МИКРОФОКУСНОЕ УСТРОЙСТВО РЕНТГЕНОВСКОГО КОНТРОЛЯ
MICROFOCUS DEVICE OF X-RAY CONTROL

Техническое решение относится к средствам для анализа материалов с использованием рентгеновского излучения и предназначено для рентгеновского контроля объектов в реальном времени, требующих высокого пространственного разрешения. Решение может быть использовано для получения наборов проекционных данных исследуемого объекта, например для неразрушающего контроля и анализа широкого спектра изделий, таких как печатные платы, узлы, электронные компоненты, микросборки и модули и т.д.
Традиционно микрофокусное устройство рентгеновского контроля строится по схеме микрофокусный рентгеновский источник - объект исследования - приемник рентгеновского излучения и содержит в качестве основных компонентов оптически связанные рентгеновскую трубку и высокоразрешающий плоскопанельный детектор. Такое устройство может быть размещено в рентгенозащитном корпусе, что позволяет устанавливать его непосредственно в производственных помещениях без предъявления дополнительных требований по безопасности. При проведении исследования объект анализа размещают на координатном столе, находящемся на пути следования рентгеновского луча от источника рентгеновского излучения к детектору. Помимо указанных компонентов в состав устройства входит, как правило, система перемещения с различного рода манипуляторами, обеспечивающая взаимосвязанное перемещение компонентов устройства относительно друг друга. Данная система обеспечивает, например, перемещение стола в горизонтальной плоскости X Y, наклон детектора и его перемещение по направляющим для обеспечения максимально возможного углового и кругового обзора, а также перемещение стола вдоль вертикальной оси Z.
Из уровня техники известно устройство для анализа объекта с помощью рентгеновского излучения (патент US №6687328, опубл. 03.02.2004). В рентгенозащитном корпусе устройства размещены рентгеновская трубка, детектор, система поступательного перемещения (позиционирования) трубки и детектора в направлениях X и Z, стол - платформа с поддоном, на котором находится объект исследования (образец). В плоскости платформы с поддоном закреплены внешняя и внутренняя рамы с соответствующими приводами для обеспечения возможности всестороннего анализа образца, размещаемого на поддоне. Рамы с закрепленным столом - платформой работают по принципу карданова подвеса. Система поступательного перемещения прикреплена к внутренней части корпуса и состоит из нескольких направляющих. К одной из таких направляющих, расположенной над предметным столом, прикреплена рентгеновская трубка, к другой, находящейся под предметным столом, прикреплен детектор. И трубка, и детектор выполнены с возможностью перемещения по соответствующим направляющим. Получение изображения выполняется путем воздействия рентгеновского излучения на исследуемую область образца в его нескольких пространственных положениях. При этом трубка и детектор могут перемещаться только поступательно, а платформа с размещенным на ней образцом, благодаря шарнирному креплению в рамах может вращаться как минимум в одной плоскости, либо одновременно в нескольких плоскостях (максимально - в трех).
Известно также устройство рентгеновского контроля элементов электронной схемы, (https://www.ees.it/wp-content/uploads/2012/01/Nikon_X-RAY-XTV1601.pdf), выполняющее детализированный просмотр и анализ внутренней структуры образца. Устройство включает микрофокусную рентгеновскую трубку и оптически связанный с трубкой плоскопанельный детектор. Образец размещают на поддоне, установленном на подвижной горизонтальной платформе, расположенной между трубкой и детектором. Причем, в отличие от вышеописанного аналога, рентгеновская трубка установлена под столом, а детектор находится над столом и прикреплен к горизонтальной направляющей двухопорной П-образной балки, вдоль которой он может перемещаться. Устройство, в отличие от предыдущего аналога, имеет больше степеней свободы и для получения изображения исследуемой области образца реализовано пять вариантов перемещения входящих в его состав компонентов: балка с детектором выполнена с возможностью плавного отклонения в обе стороны от координатной оси Z на угол ±70°; платформа с поддоном выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль координатной оси Y, а поддон - с возможностью вращения вокруг вертикальной оси Z в плоскости платформы. В техническом решении исключено перемещение платформы с поддоном вдоль координатной оси X, вместо этого в устройстве реализована возможность синхронного перемещения детектора и рентгеновской трубки по своим направляющим вдоль этой оси. Известно, что для получения заданного рентгеновского увеличения объекта необходимо обеспечить соответствующие отрезки между анодом трубки и образцом и образцом и детектором рентгеновского излучения. Данная возможность, по сравнению с вышеописанным аналогом, в этом устройстве реализована за счет наличия вертикального перемещения платформы с поддоном, что позволило отчасти минимизировать горизонтальные габариты устройства. Однако в данной конструкции, как и в предыдущем техническом решении, рентгеновская трубка является подвижной, при этом вес ее составляет 30 кг и может доходить до 50 кг, что при соблюдении требований к точности позиционирования трубки накладывает жесткие требования по исполнению механических компонентов устройства, их соединений друг с другом и четкой реализации довольно сложных алгоритмов синхронизации их работы.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является решение по патенту US №9442080 (опубл. 13.09.2016), в котором описано устройство для получения трехмерной модели области интереса объекта исследования. Устройство включает опорную раму с расположенным на ней координатным столом. К раме посредством подшипников прикреплена двухопорная дугообразная балка с направляющим профилем, соответствующим форме дуги; на концах балки установлены противовесы. Помимо этого, устройство содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, неподвижно установленный под опорной рамой, причем напротив места расположения источника находится центр дугообразной балки, и блок детектирования (детектор). Детектор закреплен в направляющем профиле балки и выполнен с возможностью перемещения по профилю. Активной областью детектор обращен к объекту анализа, помещаемому на поддоне, установленном на координатном столе, и оптически связан с источником рентгеновского излучения. Имеется система управления передвижением компонентов устройства, реализованная в виде приводов возвратно-поступательного движения, каждый из которых соответственно управляет перемещением координатного стола с поддоном в направлении X, в направлении Y и в направлении Z. Кроме того, имеются приводы, предназначенные для перемещения детектора по профилю направляющей дугообразной балки, к которой он прикреплен, и привод, управляющий движением (наклоном) самой балки. Для обеспечения осмотра объекта и формирования проекций изображения устройство позволяет выполнять анализ объекта, размещаемого на поддоне координатного стола, с заданным уголом раствора рабочего пучка рентгеновского излучения трубки. Этот угол составляет 140° поскольку детектор по дуге смещается относительно оси рабочего пучка на угол ±70° и сама дуга наклоняется также на угол ±70°. Таким образом, детектор описывает полусферу вокруг объекта исследования.
Общим недостатком известных устройств являются большие габаритные размеры, в частности горизонтальные габариты: при перемещении объекта в области зоны контроля габариты устройства по координатам X Y должны быть определены, исходя как минимум из удвоенных максимальных размеров исследуемого объекта. (Кроме того, при вращении координатного стола (устройство фирмы NIKON METROLOGY NV) габарит увеличивается как минимум в корень из двух раз, что определяется радиусом окружности, в которую вписан габаритный стол.) Помимо этого, в устройстве, представленном на сайте фирмы NIKON METROLOGY NV, и в устройстве по патентному документу US №9442080 при наклоне балки с размещенным на ней блоком детектирования в обе стороны от оси Z за счет трения в местах крепления балки к опорной раме возникают дополнительные вибрации, которые в итоге приводят к искажению информации и результатов анализа.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании изобретения, является расширение арсенала микрофокусных устройств рентгеновского контроля, альтернативного устройству прототипа и обладающего меньшими массогабаритными показателями при том же размере координатного стола для размещения исследуемого объекта и имеющего высокую эксплуатационную надежность. Техническим результатом является уменьшение габаритов без ухудшения технических и пользовательских характеристик устройства рентгеновского контроля.
Указанный технический результат достигается в микрофокусном устройстве рентгеновского контроля, которое включает конструкцию, содержащую опорную раму, под которой установлена неподвижно и центросимметрично относительно указанной рамы рентгеновская трубка. Ось рабочего пучка рентгеновского излучения трубки направлена по нормали к плоскости опорной рамы. Кроме того, устройство содержит блок детектирования, оптически связанный с трубкой, причем блок детектирования находится над опорной рамой и размещен на дугообразной балке с возможностью перемещения по ней на требуемый угол раствора рабочего пучка рентгеновского излучения трубки. Между указанными трубкой и блоком детектирования смонтирован на опорной раме координатный стол с расположенным на нем поддоном для размещения объекта и выполненный с возможностью перемещения по координатным осям X, Y и Z. Данная конструкция установлена и закреплена внутри каркаса, состоящего из жестко соединенных направляющих, при этом дугообразная балка соединена с верхней направляющей каркаса с помощью средства крепления, неподвижно установленного напротив рентгеновской трубки. Средство крепления выполнено с возможностью обеспечения вращение балки вокруг оси рабочего пучка рентгеновского излучения, а сама балка имеет рабочий и нерабочий участки, где рабочий участок предназначен для перемещения блока детектирования и его длина пропорциональна максимальной величине упомянутого угла раствора, а данный угол ограничен осью рабочего пучка рентгеновского излучения и оптической осью блока детектирования.
В известных устройствах - аналогах предпринята попытка минимизировать при сохранении размера поддона габаритные размеры устройства за счет выполнения балки для перемещения детектора в виде двухопорной П-образной балки, либо в виде двухопорной дугообразной балки, как это описано соответственно на сайте компании NIKON METROLOGY NV и в патентном документе US №9442080. Однако автор и заявитель установили, что наличие таких элементов конструкции является причиной значительных габаритов устройства. Выполнение балки так, как это предлагается автором и заявителем, снизит габаритные размеры устройства, значительно повысит его надежность за счет сокращения числа механических соединений, которые предусматривались в устройствах-аналогах. Балка в заявляемом решении выполняет не возвратно-поступательное, а круговое вращение вокруг образца, используя лишь один узел соединения балки с направляющей каркаса, при этом детектор так же, как и в устройствах - аналогах, описывает вокруг объекта исследования полусферу, т.е. позволяет выполнить тот же функционал, но при меньших габаритах. Преимуществом заявленного технического решения также является использование узла жесткой передачи для крепления балки. В отличие от традиционно используемых в таких устройствах длинных ременных передач, предлагаемая конструкция меньше подвержена вибрациям и соответственно обеспечивает большую точность позиционирования дуги и, следовательно, блока детектирования по всей описываемой полусфере.
Целесообразно, чтобы максимальная величина угла раствора, ограниченного осью рабочего пучка рентгеновского излучения и оптической осью блока детектирования, составляла не более чем 80°.
Целесообразно, чтобы средство соединения указанной балки с направляющей каркаса было выполнено в виде подшипника вращения.
Кроме того, целесообразно, чтобы
- на нерабочем участке дугообразной балки был размещен регулировочный противовес, обеспечивающий при вращении балки равномерное распределение нагрузки на подшипник вращения
- и противовес был выполнен полым для размещения в нем оборудования для управления перемещением детектора.
В конкретном воплощении устройство дополнительно снабжено средством гашения вибраций, уменьшающих влияние внешних вибраций на устройство. При этом средство гашения выполнено, например, в виде воздушных пружин, равномерно установленных по периметру нижних направляющих каркаса, причем количество и рабочие параметры воздушных пружин могут меняться в зависимости от требуемых характеристик устройства. Использование средств гашения является немаловажным фактором для таких устройств, поскольку вибрации оказывают негативное влияние на сохранение стабильности параметров компонентов устройства, что в итоге сказывается и на качестве проводимого анализа.
Заявляемый технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков в рамках реализации назначения, при этом все составляющие устройства, характеризуемые существенными признаками, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны. Все составляющие устройства объединены в единую конструкцию, размещаемую и жестко закрепленную в каркасе, и при изготовлении устройства соединяются между собой сборочными операциями.
Для описания конструкции устройства и его функционирования в документе использованы следующие термины, применяемые в данной области техники и приведенные в ГОСТ 20337-74 и ГОСТ 22091.3-84:
угол раствора рабочего пучка рентгеновского излучения трубки - угол рабочего пучка, измеряемый в заданной плоскости, проходящей через ось рабочего пучка рентгеновского излучения трубки,
ось рабочего пучка рентгеновского излучения трубки - условная прямая линия, совпадающая с осью конуса, ограничивающего рабочий пучок рентгеновского излучения трубки.
На фиг. 1-4 приведены элементы конструкции микрофокусного устройства рентгеновского контроля, при этом схематично показаны на фиг. 1 - общий вид, где координатный стол с расположенным на нем поддоном находится в исходном положении в плоскости опорной рамы, фиг. 2 - общий вид устройства, где координатный стол с расположенным на нем поддоном находятся в одном из рабочих положений, фиг. 3 - размещение устройства в рентгенозащитном корпусе, фиг. 4 - схематическое изображение компонентов микрофокусного устройства рентгеновского контроля; позициями обозначены:
1 - микрофокусное устройство рентгеновского контроля,
2 - каркас, состоящий из жестко соединенных направляющих,
3 - опорная рама,
4 - микрофокусная рентгеновская трубка,
5 - блок детектирования (детектор),
6 - дугообразная балка с рабочим (6а) и нерабочим (6б) участками,
7 - координатный стол,
8 - поддон,
9 - противовес,
10 - подшипник вращения,
11 - ось рабочего пучка рентгеновского излучения трубки 4,
12 - оптическая ось блока детектирования 5,
13 - воздушные пружины,
14 - объект контроля (образец),
15 - рентгенозащитный корпус.
Микрофокусное устройство рентгеновского контроля 1 содержит каркас 2, выполненный из жестко соединенных направляющих. Внутри каркаса установлена конструкция, которая включает размещенную на его направляющих опорную раму 3, под которой установлена неподвижно и центросимметрично относительно указанной рамы микрофокусная рентгеновская трубка 4 открытого типа с прострельным анодом и размером фокусного пятна не более 2 мкм. Для микрофокусных трубок такого типа угол раствора рабочего пучка рентгеновского излучения (на фиг. 4 - угол мишени анода α), как правило, составляет 160°. Ось 11 рабочего пучка рентгеновского излучения трубки 4 направлена по нормали к плоскости опорной рамы 3. Конструкция включает также детектор 5, оптически связанный с трубкой 4. Детектор 5 находится над опорной рамой 3 и размещен на дугообразной балке 6 с возможностью перемещения по ней. При этом балка 6 закреплена на верхней направляющей каркаса 2 с помощью подшипника вращения 10, причем подшипник 10 должен быть отцентрирован относительно фокуса рентгеновской трубки 4 (причем плоскости подшипника, трубки и координатного стола должны быть параллельны). Балка 6 имеет рабочий 6а и нерабочий 6б участки, где рабочий участок 6а предназначен для перемещения детектора 5. Длина участка 6а, вдоль которого может перемещаться детектор 5 при выполнении анализа объекта, ограничивается осью 11 рабочего пучка рентгеновского излучения и оптической осью 12 детектора 5, т.е. пропорциональна максимальной величине угла раствора (на фиг. 4 - угол ω). В отличие от прототипа, где выполняется наклон балки с детектором, в заявляемом устройстве выполняется ее вращение вокруг оси 11, что при угле ω, равном 45° и более, обеспечивает больший объем и большую площадь реконструкции, чем в прототипе.
На нерабочем участке 6б балки 6 может размещаться противовес 9. Противовес может быть выполнен полым для размещения в нем электропривода (не показан), управляющего передвижением детектора 5 вдоль рабочего участка 6а балки. Между трубкой 4 и детектором 5 смонтирован на опорной раме 3 координатный стол 7 с расположенным на нем поддоном 8 для размещения образца (не показан). Стол 7 посредством приводов (на фиг. не показаны) может перемещаться по координатным осям X, Y и Z. В устройстве предусмотрено наличие воздушных пружин 13, равномерно установленных по периметру нижних направляющих каркаса, при этом количество и рабочие параметры воздушных пружин могут меняться в зависимости от требуемых характеристик устройства. Устройство может быть установлено в рентгенозащитном корпусе 15 (фиг. 3).
Соединение блоков и узлов при изготовлении осуществляется соответствующими сборочными операциями с образованием единого устройства.
Функционирование устройства основано на регистрации рентгеновского излучения трубки 4, который сканирует объект контроля, а интенсивность излучения регистрируется детектором 5. Детектор выполняет поворот вокруг объекта на 360° с отклонением оптической оси 12 от оси 11 рабочего пучка рентгеновского излучения трубки 4 на угол ω (угол наклона детектора) от 0 до 70° (для варианта трубки с углом раствора рабочего пучка рентгеновского излучения 160 градусов). Скорость вращения, скорость перемещения детектора определяется оператором, размером исследуемого объекта и типом исследования. Координатный стол 7 с исследуемым образцом на поддоне 8 может перемещаться по плоскости опорной рамы 3 по координатным осям X и Y, а также вдоль оси 11 излучения (координатная ось Z), что обеспечивает возможность выбора и изменения в процессе контроля пространственного разрешения и размеров исследуемой области объекта.
Таким образом, создано устройство, расширяющее арсенал средств рентгеновского контроля, имеющее высокую эксплуатационную надежность и при прочих равных условиях превосходящее представленные аналоги по совокупности таких характеристик, как габаритные размеры, виброустойчивость, мобильность.