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

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения.
Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, 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 лазерные пучки, концентричные оси рентгеновского пучка, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное на оси лазера между ним и первым зеркалом перпендикулярно плоскости, образованной осями рентгеновского и лазерного пучков, телевизионную систему, состоящую из ПЗС-матрицы и видеомонитора, ось объектива ПЗС-матрицы проходит через точку пересечения второго зеркала с осью лазера перпендикулярно к ней и кольцевую матрицу лазеров, установленную симметрично относительно оси лазера перпендикулярно к ней между лазером и вторым зеркалом, узкополосный светофильтр, полоса пропускания которого совпадает с длиной волны излучения лазера, установленный перед объективом телевизионной системы, для измерения расстояния до рентгеновского излучателя использован лазерный дальномер, установленный в корпусе центратора, луч которого распространяется с помощью первого зеркала в направлении, совпадающем с осью рентгеновского пучка, и формирует на объекте лазерное пятно, положение которого совпадает с точкой пересечения объекта с осью рентгеновского пучка, оси лазеров кольцевой матрицы в плоскостях, образованных осями лазеров и осью лазера дальнометрической системы, наклонены к оси лазера дальномера под углами α/2, где α - угол излучения рентгеновского излучателя, сходятся в одной точке на расстоянии В от корпуса матрицы на оси лазера дальномера, расположенной на расстоянии А от точки пересечения первого зеркала с осью рентгеновского пучка, равном расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновской трубки по оси рентгеновского пучка, и после отражения первого зеркала распространяются в виде конического пучка из N лучей, где N - число лазеров кольцевой матрицы, формирующих на поверхности объекта кольцевую структуру из N пятен, симметричную относительно центрального пятна, формируемого на объекте лазера и дальномера, причем диаметр этой структуры совпадает с размером зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением [1].
Недостаток устройства - невозможность точной угловой ориентации оси рентгеновского пучка относительно поверхности объекта. В то же время нормативные документы рекомендуют фиксировать направление оси рентгеновского пучка по отношению к поверхности объекта и к линии местной вертикали, определяемой геодезическими инструментами, в частности современными лазерными уровнями [2], [3].
Цель изобретения - устранение этих недостатков. Для этого в лазерный центратор дополнительно введены основание, на котором корпус центратора установлен с возможностью вращения относительно оси, совпадающей с осью лазера дальномера, параллельной продольной оси корпуса центратора, на основании закреплен самоустанавливающиися лазерный уровень с плоским расходящимся пучком лучей с углом раскрытия β, вершина которого расположена на оси вращения корпуса центратора и удалена на расстояние С от точки пересечения первого отражателя с осью рентгеновского пучка, на оси вращения корпуса расположена угломерная шкала с индексом, прикрепленным к основанию, фиксатор для фиксации корпуса в нужном угловом положении, ось пучка лазерного уровня располагается в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через ось рентгеновского пучка перпендикулярно оси лазера дальномера, оси вращения микролазера лазерного уровня и корпуса равноудалены от основания, угол раскрытия β плоского расходящегося пучка лазерного уровня выбирается с учетом выражения
,
min
где L - минимальное расстояние от центратора до объекта.
Изобретение поясняется на фиг.1 и 2, на которых изображены общая схема устройства (фиг.1), конструкция кольцевой матрицы лазеров (фиг.2), а также вид поля зрения телевизионной системы при различных установках центратора (фиг.3), а также угломерная шкала устройства (фиг.4).
Лазерный центратор содержит корпус 2 и устройство обработки сигнала и индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта 13, причем ось лазера 7 этого устройства параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первое зеркало 3 из оргстекла, установленное на пересечении осей лазера 7 и оси симметрии рентгеновского пучка перпендикулярно образуемой ими плоскости под углом 45° к оси лазера и направляющее на объект 13 луч лазера 7 в направлении, совпадающем с осью симметрии рентгеновского пучка.
На оси лазера 7 между ним и первым зеркалом 3 установлено второе зеркало 4, выполненное полупрозрачным и расположенное перпендикулярно плоскости, образованной осями рентгеновского пучка и лазера 7. Между вторым зеркалом 4 и лазером 7 расположена кольцевая матрица лазера 5.
Лазеры матрицы расположены симметрично относительно оси лазера 7 на окружности диаметра d, а их оси в плоскостях, образованных осью лазера 7 и осями лазеров матрицы, наклонены к оси лазера 7 на углы α/2, где α - угол расхождения пучка рентгеновского излучателя.
Лучи лазеров кольцевой матрицы 5 пересекаются с осью лазера 7 в одной точке, расположенной на расстоянии В от корпуса кольцевой матрицы лазеров и на расстоянии А от точки пересечения оси лазера 7 с первым зеркалом 3, равном расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновского излучателя 1.
На оси, проведенной из точки пересечения второго зеркала 4 с осью лазера, перпендикулярно оси этого лазера, расположены последовательно светофильтры и телевизионная система, состоящая из объектива 10, ПЗС-матрицы 11 и видеомонитора 12 для визуализации телевизионных изображений.
Л
0
0
На фиг.2 представлена конструктивная схема кольцевой матрицы лазера 5. Она состоит из корпуса 19, в котором выполнен ряд отверстий под углами α/2 к оси симметрии корпуса 19. Отверстия диаметром d расположены в корпусе 19 симметрично под углами φ=360°/N, где N - число лазеров матрицы. В корпусе 19 выполнено также центральное отверстие диаметром d≥d для прохождения луча лазера 7 диаметром d. В отверстиях корпуса 19 располагаются N лазеров диаметром
Л
d, лучи которых в силу симметрии конструкции матрицы пересекаются с осью симметрии 19 в одной точке, расположенной на расстоянии
,
M
где d - диаметр, на котором расположены центры выходов отверстий в коопусе 19.
В свою очередь он определяется из соотношения
Л
где d - зазор между корпусами лазеров.
Толщина Н корпуса 19 определяется очевидным соотношением Н≥l, где l длина лазеров. Внешний диаметр D корпуса 19 отвечает соотношению  где t=0,1D - технологический параметр.
Фокусное расстоние f объектива телевизионной системы выбирается с учетом соотношения  где К - размер ПЗС-матрицы. т.к. угол поля зрения телевизионной системы должен быть равен или больше угла расхождения рентгеновского пучка.
Корпус центратора установлен на основании 15 с возможностью вращения относительно оси, совпадающей с осью лазера 7. На втулке 14, с помощью которой корпус 2 вращается относительно оси лазера 7, закреплена угломерная шкала 17 с индексом 18, установленным на основании 15. На основании 15 установлен также самоустанавливающийся лазерный уровень 16, ось вращения микролазера которого 20 совпадает с осью лазера 7. На выходе лазерного уровня с помощью встроенной цилиндрической линзы формируется плоский расходящийся пучок лучей с углом раскрытия β, с вершиной, расположенной на оси лазера 7 и распространяющийся в горизонтальной плоскости при любых случайных наклонах основания 15 в пределах конструктивных ограничений механизма подвески микролазера 19 в уровне 16 (±3°÷5°), ось этого плоского пучка лазерного уровня при этом располагается в плоскости, перпендикулярной оси лазера 7 и параллельной плоскости расположения оси рентгеновского пучка, которая отстоит от плоского лазерного пучка уровня 16 на расстоянии С и параллельна ей.
Существенно, что ось вращения микролазера 20, ось вращения корпуса центратора, а также совпадающая с ней ось лазера 7 дальномера 6 равноудалена от основания 15 на расстояние t (фиг.1,б).
Устройство работает следующим образом. Оператор наблюдает на экране кольцевую структуру лазерных пятен (фиг.3) на объекте, совмещает ее с нужной зоной контроля и производит измерения расстояний от рентгеновского излучателя до объекта с помощью лазерного дальномера 6.
На экране монитора 12 оператор видит изображение кольцевой структуры матрицы лазеров, расположенной симметрично относительно центра экрана, а также горизонтальную линию, которая формируется на объекте 13 плоским лучом уровня 16. Положение этой линии относительно центра кольцевой структуры лазерных пятен зависит от степени совпадения оси рентгеновского пучка с горизонтальной плоскостью, положение которой задается пучком лазерного уровня. При горизонтальном расположении оси рентгеновского пучка эта линия проходит через центр кольцевой структуры (фиг.3, а), а при ином расположении - выше или ниже ее (фиг.3, б).
Нулевой отсчет шкалы 17 означает, что ось рентгеновского пучка горизонтальна. Деления шкалы оцифрованы в угловых градусах и имеют отметки «плюс» или «минус» в зависимости от того, в какую сторону от горизонтальной плоскости отклонена ось рентгеновского пучка (плюс - вверх, минус - вниз), см. фиг.4. После выполнения процедуры горизонтирования корпус 2 фиксируется в нужном угловом положении с помощью фиксатора 21, выполненного, например, в виде зажимного винта или другого устройства аналогичного назначения. Погрешность углового позиционирования центратора составляет порядка 10′ (угловых минут), что определяется в основном погрешностью лазерного уровня (в среднем 3′÷5′), что вполне достаточно для практики.
Угол раскрытия β пучка лазерного уровня выбирается с учетом очевидного соотношения
min
где L - минимальное расстояние от объекта до центратора (см. фиг 1, а).
При этом изображение лазерной полоски на объекте всегда превышает расстояние до центра кольцевой структуры лазерных пятен во всем рабочем диапазоне расстояний от объекта до центратора.
Использование самоустанавливающегося лазерного уровня с плоским пучком существенно упрощает и ускоряет процесс горизонтирования рентгеновского излучения по сравнению, например, с принятой в геодезии технологией с использованием механизма с регулируемыми по высоте опорами и пузырьковыми уровнями.
Затем производится радиографический контроль объекта.
Наличие узкополосного фильтра на объективе телевизионной системы позволяет существенно снизить падение контраста лазерных пятен на объекте при засветке. Существенно, что измерение рассеяния до объекта производится автоматически, исключая субъективные факторы.
В макете устройства нами использованы портативные лазерные дальномеры фирмы Leicu (Австрия), модель "Disto". Мощность лазера дальномера 5 мВт, длина волны λ=0,63 мкм (красный цвет). Погрешность измерения ÷ 1 мм.
В кольцевой матрице использованы восемь полупроводниковых лазеров с длиной волны λ=0,63 мкм и мощностью 5 мВт. Опытным путем установлено, что число лазеров должно быть N≥8.
Литература
1. Патент РФ N2293453.
2. Проспект фирмы Leicu (Австрия), Лазерный дальномер "Disto".
3. Лазерные уровни, обустройство и ремонт, №4 (258), с.28-32, июнь 2007.