Лазерный центратор для рентгеновского излучателя

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения. Устройство включает в себя лазер, отражатель, установленный на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта. Особенностью устройства является наличие линзы, оптическая ось которой лежит в плоскости, образованной осями рентгеновского и лазерного пучков, проходит через точку пересечения оси лазера с осью вращения второго отражателя, установленного под углом к оси лазера, при этом фокус линзы лежит на оси вращения отражателя. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к неразрешающему контролю материалов и изделии с использованной рентгеновского излечения и может быть применено для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей машиностроения радиационным методом.

Известен лазерный центратор, имеющий корпус, в котором расположен лазер с двухсторонний выходом излучения, оптическая ось выхода излечения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и остановлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя, а второй установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя на оси выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излечения, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта и средство прерывания пучка от второго отражателя, установленное до или после второго отражателя, дополнительно центратор снабжен двумя цилиндрическими линзами, установленными на оси излучения лазера, первая - между одним из торцов лазерного отражателя и первым отражателем, а вторая - между вторым торцом лазерного излучателя и вторым отражателем, их фокусное расстояние выбирается из соотношения f=h/tgα, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского пучка, при этом линзы установлены с возможностью вращения вокруг оси лазерного пучка [1].

Недостаток данного устройства - невысокая точность измерений расстояния от объекта до излучателя при расстояниях порядка 3000-5000 мм, что характерно для контроля крупногабаритной авиакосмической техники. В этом случае для обеспечения требуемой точности измерений расстояний (порядка ±30 мм) погрешность отсчета по шкале индикатора этих расстояний составляет в угловой мере Δα=(I+3) угловых минут даже при предельно допустимых из конструктивных ограничений размерах базы дальномера центратора порядка В≤300 мм (В - расстояние между отражателями по оси лазера). Линейный размер деления шкалы индикатора, соответствующий этим углам, составляет t≤0,1 мм даже при диаметре шкалы D=2R≈200 мм, что следует из очевидного уравнения t=R·α=100·10^-3=0,1 мм (α=3'=0,001 в радиальной мере). Это обстоятельство, в свою очередь, приводит к неоправданно высоким требованиям к качеству выполнения шкалы индикатора и соответствующим средствам отсчета по шкале, что ухудшает технико-экономические показатели устройства.

Однако при использованной в центраторе схеме отражения лучей от второго отражателя его поворот на угол α приводит к отклонению отраженного луча от первоначального направления на угол 2α, что дополнительно уменьшает угловой размер рабочего диапазона шкалы и линейного размера ее делений, снижает точность измерений и ухудшает эксплуатационные и эргономические характеристики центратора в целом.

Применение в центраторе цилиндрических линз, формирующих на объекте две световые полоски, угловой размер которых в пространстве изображения соответствует углу излучения рентгеновского излучателя, не всегда рационально, т.к. обычно достаточно высветить на объекте светящуюся точку, соответствующую точке его пересечения с осью рентгеновского лучка. При этом область объекта, просвечиваемая рентгеновским пучком, определяется размером кассеты с пленкой, накладываемой на него при радиографировании. Цель изобретения - устранение этих недостатков. Для этого центратор дополнительно содержит линзу, оптическая ось которой лежит в плоскости, образованной осями рентгеновского и лазерного пучков, проходит через точку пересечения от лазера с осью вращения второго отражателя под углом α к оси лазера, определяемым соотношением α=arctg(Lo/B), где В - расстояние от оси вращения второго отражателя до центра первого отражателя на оси лазера, Lo - среднее значение расстояния от рентгеновского излучателя до объекта в диапазоне измеряемых значений этого расстояния, определяемого выражениями

и

где d - диаметр линзы, при этом задний фокус линзы совпадает с центром вращения второго отражателя.

Изобретение поясняется чертежом.

Центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2 с расположенньм в нем лазером 4 с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первый отражатель 3 из оргстекла, расположенный на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков, второй отражатель 5, установленный на оси лазера за его вторым излучающим торцом на расстоянии В от центра первого отражателя с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, указатель 6, установленный на отражателе 5, шкалу 7, закрепленную на корпусе 2. Линза 8 с диаметром d и фокусным расстоянием f' установлена на оси, находящейся в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, и проходящей через центр вращения второго отражателя 5 под углом α к оси лазера, при этом задний фокус линзы совмещен с этим центром.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение из первого излучающего горда лазера направляется первым отражателем на объект, причем оси лазерного и рентгеновского пучков совпадают после отражения от первого отражателя. При этом на объекте формируется изображение лазерного пятна, совпадающего с точкой пересечения объекта осью рентгеновского пучка.

Излучение из второго торца лазера с помощью второго отражателя 5 направляется на линзу 8 под различными углами β к ее оси. Поскольку лучи падают на линзу из ее заднего фокуса, то по известному правилу преломления лучей [2] на ее выходе они распространяются параллельно оптической оси линзы. Смещение лучей при изменении угла β происходит по очевидному соотношению d=f·tgβ, где d - текущее значение смещения луча, параллельного оси линзы.

Ось линзы располагается под углом α и оси лазера, который соответствует среднему значению расстояния Lo от рентгеновского излучателя до объекта в диапазоне их изменений и определяется соотношением α=arctg(Lo/B).

При этом, как видно из чертежа, лазерные пятна, формируемые на объекте первым и вторым отражателями, совладают.

При изменении расстояния от объекта до рентгеновского излучателя от максимального Lmax до минимального значения Lmin лазерные пятна от второго отражателя смещаются относительно пятна, формируемого первым отражателем. Вращением отражателя 5 достигается совмещение пятен, и в момент их совпадения с помощью указателя 6 по шкале 7 отсчитывается текущее значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя. Как отмечено выше, при вращении второго отражателя лазерные лучи на выходе линзы смещаются параллельно оси линзы. Максимальные значения этих смещений от оси линзы равны (d/2). В силу симметрии оптической схемы полный диапазон смещения лучей на ее выходе, очевидно, будет равен d.

При этом максимальное Lmax и, соответственно, минимальное Lmin удаления объекта от рентгеновского излучателя, при которых возможно совмещение лазерных пятен, определяются выражениями

и

Максимальный диапазон углов вращения второго отражателя, соответствующий этим величинам, с учетом известного закона зеркального отражения Δα=2Δγ, где γ - угол поворота нормали зеркала относительно начального ее положения, будет равен

Это существенно больше углов поворота второго отражателя, необходимого при том же расстоянии β от оси вращения до центра первого отражателя для совмещения лазерных пятен при соответствующем удалении объекта от рентгеновского излучателя. В результате шкала прибора расширяется, что способствует большей точности отсчета и улучшению эргономических характеристик прибора [3].

Отношение Q=(Δαmax/Δα′max) может быть названо коэффициентом расширения шкалы. Для конкретных значений параметров элементов оптической схемы в реальном центраторе приведем численный пример.

Принято f=100 мм, d=100 мм, Lmax=2 м, Lо=3 м, Lmax=4.0 м, β=300 мм.

При этом tgα=Lo/B=10, α≈85°

βmax=2arctg(d/2f)=54°

Полный угол поворота второго отражателя в полном диапазоне смещений лучей лазера составит при этом, очевидно, Δαmax=βmax=27°.

Соответственно для схемы без линзы имеем:

При этом Q≅5, т.е. достигается более чем пятикратное расширение шкалы.

Литература

1. Патент РФ №2106619. Лазерный центратор.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1957, 608 с.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. Кругера, Л., Машиностроение, 1968, 605 с.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазера и рентгеновского излучателя, заслонку для перекрывания излучения из второго торца лазера, средство индикации расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, отличающийся тем, что центратор дополнительно содержит линзу, оптическая ось которой лежит в плоскости, образованной осями рентгеновского и лазерного пучков, проходит через точку пересечения оси лазера с осью вращения второго отражателя под углом α к оси лазера, определяемым соотношением α=arctg(Lo/B), где В - расстояние от оси вращения второго отражателя до центра первого отражателя по оси лазера, Lo - среднее значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя в диапазоне измерения этих расстояний, определяемого выражениями

где d - диаметр линзы,

при этом задний фокус линзы совпадает с центром второго отражателя.