Рентгеновский трансфокатор на основе рефракционных линз
X-RAY ZOOM BASED ON REFRACTIVE LENSES

Изобретение относится к области физики, в частности к рентгеновской технике, и может быть использован для инструментальной фокусировки, ступенчатого изменения фокусного расстояния рентгенооптической системы, управления параметрами потока рентгеновского излучения (РИ) и синхротронного излучения (СИ) в каналах СИ, лабораторных аналитических и измерительных системах неразрушающих измерений сложных структур и объектов, а также в устройствах рентгеновского и специального приборостроения для реализации в таких областях синхротронных, рентгеновских исследований как микроскопия, спектроскопия и дифрактометрии микро- и нано- объектов, а также ряде новых областей науки и техники, таких как неразрушающая рентгеновская нанометрология.
Из уровня техники известно устройство (SU 1618183 дата публикации 20.02.2000) устройство для фокусировки расходящегося пучка рентгеновского излучения в точечный фокус, содержащее два линейно фокусирующих элемента, установленных с возможностью поворота на взаимно перпендикулярных осях, средства поворота и линейного перемещения оси с вторым по ходу фокусируемого пучка фокусирующим элементом относительно оси с первым фокусирующим элементом вдоль линии, проходящей через обе оси поворота, средства ограничения пучков, падающих на каждый из фокусирующих элементов и отраженных от них, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона длин волн фокусируемого излучения и уменьшения размера точечного фокуса при упрощении технологии изготовления фокусирующих элементов.
Недостатки заключаются в отсутствии системы прецизионного позиционирования рефракционных рентгеновских линз, отсутствии системы базирования ламелей, отсутствие системы выбора и прижима ламелей, крупные габариты, не позволяет осуществлять прецизионную ступенчатую фокусировку рентгеновского излучения, не позволяет использовать в качестве фокусирующих элементов рефракционные рентгеновские оптические элементы.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство, принятое за прототип (RU 2072575 дата публикации 27.01.1997): устройство для управления пучками рентгеновского и гамма-излучения содержащее корпус, в котором установлены фокусирующие рентгенооптические составные элементы, Фокусирующие рентгенооптические элементы снабжены узлами крепления к корпусу и установлены в корпусе соосно и имеют механизм осевого перемещения в корпусе.
Недостатки заключаются в том, что известное устройство имеет крупные габариты, не позволяет осуществлять прецизионную ступенчатую фокусировку рентгеновского излучения, не позволяет использовать в качестве фокусирующих элементов рефракционные рентгеновские оптические элементы, не позволяет достигнуть высокой прецизионности позиционирования рентгенооптических элементов, не позволяет изменять фокусное расстояние рентгенооптической системы. При этом в силу указанных недостатков, данное устройство не может быть использовано для ступенчатого изменения фокусного расстояния оптической системы, управления параметрами потока рентгеновского излучения (РИ) и синхротронного излучения (СИ) в каналах СИ, лабораторных аналитических и измерительных системах, поскольку не позволяет осуществлять прецизионную ступенчатую фокусировку рентгеновского излучения с использованием рефракционных рентгеновских оптических элементов.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей.
Технический результат, заключается в снижении габаритов и веса, обеспечении возможности осуществлять прецизионное позиционирование рефракционных рентгеновских линз и ступенчатое изменение фокусного расстояния рентгенооптической системы за счет наличия в конструкции системы прецизионного позиционирования ламелей, в которых поштучно закреплены рефракционные рентгеновские линзы в оправке, и позиционирования ламелей по плоскости корпусной детали устройства.
Указанный технический результат достигается в рентгеновском трансфокаторе на основе рефракционных линз включающим трансмиссионные узлы, осуществляющие передачу движения от двигателей к исполнительным элементам - ламелям, представляющим собой плоские детали в виде пластин, причем каждая ламель содержит элемент без зазорной фиксации рефракционной линзы в оправке, центральный элемент без зазорной подвижной посадки на вал, и хвостовой элемент, указанные ламели образуют систему ламелей, выполненную с возможностью осуществления качательных движений относительно вала ламелей, установленного в центральное отверстие ламелей, осуществляя тем самым перемещение рефракционных линз в оправках, а также с возможностью независимого перемещения друг относительно друга посредством водителя ламелей, совершающего линейное перемещение в цилиндрической системе координат, и находясь в зацеплении с хвостовой частью заданного количества ламелей, шарнирно установленных на неподвижном валу ламелей, осуществляя их угловое перемещение, что обеспечивает ввод рефракционных линз в пучок рентгеновского излучения и вывод из него.
Дополнительная особенность заключается в том, что независимое перемещение друг относительно друга обеспечено благодаря установке между ламелями разделительных пластин.
Дополнительная особенность заключается в том, что выбор числа ламелей, которые необходимо ввести в пучок, осуществляется боковым наездом водителя на ламели с хвостовой стороны.
Дополнительная особенность заключается в том, что двигатель представляет собой шаговый мотор-редуктор.
Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где на фиг. 1 - вид сбоку, на фиг. 2 - вид с торца, фиг. 3 - общй вид
Рентгеновский трансфокатор на основе рефракционных линз содержит корпус 1, вал ламелей 9, неподвижно установленный в корпусе устройства, ламели 2 - в положении «в пучке», 5 - в положении «вне пучка», надетые на вал, рефракционные линзы 4, в оправке 3, вставленные в ламели. Ламели друг от друга отделяет разделительная пластина 11. Движение ламелей на валу осуществляется при помощи водителя ламелей 8, установленного на каретке 7, приводимой в движение шаговым мотор-редуктором 6. Продольное перемещение каретки осуществляет шаговый мотор-редуктор 10.
В процессе формирования концепции конструктивных и технических решений была выбрана система координат, в которых работает устройство: это две взаимосвязанных системы координат с общей продольной осью. Прямоугольная система координат, в которой работают механизмы продольного и поперечного перемещения и цилиндрическая система координат, в которой перемещаются ламели и установленные в них линзы. Ось цилиндрической системы координат проходит через центр вала.
Монтаж всех деталей и узлов трансфокатора осуществлен на единой корпусно-рамной детали, которая, совмещая в себе ряд функций, за счет функциональной интеграции, позволила снизить массу устройства.
Конструктивным ядром устройства является система ламелей - специальные прецизионные подвижные держатели, которые беззазорно и безлюфтово расположенных на одном гладком цилиндрическом валу. Ламели несут на себе рефракционные линзы в оправках и способны независимо дуг от друга осуществлять качательные движения относительно вала, осуществляя тем самым перемещение линз. В центральное отверстие ламелей беззазорно вставлен вал ламелей. Ламель подвижна относительно вала. Безлюфтовое сопряжение позволяет осуществлять качательное безлюфтовое движение ламели относительно вала. Ламель и вал, таким образом, образуют шарнирную кинематическую пару. Система ламелей, таким образом, работает в цилиндрической системе координат. Между ламелями установлены разделительные пластины. Разделительные пластины позволяют полностью избавиться от трения ламелей между собой во время перемещения, что позволяет перемещать ламели абсолютно независимо друг относительно друга, не опасаясь эффекта фрикционного сцепления ламелей и смещения ламели в результате движения соседней. Таким образом, благодаря наличию разделительных пластин, возможно осуществление совершенно независимого индивидуального перемещения ламелей на валу.
Ламель представляет собой плоскую деталь в виде пластины и включает в себя следующие элементы: элемент беззазорной фиксации линзы в оправке, центральный элемент беззазорной подвижной посадки на вал, и хвостовой элемент.
Хвостовой элемент представляет собой сужение детали, входящее в зацепление с водителем ламелей. Толщина ламели равна толщине оправки рефракционной рентгеновской линзы, поэтому конструктив является чрезвычайно компактным в измерении пучка. За исключением разделяющих пластин и стенок корпуса рентгеновского трансфокатора размер устройства в измерении пучка равен суммарной толщине установленных в устройстве линз. У существующих моделей трансфокаторов этот габаритный параметр в несколько раз хуже. Благодаря наличию беззазорной подвижной посадки ламели на вал, она в этой кинематической паре способна осуществлять качательное неполноповоротное движение на некоторый угол. Амплитуда движения ламели в одну сторону ограничивается упорной базирующей плоскостью базы, в другую - положением водителя ламелей.
В положении ламели, ограниченном упором в плоскость базы линза находится в рабочем положении - в пучке рентгеновского излучения. В положении ламели, ограниченном положением водителя ламелей линза находится в нерабочем положении - выведена из пучка рентгеновского излучения.
Поскольку в данной концепции движение линз в устройстве осуществляется не в прямоугольной, а в цилиндрической системе координат, то более подходящим решением для ограничения движения ламели является не использование V-образной призмы, а упор в плоскость. В качестве упорной поверхности выступает одна из внутренних плоскостей базовой детали. Вал ламелей расположен параллельно указанной плоскости с точностью, обеспечивающей заданную прецизионность устройства, поскольку были изготовлены за одну установку на станке (установ).
Во всех существующих на данный момент в мире моделях трансфокаторов рефракционные линзы устанавливаются в картриджи группами и не имеют возможности индивидуального перемещения. Концепция конструкции трансфокатора отличается от существующих моделей трансфокаторов возможностью индивидуального перемещения каждой линзы в отдельности. Таким образом, конструкция разрабатываемого устройства не имеет картриджей.
Конструктивное решение о наличии в устройстве единой многофункциональной базовой детали делает устройство более точным, за счет отсутствия люфтов и зазоров, по сравнению со сборной опорой.
Перемещение ламелей осуществляет водитель ламелей. Водитель ламелей, совершая линейное перемещение, и находясь в зацеплении с хвостовой частью ламелей, шарнирно установленных на неподвижном валу, осуществляет их угловое перемещение, что обеспечивает ввод линз в пучок рентгеновского излучения и вывод из него. Выбор числа ламелей, которые необходимо ввести в пучок, осуществляется боковым наездом водителя на ламели с хвостовой стороны.
Такое компоновочное решение позволило обойтись всего лишь двумя двигателями вместо многих, как это имеет место у существующих моделей трансфокаторов, имеющих в своем составе группу картриджей, приводящихся индивидуально. Применив концепцию индивидуального приведения картриджа собственным двигателем и добавить условие индивидуального введения отдельных линз в пучок, получим, что для 40 линз потребуются 40 двигателей, что возможно, но сделает устройство в разы менее компактным по сравнению с габаритами трансфокатора.
В концепции трансфокатора имеется трансмиссионые узлы, осуществляющие передачу движения от двигателей к исполнительным элементам - ламелям. У существующих моделей трансфокаторов трансмиссионные элементы практически отсутствуют, однако, преимущество в массо-габаритных характеристиках трансфокатора достигается за счет сокращения числа двигателей.
В качестве двигателей трансфокатора используются шаговые мотор-редукторы. Этот тип двигателей имеет ряд преимуществ перед другими типами приводов. Шаговые двигатели не нуждаются в обратной связи по угловому положению вала и числу оборотов - эти величины задаются контроллером шагового двигателя. Благодаря этому угловое положение вала мотора всегда известно, а положение трансмиссионных элементов в этом случае определяется однозначно. Отсутствие системы обратной связи позволяет снизить массу и уменьшить габариты устройства.
Шаговый мотор-редуктор в отличие от шагового мотора выдает на валу заметно большее усилие, вследствие наличия редуктор, понижающего скорость вращения вала и увеличивающего крутящий момент, пропорционально передаточному отношению редуктора. При тех же массогабаритных характеристиках шаговый мотор-редуктор имеет в несколько раз более выигрышные массогабаритные характеристики по сравнению с шаговым мотором, при этом скоростные характеристики устройства остаются на приемлемом уровне.
Для передачи вращения от шаговых мотор-редукторов к винтам используются зубчатые шестерни.