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

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий авиакосмической отрасли, трубопроводных систем транспортировки нефти и газа и т.п. объектов с помощью рентгенографического метода.
Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, в котором размещены центральный лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей лазерного и рентгеновских пучков перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект лазерный луч, совпадающий с осью симметрии рентгеновского пучка, для определения центра зоны просвечивания объекта рентгеновским излучением, ультразвуковой дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, цифровая фотокамера, ось которой параллельна оси рентгеновского пучка, объектив, оптическая ось которого совпадает с оптической осью лазера, и кольцевая матрица полупроводниковых микролазеров, установленная перед объективом со стороны его заднего фокуса, ось симметрии которой совпадает с осью центрального лазера, и на объекте формирует кольцевую структуру лазерных точек для визуализации зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением [1].
Однако данный центратор имеет ряд недостатков. Например, при часто встречающихся на практике случаях рентгенографирования объектов, находящихся под слоем воды, нефти, спирта, кислот, химических растворов или иной жидкости, необходимо не только оценивать расстояние от объекта до центратора, но и определять толщину слоя жидкости над объектом, так как это сильно влияет на качество рентгенограмм из-за сильного рассеивания рентгеновского излучения в жидких средах. Вместе с тем ультразвуковые дальномеры могут определять только расстояние от центратора до внешней поверхности жидкой среды.
Измерение глубины слоя жидкости механическими средствами (мерные рейки, отвесы и пр.) трудоемко, не точно, не оперативно, а в случае агрессивных жидкостей (кислоты и пр.) опасно.
Лазерные дальномеры могут измерять расстояние до объекта в двухфазных средах (вода-воздух), но их показания зависят от оптической толщины слоя жидкости, т.е. от произведения его геометрической толщины на показатель преломления жидкости. В показаниях дальномера доля пути, проделанного лучом лазера в жидкой среде, как правило, неизвестно, что приводит к неопределенности результатов измерений, в частности к завышению расстояний.
Цель изобретения - устранение этого недостатка.
Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, в котором размещены центральный лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей лазерного и рентгеновских пучков перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект лазерный луч, совпадающий с осью симметрии рентгеновского пучка для определения центра зоны просвечивания объекта, цифровая фотокамера и ультразвуковой дальномер, оси которых параллельны оси рентгеновского пучка, кольцевая матрица полупроводниковых микролазеров с диаметром D, установленная на оси центрального лазера на расстоянии (А+В) от центра зеркала из оргстекла, где А - расстояние от центра этого зеркала до фокуса рентгеновской трубки,  α - угол расходимости пучка рентгеновского излучения, которая формирует на объекте кольцевую структуру лазерных точек, для визуализации положения и размера зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, дополнительно введены лазерный дальномер, оптическая ось которого параллельна оси рентгеновского пучка и оси излучения ультразвукового дальномера, измерительные базы обоих дальномеров расположены на одном уровне, длина волны излучения лазерного дальномера выбирается в диапазоне длины волны, в котором жидкая среда над объектом прозрачна и имеет минимальное светорассеивание, а расстояние от объекта до центратора вычисляется по формуле
,
уз
л
где H - показания ультразвукового дальномера, равные расстоянию от центратора до поверхности жидкой среды с показателем преломления n, Δ - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до измерительных баз дальномеров, Н - показания лазерного дальномера, показания обоих дальномеров берутся в единой шкале линейных измерительных единиц, например в метрах, а толщина h слоя жидкости определяется по выражению
Схема лазерного центратора приведена на чертеже.
Он содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2. В корпусе 2 находится зеркало 3 из оргстекла, установленное на пересечении осей лазера и рентгеновского пучка, полупрозрачное зеркало 4, установленное на оси лазера между зеркалом из оргстекла и кольцевой матрицей диаметром D=2R полупроводниковых микролазеров 5, лучи которых наклонены к оси центрального лазера 6 под углом  равному половине угла расходимости рентгеновского пучка, и сходятся на оси центрального лазера 6 в точке, отстоящей на расстоянии А от центра зеркала 3, а затем после отображения от него, формируют конической сноп лучей, соосный с рентгеновским пучком и имеющий одинаковый с ним угол раскрытия. При этом на объекте возникает кольцевая структура лазерных пятен, с помощью которой можно оценить положение и размер зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением. Пятно от центрального лазера обозначает центр этой зоны.
На корпусе 2 крепятся ультразвуковой 8 и лазерный 7 дальномеры, оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, а измерительные базы находятся на одном расстоянии Δ от фокуса рентгеновского излучателя.
В корпусе 2 находятся также цифровая фотокамера, состоящая из фильтра 9, объектива 10 и ПЗС-матрицы 11 с дисплеем 12. Объект 13 находится в жидкой среде с показателем преломления n и толщиной h.
Центратор работает следующим образом. Включают микролазеры матрицы 5, центральный лазер 6 и наводят с их помощью рентгеновский излучатель на зону контура объекта 13, контролируя процесс наведения центратора по экрану дисплея 12. Необходимое условие эффективной работы центратора - жидкость должна быть чистой, прозрачной в полосе излучения лазера, со спокойной поверхностью.
Затем включают дальномеры, снимают показания и вычисляют расстояние от объекта до центратора и толщину слоя жидкости с известным показателем преломления по приведенным выше формулам.
Вычисления могут выполняться вручную или автоматически. В последнем случае в центратор введен компьютер или иное вспомогательное устройство.
Если показатель преломления жидкости неизвестен, его определяют стандартными рефрактометрами или с помощью справочных таблиц [2, 3].
Для воды длина волны лазера выбирается обычно в видимом диапазоне длин волн (λ=0,4÷0,7 мкм).
Показатель преломления воды как пресной, так и морской, хорошо известен и с достаточной для практики рентгеновского контроля может быть принят n=1,33.
Для других жидкостей (нефть, жидкий азот, кислоты, бензин, керосин, спецсоставы и т.д.) показатель преломления определяется индивидуально. Обычно он равен Н=1,35÷1,45 [2].
Полосы пропускания конкретных жидкостей приведены в ряде справочников или определяются экспериментально. Для углеводов, например, полосы пропускания лежат обычно в инфракрасной области спектра (λ=0,9÷8 мкм), в которой излучают многочисленные промышленные лазеры.
Для повышения точности измерений целесообразно проводить калибровку лазерного дальномера в реальных условиях, измеряя толщину слоя воды или жидкости с помощью мерных линеек, шестов и т.п. приспособлений с погрешностью не хуже ±1 мм.
Для иллюстрации приведем результаты испытаний центратора с лазерным дальномером фирмы Лейка (Австрия) марки «Дисто» и ультразвуковым дальномером марки «ФИТ» (Англия) в бассейне. Глубина составляла 2 м, толщина слоя воды изменялась от 0 до 2 м.
Дальномеры располагались на постоянном расстоянии 3 м от бассейна.
Результаты измерений приведены в табл. 1. Показатель преломления принят, равным n=1,33.
Погрешность измерений обоих дальномеров не превышала ±0,01 м (1 см).
Как видно, показания лазерного дальномера сильно зависят от толщины водного слоя, а ультразвуковой дальномер измеряет расстояние только до водной поверхности.
Результаты эксперимента полностью подтвердили справедливость технического решения, положенного в основу изобретения.
Таблица 1
Толщина слоя воды, м
Показания дальномеров
Расчетные значения
УЗ
Лазер
h, м
Н, м
0
3,00
3,00
0
3.00
1
2,00
3,33
1,01
3,01
2
1,00
3,65
2,00
2,99
Бассейн наполнялся чистой водопроводной водой с температурой t=+20°C. Измерения проводились летом, на открытом воздухе, при нормальных погодных условиях (ясная погода, полдень, ветер отсутствует, водная поверхность, атмосферное давление 760 мм рт. столба, температура воздуха +23°С, влажность W≈70%). Длина волны лазерного дальномера λ=0,63 мкм, мощность излучения 3 мВт.
Погрешность измерений толщины слоя воды и расстояния от объекта (дна бассейна) до центратора не превысила ±1,5 см в абсолютной мере или не более 0,5% в относительных единицах.
Толщина слоя воды определялась стандартной рулеткой с ценой деления 1 мм и с помощью мерного шеста.
В табл.1 Н - расстояние до объекта, вычисленное по формулам, приведенным выше в описании изобретения, h - вычисленная толщина слоя воды.
Литература
1. Патент RU N 2263421 С1. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.
2. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии, Л.: Химия, 1983, 352 с.
3. Золотарев В.М. и др. Оптические постоянные природных и технических сред, Справочник, Л.: Химия, 1984, 360 с.