прямоугольные треугольники ОВС и ВЕС. Приравнивая их равные катеты ВС=Δ, получается Н·tgα=S·tgβ, где S=ОС. После вычитания отрезков СЕ=Н и OC=S получим окончательно с учетом подстановки
Обозначив отрезки ОМ=МР через t, т.к. МЕ=А (конструктивный размер), будем иметь .
2
Размер t и определяет расстояние от переднего фокуса объектива 5 до центра первого зеркала 4, при котором конический пучок лучей кольцевой матрицы лазеров распространяется в жидкости с углом расхождения 2α, равным углу расхождения рентгеновского пучка при заданном расстоянии Н от фокуса рентгеновской трубки до поверхности жидкости с показателем преломления n.
2
Очевидно, что величина t линейно связана с величиной H, если tgβ=const, что справедливо для конкретного и постоянного значения коэффициента преломления n жидкости.
2
Например, для морской и речной воды в широком диапазоне температур n=1,33=const.
Таким образом, зная величину H и углы (α и β) по показаниям УЗ-дальномера и установив передний фокус объектива S на соответствующем этим величинам расстоянии t от центра первого зеркала 4, размер зоны, просвечиваемой на объекте рентгеновским пучком, будет определен без искажений, связанных с эффектом преломления лазерных лучей на границе двух сред с различными показателями преломления.
Это позволяет избежать повторных снимков, точно выбрать нужный ракурс просвечивания и тем самым повысить эффективность контроля.
Понятно, что для точного наведения центратора на объект необходимо, чтобы поверхность жидкости была спокойной, а сама жидкость - прозрачной, без рассеивающих включений и примесей.
2
r
Необходимо также иметь ввиду, что при наблюдении объекта в жидкости из воздуха он окажется находящимся на расстоянии от ее поверхности в n раз меньшим, чем геометрическая толщина h слоя, т.е.. Это необходимо учитывать при калибровке дальномерной системы центратора в конкретной среде [3].
Приведем некоторые численные оценки параметров схемы центратора для его макетного варианта.
л
2
Объектив 5 имеет фокус f′=200 мм, его диаметр D=110 мм, диаметр матрицы лазеров D=100 мм. Угол расхождения рентгеновского пучка 2α=20°. Жидкость - вода с n=1,33.
2
sinα=0,17, sinβ=n·sinα=0,23, β=13°,
tgα=0,18, tgβ=0,23, tgα/tgβ=0,78.
Для типового значения Н=3000 мм=3м.
Δ=3,0·0,18=0,54м=540 мм,
d=H-S=0,65 м=650 мм.
Тогда при А=900 мм (конструктивный параметр) получаем t=А - d=250 мм.
Для Н=4000 мм Δ=720 мм, S=3130 мм,
d=H-S=870мм, t=30 мм.
Таким образом, диапазон перемещения модуля с лазером и телевизионной системой для приведенных параметрах оптической схемы составил 220 мм, что вполне соответствует конструктивным требованиям к центратору.
Литература.
1. Патент РФ N 2237984, Лазерный центратор.
2. Турыгин И.А. Прикладная оптика, М.: Машиностроение, 1986, 35 с.
3. Подводная фотография. Бабак Э.В. и др. Машиностроение, 1969, 176 с.