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

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с помощью рентгеновского излучения. Известен центратор для рентгеновского излучателя, содержащий лазерный дальномер и телевизионную камеру, оптические оси которых параллельны оси пучка рентгеновского излучения, а также кольцевую матрицу микролазеров, формирующую на объекте изображение кольцевой структуры лазерных пятен, положение, размеры и форма которой совпадают с аналогичными геометрическими параметрами зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением [1].
Недостатки данного центратора - наличие перед лазерным дальномером полупрозрачного зеркала, что вызывает сбои в его работе из-за паразитных световых бликов на поверхности этого зеркала, а также невозможность оценки соотношения размеров зоны просвечивания объекта рентгеновским излучением и кассеты с пленкой, используемой при радиографировании. Кроме того, в центраторе отсутствуют средства для измерения размеров дефектов поверхности объекта при ее контроле в видимом диапазоне спектра, а также для количественной оценки наклона поверхности объекта к оси рентгеновского пучка.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
Для этого в лазерном центраторе для рентгеновского излучателя, содержащем корпус, в котором расположены лазерный дальномер, ось лазера которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых из оргстекла установлено на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков перпендикулярно образуемой ими плоскости под углом 45 градусов к оси лазера, а второе расположено на оси лазера под углом 45 градусов к ней, причем его центр находится на расстоянии А от центра первого зеркала, равном расстоянию от него до фокуса рентгеновской трубки по оси рентгеновского пучка, телевизионная система, состоящая из объектива, ПЗС-матрицы и монитора, при этом оптическая ось объектива проходит через центр второго зеркала и совпадает с перпендикуляром, проведенным из этого центра к оси лазера, перед объективом расположен светофильтр для повышения контраста изображений лазерных структур на объекте, а на оси лазера дальномера перпендикулярно к ней и симметрично относительно нее на расстоянии В от центра второго зеркала установлена кольцевая структура микролазеров числом N≥8, оптические оси которых наклонены к оси лазера дальномера под углами α/2 в плоскостях, образованных осями микролазеров и осью лазера и которые после отражения от первого зеркала формируют на объекте изображение кольцевой структуры лазерных пятен, размеры и форма которой соответствуют размеру и форме зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, ось лазера дальномера после отражения от первого зеркала совпадает с осью рентгеновского пучка и формирует на объекте лазерное пятно, совпадающее с точкой пересечения оси рентгеновского пучка с объектом и с центром кольцевой структуры лазерных пятен, формируемой кольцевой матрицей микролазеров, второе зеркало выполнено с центральным отверстием для прохода луча лазерного дальномера, кольцевая матрица микролазеров диаметром D установлена от центра второго зеркала на расстоянии В=D/tg(α/2), где α - угол расхождения пучка рентгеновских лучей, в центратор дополнительно введена прямоугольная матрица микролазеров размером К*Т, где К и Т - размеры радиографической пленки в кассете для радиографирования, эта матрица расположена на корпусе центратора симметрично относительно оси рентгеновского пучка, оптические оси микролазеров числом М≥8 параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и формируют на объекте прямоугольную структуру лазерных пятен размером К*Т, которая не изменяется при изменении расстояния от объекта до центратора Д и с помощью которой можно судить о соотношении размеров зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением, и реальной зоны регистрации радиографических изображений, определяемой размерами применяемой радиографической пленки, причем для лучшего различения этой и кольцевой структуры лазерных пятен излучение микролазеров, формирующих прямоугольную структуру, может быть промодулировано с частотой ф>=1-10 герц, а фокусное расстояние F объектива телекамеры выбирается с учетом соотношения F<R*Zмин/S, где Zмин - минимальное расстояние от объекта до центратора в рабочем диапазоне изменений этих расстояний, S - размер ПЗС-матрицы телекамеры, R - диагональ листа радиографической пленки размером К*Т, а на экране монитора телевизионной системы расположена стандартная метрическая шкала с ценой деления С, которая в плоскости объекта равна Со=С*М, где М=Мо*Мт - масштаб изображения объекта на мониторе, Мо=F/Z - увеличение объектива телевизионной системы, Мт=H/S - телевизионное увеличение, F - фокусное расстояние объектива телекамеры, Z - текущее расстояние от центратора до объекта, Н - размер растра экрана монитора, S - размер ПЗС-матрицы телекамеры телевизионной системы, угол наклона поверхности объекта к оси рентгеновского пучка определяется соотношением α=arctg(Та/Т), где Та и Т - малая и большая оси эллиптического изображения кольцевой структуры матрицы микролазеров, деформированного за счет наклона объекта в заданном направлении.
Изобретение поясняется чертежами фиг.1а-1д, на которых представлены общая схема центратора (фиг.1а) и отдельные ее элементы.
Центратор 1 содержит корпус 2, в котором расположены первое зеркало 3 из оргстекла, второе зеркало 4 с центральным отверстием для прохода луча лазерного дальномера 6 [2], кольцевая матрица 5 микролазеров 13, светофильтр 7, объектив 8, ПЗС-матрица 9 и монитор 10 телевизионной системы со шкалой 15 на экране, рама 11 с прямоугольной матрицей микролазеров 14. Шкала 15 может поворачиваться в плоскости экрана монитора для проведения измерений в различных направлениях. На фиг.1б, в показано расположение микролазеров 13 и 14 в соответствующих матрицах. На фиг.1г представлена расчетная схема для выбора фокусного расстояния объектива. На фиг.1д представлен вид экрана монитора при совмещении изображений кольцевой и прямоугольной матриц микролазеров (принято К=Т) на объекте 12. Микролазеры 13 и 14 могут быть идентичными или с различающимися спектральными, модуляционными и энергетическими характеристиками в зависимости от оптических характеристик объекта 12 для обеспечения достаточного контраста изображений соответствующих структур лазерных пятен. В качестве шкалы 15 применена стандартная метрическая шкала с ценой деления С=1 мм, нанесенная на прозрачную подложку.
Лазерный центратор работает следующим образом.
Оператор совмещает кольцевую структуру лазерных пятен с подлежащим контролю участком объекта и производит визуальный контроль его поверхности. Микролазеры прямоугольной матрицы при этом могут быть отключены для устранения мешающих этому процессу факторов. Затем производят измерение расстояния от объекта до центратора с помощью лазерного дальномера. Включают микролазеры прямоугольной матрицы и производят оценку соответствия размеров пленки и зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением. В случае необходимости производят коррекцию расположения центратора относительно объекта, добиваясь максимального заполнения площади пленки полезной информацией, т.е. полного вписания кольцевой структуры лазерных пятен в прямоугольную структуру лазерных пятен. Затем производят повторное измерение расстояния от объекта до центратора с помощью лазерного дальномера и приступают непосредственно к выполнению процедур радиографического контроля. Перед проведением радиографического контроля возможно выполнение операций по измерению размеров дефектов и/или конструктивных элементов на поверхности объекта, измерение координат их расположения и т.п. Оценку перпендикулярности поверхности объекта к оси пучка рентгеновского излучения производят по степени эллиптичности изображения кольцевой матрицы лазерных пятен на поверхности объекта, которая также может оцениваться с помощью шкалы 15 на экране монитора. Угол α наклона поверхности объекта к оси рентгеновского пучка в заданном направлении определяется формулой α=arccos(Ta/T), где Та и Т - соответственно малая и большая оси эллипса в изображении деформированной кольцевой структуры лазерных пятен.
Приведенные выше соотношения между основными геометрическими параметрами оптических элементов центратора с фокусным расстоянием объектива F, размером матрицы S, диагональю прямоугольной матрицы R и расстоянием от объекта до центратора Z иллюстрируются фиг.1а и не нуждаются в дополнительных пояснениях. Заметим, что угол поля зрения объектива W=2arctg(A/2F), что также понятно из фиг.1а [3]. На фиг.1г показаны подобные треугольники ОАВ и ОЕП, отношение высот которых пропорционально отношению их оснований, т.е. R/S=Zмин/F, откуда следует F≤R*Zмин/S. Выполнение этого условия обеспечивает нахождение изображения прямоугольной матрицы микролазеров в поле зрения объектива телевизионной системы во всем диапазоне изменений расстояния от центратора до объекта, начиная с его минимального значения. При этом фокусное расстояние объектива считается значительно меньше этого расстояния, т.е. F<<L, что практически всегда выполняется на практике, так как обычно Z≥3 м, a F≤50=100 мм. На фиг.1е приведена схема определения угла наклона поверхности объекта к оси рентгеновского пучка по степени эллиптичности изображения кольцевой структуры микролазеров, деформированной за счет наклона объекта к оси рентгеновского пучка.
Источники информации
1. Патент РФ №2237984. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.
2. Лазерный дальномер «ДИСТО», проспект фирмы LEICA, Австрия.
3. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л.: Машиностроение, 1986, 680 стр.