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

Изобретение относится к неразрушающему контролю с использованием рентгеновского излучения и может быть применено для контроля материалов и изделий радиационным методом в различных отраслях машиностроения.
Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двухсторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых установлен на пересечении оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен на оси лазера вне проекции на него выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой осью лазера и осью рентгеновского пучка, средство индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе [1].
Недостаток данного устройства - невозможность точного наведения оси рентгеновского пучка на нужную зону объекта из-за отсутствия средства его точечной подсветки лазерным лучом, совпадающим с направлением оси рентгеновского пучка, а также сложность контроля (оценки) перпендикулярности к поверхности объекта оси рентгеновского пучка, что необходимо, в частности, при радиационном контроле сотовых панелей и подобных изделий, состоящих из большого числа расположенных параллельно друг другу ячеек, ориентированных ортогонально внешней поверхности панели. Неперпендикулярность поверхности сотовой панели к оси рентгеновского пучка приводит к возникновению артефактов на изображениях отдельных ячеек из-за эффекта их взаимного экранирования.
Известен центратор [2], в котором для устранения этих недостатков дополнительно введены светоделитель, расположенный на оси лазера между первым отражателем и первой цилиндрической линзой, телекамера, оптическая ось объектива которой совпадает с осью, перпендикулярной оси лазера и проходящей через точку пересечения светоделителя с осью лазера, и которая с помощью светоделителя первого, отражателя совмещается с осью рентгеновского пучка, обеспечивая безпараллаксное наблюдение зоны объекта, облучаемой рентгеновским пучком, видеомонитор и сферическая линза, располагаемая на оси лазера вместо первой цилиндрической линзы, обе линзы установлены с возможностью ввода-вывода из пучка лазерного излучения, фокусное расстояние сферической линзы численно равно фокусному расстоянию цилиндрической линзы и определяется из соотношения f=h/tg·α, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского пучка. Сферическая линза при ее введении в пучок лазера вместо первой цилиндрической линзы формирует расходящийся конический пучок, который при пересечении с поверхностью объекта формирует на нем изображение в виде круглого диска или эллипса в зависимости от того, перпендикулярна она оси рентгеновского пучка или нет. При этом площади, освещаемые на объекте лазером и просвечиваемые рентгеновским пучком, будут равны. На экране монитора могут быть установлены различные сетки количественной оценки степени эллиптичности и/или адекватной ей неперпендикулярности объекта к оси рентгеновского пучка, связанные очевидным соотношением β=arccos(D′/D), где D′ и D - малая и большая оси эллиптического сечения конического пучка объектом контроля, нормаль к плоскости которого отклоняется от оси рентгеновского пучка на угол β. Для автоматизации процесса контроля и коррекции неперпендикулярности оси рентгеновского пучка к плоскости объекта могут использоваться стандартные ПЭВМ и устройства для дистанционного управления взаимной угловой ориентации объекта и рентгеновского аппарата.
Недостаток данного центратора - отсутствие контроля за положением зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением со стороны объекта, противоположной рентгеновскому излучателю. Особенно проявляется этот недостаток при контроле крупногабаритных конструкций авиакосмической техники, например сотовых панелей в крыльях широкофюзеляжных самолетов типа «Руслан», Ил-96 и др., на наличие воды в сотах. При этом рентгеновский аппарат размещается под крылом самолета на аэродроме и пучок рентгеновского излучения направляют вертикально вверх. На противоположной по ходу рентгеновских лучей верхней поверхности крыла располагается кассета с рентгеновской пленкой. При этом верхняя поверхность крыла откосно расчерчивается (размечается) сеткой квадратов, размер которых равен размеру кассеты. По существующей технологии контроля кассета устанавливается на один из квадратов сетки, нанесенной на крыле, и производится серия снимков при различных положениях рентгеновского аппарата под крылом на земле, и фиксируется его позиция, при которой пленка засвечена полностью. Затем, зная расположение квадратов сетки на верхней поверхности крыла, производят перемещение аппарата на соответствующие центрам этих квадратов расстояния и производят снимки всего крыла.
Подобная процедура отнимает много времени, приводит к потерям дорогостоящей рентгеновской пленки.
Кроме того, возникают трудности при определении фокусного расстояния рентгеновского аппарата, т.е. расстояния от фокуса трубки рентгеновского излучателя до пленки в кассете, т.к. лазерная система центратора позволяет измерять только расстояние от рентгеновского излучателя до нижней поверхности крыла и при этом не учитывается реальная толщина объекта.
Это препятствует, в частности, точному расчету геометрической нерезкости, зависящей от фокусного расстояния и учет которой необходим при расшифровке рентгенограмм.
Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, расположенные в нем лазер с двухсторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых 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 поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера и осью рентгеновского пучка, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, две цилиндрические линзы, установленные на оси излучения лазера поперек каждого его выходного пучка, первая - между одним из торцов лазера и первым отражателем, вторая - между вторым торцом лазера и вторым отражателем, первая цилиндрическая линза установлена с возможностью ввода-вывода из пучка лазерного излучения, светоделитель, расположенный на оси лазера между первым отражателем и первой цилиндрической линзой, телекамеру, оптическая ось объектива которой совпадает с осью, перпендикулярной оси лазера и проходящей через точку пересечения светоделителя с осью лазера, сферическую линзу, устанавливаемую на оси лазера с возможностью ее выведения из лазерного пучка и введения на ее место первой цилиндрической линзы, фокусное расстояние сферической линзы определено таким образом, чтобы формировался конический световой пучок, идентичный по геометрическим параметрам пучку рентгеновского излучения, видеомонитор, на котором наблюдаются изображения сечения конического светового пучка поверхностью объекта, по отклонениям формы которых от окружности можно судить об угловой ориентации объекта относительно оси рентгеновского пучка, измерительные шкалы для количественной оценки угла отклонения нормали к поверхности объекта относительно оси рентгеновского пучка в точке ее пересечения с осью рентгеновского пучка по соотношению β=arccos(D'/D), где D и D′ - размеры полуосей эллиптических сечений поверхностью объекта конического светового пучка, формируемого сферической линзой, установленной на экране монитора, в который дополнительно введены диафрагма диаметром d из материала, непрозрачного для рентгеновского излучения, устанавливаемая с возможностью ее ввода-вывода из пучка рентгеновского излучения на оси этого пучка на расстоянии t от фокуса рентгеновской трубки, и кассета с люминофорной пластиной размером А×А, равным размеру пленки, применяемой при рентгенографическом контроле, в которой на оси, проходящей через центр пластины, перпендикулярно к ней, на расстоянии h от пластины установлено зеркало под углом 45° к этой оси, и дополнительная телекамера, установленная на оси, проходящей через центр зеркала, расположенного в кассете, параллельно пластине рентгенолюминофора на расстоянии R≥A/2 от этого центра вне зоны распространения пучка рентгеновского излучения, дополнительная телекамера снабжена кабельным и/или эфирным каналом связи с дополнительным монитором, установленным на пульте дистанционного управления перемещениями рентгеновского излучателя относительно объекта контроля, с помощью которого производится оценка взаимной ориентации кассеты и пучка рентгеновского излучения по расположению и форме изображения диафрагмы на рентгенолюминофоре, при этом диаметр диафрагмы d, ее расстояние от фокуса рентгеновской трубки t, размер изображения диафрагмы в плоскости рентгенолюминофорной пластины 2с, фокусное расстояние рентгеновского излучателя F, расстояние от рентгеновского излучателя до объекта контроля L и толщина просвечиваемого участка объекта по оси рентгеновского пучка Δ связаны соотношением
, где F=L+Δ, угол поля зрения дополнительной телекамеры φ, размер квадратной пластины рентгенолюминофора А, расстояние от центра этой пластины до центра зеркала, расположенного в кассете, h и расстояние от центра зеркала, расположенного в кассете, до объектива дополнительной телекамеры на ее оптической оси R выбирается из соотношения
а фокусное расстояние f′ объектива дополнительной телекамеры с ПЗС-матрицей размером В×В определяется выражением
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства (а) и вид изображений на экране видеомонитора сечение светового конического пучка при перпендикулярном (б) и наклонном (в) положении поверхности объекта относительно осей конических рентгеновского и светового пучков.
Лазерный центратор (фиг.1) содержит рентгеновский излучатель 1, к которому прикреплен корпус 2, в котором расположены отражатель 3 из оргстекла, светоделитель 4, цилиндрическая 5 и сферическая 11 линзы; лазер с двухсторонним выходом излучения 6, вторая цилиндрическая линза 7, идентичная линза 5, второй отражатель 8, установленные с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной оси лазера и расположенной в плоскости, проходящей через ось и перпендикулярной плоскости чертежа, скрепленной с отражателем 8, указатель 9 и установленная на корпусе 2 шкала 10 для отсчета расстояния от рентгеновского излучателя до объекта контроля 14 и за которым располагают кассету 15 с пластинкой из рентгенолюминофора 16, имеющей размер, равный размеру применяемой при рентгенографии рентгеновской пленки.
В корпусе 2 расположена также телекамера 12 с видеомонитором 13, располагаемая вне зоны распространения пучка рентгеновского излучения.
В специальной кассете 15 расположено зеркало 17, установленное на оси, проходящей через центр пластины рентгенолюминофора 16 под углом 45° к этой оси на расстоянии. Расстояние от центра пластины рентгенолюминофора до центра зеркала h и расстояние от дополнительной телекамеры с удвоенным углом поля зрения 2φ до центра зеркала R выбираются из условия, чтобы поле зрения объектива телекамера h охватывала диагональ пластины рентгенолюминофора размером . Между этими величинами существует очевидное соотношение
Данное соотношение получено с учетом известного выражения, связывающего фокусное расстояние f′ объектива телекамеры и диагональю ее ПЗС-матрицы размером В с углом поля зрения φ телекамеры
откуда
Приравнивая эти выражения для угла поля зрения, получим окончательно
Дополнительная телекамера 18 установлена вне зоны распространения рентгеновского пучка и не связана с дополнительным монитором 21 каналом кабельной и/или эфирной радиосвязи.
Центратор работает следующим образом.
При выведенных из лазерного пучка линзах 5 и 11 лазер формирует на объекте 14 яркую точку, которая используется в качестве целеуказателя для точного наведения рентгеновского излучателя на центр зоны контроля.
Затем в пучок лазера вводится сферическая линза 11.
При этом на экране видеомонитора 13 наблюдают изображение сечения конического светового пучка поверхностью объекта, а также визуально оценивают поверхность объекта.
Если оно имеет форму эллипса, производят взаимные линейные и угловые перемещения объекта и рентгеновского излучателя, добиваясь, чтобы сечение приняло вид круглого диска, что соответствует перпендикулярности объекта оси рентгеновского пучка.
После завершения операции ориентирования объекта 14 относительно рентгеновского излучателя сферическую линзу выводят из лазерного пучка, на ее место устанавливают цилиндрическую линзу 5, вращают отражатель 6 и до момента совпадения неподвижной вертикальной полоски, формируемой первым отражателем 3, и первой цилиндрической полоски, формируемой на объекте второй цилиндрической линзой 7 и отражателем 8, считывают по шкале 10 расстояние от рентгеновского излучателя до объекта контроля 14.
Для повышения точности угловой ориентации объекта и объективизации этого процесса на экране видеомониторов могут устанавливаться различные измерительные шкалы. Возможно такое использование ПЭВМ для формирования соответствующих шкал на экране дисплея и автоматизации процесса ориентации контроля.
Соотношение между отношением D и D′ осей эллипса (см. чертеж (а)) и углом β отношения оси рентгеновского пучка от нормали N к поверхности объекта в точке ее пересечения с этой осью имеет вид cosβ=D′/D.
После выполнения операций по ориентации центратора с помощью лазера на поверхности объекта, внешней по отношению к излучателю, располагают в нужной зоне кассету 15 с рентгенолюминофором, вводят диафрагму 23 в пучок рентгеновского излучения и включают рентгеновский излучатель. Наблюдают на экране дополнительного монитора 21 изображение диафрагмы 23 и с помощью пульта дистанционного управления 20 перемещают тележку 19, расположенную под объектом 14 на поверхности аэродрома 22, пока изображение диафрагмы не окажется в центре экрана монитора 21.
Затем выключают излучатель 1, заменяют кассету 15 на кассету с пленкой и производят ее экспонирование.
Затем тележку перемещают на необходимое расстояние, равное, например, шагу сетки на верхней поверхности крыла самолета, располагают новую кассету с пленкой в нужном квадрате разметочной сетки и производят ее экспонирование.
После этого операции, описанные выше, повторяют до завершения полного объема контроля.
На фиг.2 приведена схема формирования изображения диафрагмы на пластине рентгенолюминофора.
Анализ подобных треугольников ОВС и ОКН дает следующее соотношение для основных параметров центратора
откуда
Из фиг.1 имеем F=L+Δ, после этого окончательно получим
.
Отметим, что предлагаемая процедура контроля позволяет определять толщину просвечиваемого участка объекта по оси рентгеновского пучка в том случае, если ее значение неизвестно.
Действительно, после элементарных преобразований из выражения (1) получаем , L получают из лазерных измерений, а диаметр изображения диафрагмы 2с на пластине рентгенолюминофора определяют из выражения
2с=k·2с, где 2с - размер изображения диафрагмы на экране монитора 21, k - масштабный множитель, зависящий только от фокусного расстояния телекамеры 18 и который, соответственно, является константной для конкретной телекамеры.
На фиг.3 представлены вид экрана монитора 13 в процессе измерения расстояния до объекта (а) и при ориентировании центратора перпендикулярно нижней плоскости объекта (б).
На фиг.3 в и 3 г показано изображение диафрагмы 23 на экране дополнительного монитора 21 при различных положениях тележки 19 под крылом самолета.
Отметим, что при контроле объектов, верхняя и нижняя поверхности которых не параллельны, угловое ориентирование центратора по отношению к кассете с пленкой можно проводить непосредственно по изображениям диафрагмы 23 на экране монитора 21. Понятно, что при этом возможно и непосредственное определение фокусного расстояния центратора по размеру этого изображения с помощью приведенных выше соотношений.
Литература
1. Патент РФ №2106619 от 10.03.1996 г.
2. Патент РФ №2250575 от 26.12.2002 г.