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

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий 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, три отражателя, первый из которых установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка, второй установлен на оптической оси выхода излучения лазера вне проекции на нее входного окна рентгеновского излучателя с возможностью его 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 лазера поперек каждого его выходного пучка с возможностью вращения вокруг оси лазера, одна из которых расположена между вторым отражателем и вторым торцом лазерного излучателя, при этом фокусное расстояние цилиндрических линз выбирается из соотношения f=h/tg α, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского пучка, шторку для прерывания лазерного пучка, отражаемого вторым отражателем, первый отражатель выполнен полупрозрачным, третий отражатель, аналогичный второму, расположен симметрично по отношению к нему относительно оптической оси рентгеновского пучка и установленный вне зоны проекции на него выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью вращения второго отражателя синхронно с ним, но в противоположном направлении с помощью, например, механического привода, содержащего винты с левой и правой резьбой или другого известного устройства аналогичного назначения, расположенного вне зоны распространения рентгеновского пучка, причем расстояние А между осями вращения второго и третьего отражателя выбирается с учетом соотношения  где В<<А - размер экранирующего лазерные пучки несъемного элемента в плоскости, перпендикулярной оси рентгеновского пучка, t>B - расстояние от этого элемента до объекта; D - расстояние от рентгеновского излучателя до объекта, перед третьим отражателем расположена дополнительная штора, вторая цилиндрическая линза установлена на оси лазера между третьим и первым отражателями [1].
Недостаток данного устройства - отсутствие подсветки зоны, просвечиваемой на объекте рентгеновским излучением, а также невозможность оценки ориентации объекта по отношению к оси рентгеновского пучка.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
Для этого в известный центратор дополнительно введены четвертый отражатель, выполненный полупрозрачным и установленный на оси лазера между его первым выходным торцом и первым отражателем, под углом углом 45° к этой оси, пятый отражатель, расположенный на оси, проведенной из точки пересечения оси лазера с четвертым отражателем на расстоянии Н от этой точки, плоскость пятого отражателя перпендикулярна плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка и наклонена под углом (α/4) к оси лазера, где α - угол расхождения рентгеновского пучка, лучи, отраженные от пятого отражателя, пересекают ось лазера в точке, расположенной на расстоянии А от центра первого отражателя, которое равно расстоянию от этого центра до фокуса рентгеновской трубки, а расстояние с от этой точки до центра четвертого отражателя определяется соотношением c≥d/tg(α/2), где d - диаметр лазерного пучка, четвертый и пятый отражатель установлены на фланце, который расположен во втулке, закрепленной на корпусе центратора, фланец имеет центральное отверстие диаметром D≥d, его ось совпадает с осью лазера и он приводится во вращение электродвигателем с помощью фрикциона или иного устройства, причем частота вращения фланца с отражателями выбирается в пределах ω≥(2÷10)Гц с учетом получения слитного изображения лазерного кольца на объекте.
Изобретение поясняется чертежами - фиг.1 и 2, на которых показана схема устройства (фиг.1) и кинематическая схема механического варианта средства синхронного вращения второго и третьего отражателей в противоположных направлениях с помощью винтовых пар с левой и правой резьбой, расположенных на одной оси (фиг.2).
Центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2, с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, три отражателя - 4, 5 и 6, первый из которых сделан из оргстекла, выполненный полупрозрачным, установлен на пересечении оптической оси лазера 3 с осью рентгеновского пучка 7 (падающий на контролируемый объект 14 с несъемным элементом 15) с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью 8 выхода излучения лазера с осью 7 рентгеновского пучка, второй отражатель 5 установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя на оптической оси 9 выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя, третий отражатель 6 установлен на оси 8 выхода излучения лазера с возможностью поворота вокруг оси; параллельной оси поворота второго отражателя, при этом третий отражатель расположен симметрично ко второму отражателю относительно оси рентгеновского пучка на расстоянии А/2 от этой оси, где А - расстояние между осями вращения второго и третьего отражателя, механизм 14 [2] для синхронного вращения в противоположных направлениях отражателей 5 и 6, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта 10 со шкалой 11, закрепленной на корпусе центратора, две шторки 17 и 18 для прерывания лазерных пучков от отражателей 5 и 6, две цилиндрические линзы 12 и 13, установленные на оси лазера соответственно между третьим и первым отражателем (12) и между лазером и вторым отражателем (13).
На фиг.2 показаны основные геометрические соотношения в оптической схеме центратора.
В прямоугольном треугольнике DEF угол EDE по определению равен α/2; а угол  т.к.
Очевидно, что нормаль к поверхности пятого отражателя является биссектрисой угла DEF. Отсюда следует, что угол β в прямоугольном треугольнике FEP равен  а угол  Минимальное расстояние от точки пересечения конуса лучей, отраженных отражателем 20 при его вращении, с осью лазера, очевидно, определяется соотношением  исходя из конструктивных соотношений и отсутствия воздействия отражателя 19 на лазерный пучок.
На оси лазера 3 между первым отражателем 4 и лазером 3 расположена втулка 22, закрепленная на корпусе центратора. В этой втулке, ось которой совпадает с осью лазера 3, установлен фланец 21, вращаемый от двигателя 24 с помощью фрикциона 23.
На торцевой поверхности фланца, обращенной к первому отражателю, установлен четвертый отражатель 19, выполненный в виде призмы-куба с полупрозрачной светоделительной гипотенузной гранью, а также пятый отражатель 20. Отражательные поверхности светоделительного кубика 19 и пятого отражателя 20 перпендикулярны плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка. Плоскость отражения призмы куба
наклонена к оси лазера под углом 45°, а отражающая поверхность отражателя 20 наклонена к оси лазера под углом γ=45°+α/4, где α - угол расхождения рентгеновского пучка. Расстояние между центрами отражателей 19 и 20 равно Н. После отражения от отражателя 20 лазерные лучи, наклоненные к оси лазера под углом α/2, пересекают эту ось в точке, удаленной от центра первого отражателя на расстояние А, равное расстоянию от этого центра до фокуса рентгеновской трубки. Благодаря этому после отражения от первого отражателя 4 при вращении фланца 21 в пространстве объектов формируется полый конус лучей, соосный с рентгеновским пучком и имеющий одинаковый с ним угол расхождения на объекте. При этом формируется светящееся кольцо, диаметр которого равен диаметру зоны, просвечиваемой рентгеновским пучком, а центр которого совпадает с точкой пересечения объекта с осью рентгеновского пучка. В центре кольца эта точка подсвечена яркой точкой, формируемой лазерным излучением, исходящим из первого торца лазера 3. По форме кольца, т.е. степени его эллиптичности, судят о перпендикулярности оси рентгеновского пучка поверхности объекта и направлении его наклона к этой оси.
Центральное отверстие фланца 21 диаметр D≥d, где d - диаметр лазерного пучка.
Частота вращения фланца подбирается экспериментально в диапазоне f≥(1÷10)Гц, исходя из требований к слитности изображения лазерного кольца и его яркости [2].
Лазерный центратор работает следующим образом.
При введенных в ход лучей шторках 27 и 18 излучения лазера 3 после отражения его пучка от первого отражателя 4 совпадает с осью рентгеновского пучка и направляется на центр у контролируемой зоны объекта 14 за счет перемещения рентгеновского излучателя. При этом по диаметру лазерного кольца оценивают размер зоны, просвечиваемой рентгеновским пучком, а также перпендикулярность объекта оси этого пучка.
После этого шторки выводятся из хода лучей и наблюдают две параллельные друг другу лазерные полоски, сформулированные цилиндрическими линзами 12, 13 и отражателями 5 и 6 на поверхности объекта 14. С помощью винтового механизма 16 полоски совмещаются друг с другом, и в этот момент по шкале 11 считывают расстояние от рентгеновского излучателя до объекта (D). При этом за счет симметрии оптической системы, образованной отражателями 5 и 6 и лазерными пучками, распространяющимися по осям 8 и 9 на выходах лазера 3, достигается удвоенная чувствительность фокусировки.
Как следует из фиг.1, даже при наличии на объекте несъемных деталей, экранирующих ортогональные и его поверхности лазерные пучки, возможно наблюдение на его поверхности формируемых триангуляционной дальномерной системой лазерных полосок, если соблюдается очевидное соотношение
где D - расстояние от рентгеновского излучателя до объекта; В<<А - размер экранирующего элемента в плоскости, параллельной плоскости объекта; t≥В - расстояние от объекта до экранирующего элемента (см. подобные треугольники аос и acd).
Таким образом, предлагаемая оптическая система лазерного центратора обеспечивает высокую чувствительность фокусировки (сведения) лучей на поверхность объекта, возможность измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя даже при наличии на нем несъемных элементов, экранирующих лазерные лучи, распространяющиеся ортогонально к поверхности объекта контроля, а также узнать размер на объекте зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, и ориентацию поверхности объекта к его оси.
Литература.
1. Патент РФ 2242845 на изобретение «Лазерный центратор для рентгеновского излучателя», 2003 г.
2. Справочник конструктора оптико-механических приборов/ Под ред. В.А.Панова, Л.: Машиностроение, 1980, 742 с.