Рентгеновский измеритель

Предложенное изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к рентгеновскому методу измерения параметров металлических изделий. Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона измерения, а также увеличение чувствительности и точности измерений при определении параметров контролируемого изделия. Рентгеновский измеритель параметров излучения содержит источник рентгеновского излучения, первый, второй и третий детекторы рентгеновского излучения, процессор и регистратор, при этом первый и второй детекторы выполнены двухслойными, созданы из материалов с разными значениями атомных номеров Z≈15 и Z≈85 и обращены к контролируемому изделию слоями из материала с разными значениями атомных номеров, выходы слоев первого детектора и второго детектора соединены с первыми автономными аналоговыми входами процессора, первый выход которого связан с входом регистратора, третий детектор выполнен в виде многоэлементной матрицы, каждый элемент которой изолирован друг от друга и создан из материала с фиксированным значением атомного номера, например арсенида галлия, причем элементы матрицы третьего детектора соединены электрически со вторыми автономными аналоговыми входами процессора, второй и третий выходы которого связаны с входами источника излучения, а все три детектора расположены последовательно вдоль оси прямого потока рентгеновского излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к рентгеновскому методу измерения параметров (толщины, геометрии, химического состава, структуры материала) металлического контролируемого изделия, и может быть использовано при контроле листового проката, трубопроводов, агрегатов сложной геометрии и других изделий при их производстве и эксплуатации.

Известны рентгеновские измерители параметров проката из металлического сплава, содержащие источник рентгеновского излучения, последовательно расположенные в потоке излучения первый и второй детекторы рентгеновского излучения, контролируемое изделие, размещенное между первым и вторым детекторами, контроллер и регистратор [патент РФ №2179706 С1 от 20.02.2002 г., GB 1079999 А (UNITED STATES STEEL CORP), 16.08.1967 г.].

Недостатком известных рентгеновских измерителей являются ограниченные динамический диапазон измерения и функциональные возможности, заключающиеся в контроле только толщины проката в точке с фиксированным значением химического состава и необходимость набора образцовых мер эталонных толщин каждого прокатываемого материала для обеспечения заданной точности измерителей.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется рентгеновский измеритель толщины листового проката и химического состава его материала, содержащий источник рентгеновского излучения, первый, второй и третий детекторы рентгеновского излучения, контролируемое изделие, размещенное между первым и вторым детекторами, процессор и регистратор, причем первый и третий детекторы выполнены двухсекционными [патент РФ №2221220, класс G01В 15/02 - прототип].

К недостатку этого технического решение относится невозможность исследования динамических свойств и структуры материала контролируемого изделия, что резко снижает функциональные характеристики измерителя.

Суть заявляемого технического решения состоит в том, что в рентгеновском измерителе, содержащем источник рентгеновского излучения, первый, второй и третий детекторы рентгеновского излучения, контролируемое изделие, расположенное между первым и вторым детекторами, процессор и регистратор, первый и второй детекторы выполнены двухслойными, каждый из которых создан из материалов с разными значениями атомных номеров Z_min≈15 и Z_max≈85, при этом первый детектор обращен к изделию слоем из материала с большим значением атомного номера, второй детектор обращен к изделию слоем из материала с меньшим значением атомного номера, выходы слоев первого и третьего детекторов соединены с автономными аналоговыми входами процессора, один выход которого связан с входом регистратора, два других выхода - с входами источника излучения, третий детектор выполнен в виде многоэлементной матрицы, каждый элемент которой изолирован друг от друга и создан из одного материала с фиксированным значением атомного номера, например арсенида галлия, а элементы матрицы третьего детектора соединены электрически с другими автономными аналоговыми входами процессора, причем все три детектора ориентированы последовательно и параллельно вдоль оси прямого потока рентгеновского излучения.

Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона измерения за счет многофункциональной экспозиции измерителя и функциональных возможностей получения графического изображения структуры, а также повышение энергетического разрешения, в совокупности позволяющих существенно увеличить чувствительность и точность при определении параметров контролируемого изделия.

На чертеже приведена структурная блок-схема рентгеновского измерителя. Она содержит источник 1 рентгеновского излучения, последовательно размещенные в потоке прямого рентгеновского излучения (на чертеже показано стрелками) первый, второй и третий детекторы 2, 3, 4, контролируемое изделие 5, расположенное между первым и вторым детекторами 2 и 3, процессор 6 и регистратор 7. Первый и второй детекторы 2 и 3 выполнены двухслойными гетерогенными. Материалы преобразующих слоев детекторов 2, 3 имеют разные по значению атомные номера Z в пределах Z_min=10...15 (Al - алюминий), Z_max=82...86 (Tl - тантал, Bi - висмут). Источник 1 излучения имеет два входа управления по току и напряжению.

Детекторы 2 и 3 обращены к изделию 5 слоями из материалов с атомными номерами Z_max≈85 и Z_min≈15 соответственно, следовательно, эти же детекторы 2 и 3 обращены к источнику 1 и третьему детектору 4 слоями, выполненными из материалов с атомными номерами Z_min≈15 и Z_max≈85 соответственно. Преобразующие слои детекторов 2 и 3 соединены с входами процессора 6.

Первый детектор 2 выдает информацию о параметрах первичного потока рентгеновского излучения (ток и эффективная энергия), второй детектор 3 измеряет интегральную дозу излучения за изделием 5, при этом двухслойная конструкция детекторов 2, 3 обеспечивает контроль эффективной энергии.

Третий детектор 4 выполнен в виде многоэлементной матрицы и размещен за вторым детектором 3 относительно изделия 5, т.е. со стороны слоя детектора 3 с атомным номером его материала значением Z_max≈85. Преобразующие элементы матрицы детектора 4 изолированы друг от друга и созданы из одного материала с фиксированным значением атомного номера, например, арсенида галлия, и работают они параллельно и одновременно. Элементы матрицы третьего детектора 4 индивидуально соединены с другими независимыми аналоговыми входами процессора 6.

Поскольку электрической связью от процессора 6 с источником 1 возможно изменять электрические параметры (ток и эффективную энергию) источника 1 в соответствии с изменением положения или параметров изделия 5, то можно создать несколько экспозиций с различными значениями мощности доз рентгеновского излучения на втором детекторе 3 и запомнить их в процессоре 6. Однако третий детектор 4 имеет узкий динамический диапазон измерения за счет аппаратных шумов детектора 4. Поэтому, отсекая нелинейные участки передаточной функции детектора 4 и ограничивая амплитуду его шумов, мы вынуждены еще больше искусственно сузить динамический диапазон детектора 4. А рентгенограмма изделия со сложной геометрией или структурой (например, корпус двигателя внутреннего сгорания), имеет существенно больший динамический диапазон. Чтобы преодолеть ограничение нелинейности, узости динамического диапазона детектора 4, мы для получения рентгенограммы контроля изделия 5 используем несколько рентгенограмм, полученных при различных экспозициях, информацию о каждом из которых получаем со второго детектора 3.

Используя в качестве репера дозу излучения по детектору 3, возможно существенно расширить динамический диапазон измерения. Каждый из элементов матрицы детектора 4 подключен к другим автономным независимым входам процессора 6, в котором обрабатываются информационные сигналы элементов матрицы детектора 4. Конструктивная форма детектора 4 может быть любой - плоской, объемной и т.д.

Слои детекторов 2, 3 и элементы матрицы детектора 4 изготовлены из рентгенопрозрачного материала и предназначены для преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал аналоговой формы.

В качестве буферного каскада процессора 6 является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий все входящие аналоговые сигналы в процессор 6 в цифровую форму, удобную при обработке информационных сигналов. Процессор 6 выполняет функции обработки электрических сигналов детекторов 2, 3, 4, их преобразования (оцифровку, сложение, вычитание, деление, интегрирование и др.), представления в форму, удобную для воспроизведения на регистраторе 7 и запоминания информации. Второй и третий выходы процессора 6 связаны с входами управления источником 1 рентгеновского излучения и предназначен для стабилизации (управления) тока и напряжения источника 1 в зависимости от величин измеряемых параметров.

Алгоритм вычисления измеряемых параметров вложен в процессор 6 и обеспечивает расширенный динамический диапазон измерения и функциональные возможности, а также высокие метрологические характеристики измерителя. Для этого весь диапазон матричного детектора 4 преобразуется в отсчеты поэлементно интегрированной линейной квазизависимости детектора 4, но рабочий участок этой зависимости определен еще уже, чем весь диапазон детектора 4. Для повышения достоверности измеряемых параметров нормируется значение интегральной дозы детектора 3, что позволяет получить линейное преобразование рентгеновского потока за контролируемым изделием 5 в расширенном динамическом диапазоне.

Работа измерителя.

В процессе исследования контролируемого изделия 5 в соответствии с алгоритмом вычисления программы контроля, заложенной в процессор 6, управляют эффективной энергией рентгеновского потока (мощность дозы зондирующего рентгеновского излучения и ток) и поддерживают его интенсивность. Прямой поток рентгеновского излучения направляют в сторону первого детектора 2, который затем просвечивает изделие 5 и попадает во второй детектор 3, затем в многоэлементную матрицу третьего детектора 4.

Имея поэлементные значения, получаемые с детектора 4 для каждой экспозиции, и зная физические параметры экспозиции через второй детектор 3 мы можем восстановить линейную зависимость рентгенограммы структуры изделия 5 в полном динамическом диапазоне. Изменив эффективную энергию потока через обратную связь: процессор 6 - источник 1 и повторив процедуру с новой энергией потока, которую мы определили ранее, мы можем получить не только рентгенограмму структуры материала контролируемого изделия, но и оценить значение эффективного атомного номера контролируемого изделия 5. Измеритель позволяет восстановить линейную зависимость рентгенограммы структуры материала исследуемого изделия 5 в полном динамическом диапазоне благодаря алгоритму вычислений. Изменив эффективную энергию рентгеновского потока через обратную связь между процессором 6 и источником 1 и повторив процедуру с новым энергетическим потоком, мы можем получить информацию о любом интересующем нас участке изделия с оптимальной точностью.

Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона измерения за счет многофункциональной экспозиции измерителя и функциональных возможностей получения графического изображения структуры, а также повышение энергетического разрешения, в совокупности позволяющих существенно увеличить чувствительность и точность при определении параметров контролируемого изделия.

Рентгеновский измеритель параметров излучения, содержащий источник рентгеновского излучения, первый, второй и третий детекторы рентгеновского излучения, расположенные так, что между первым и вторым детекторами размещено контролируемое изделие, процессор и регистратор, при этом первый детектор выполнен двухслойным, создан из материалов с разными значениями атомных номеров Z≈15 и Z≈85 и обращен к контролируемому изделию слоем из материала с большим значением атомного номера, выходы слоев первого детектора и второго детектора соединены с первыми автономными аналоговыми входами процессора, первый выход которого связан с входом регистратора, отличающийся тем, что второй детектор также как и первый детектор выполнен двухслойным и создан из материалов с разными значениями атомных номеров Z≈15 и Z≈85, при этом второй детектор обращен к контролируемому изделию слоем из материала с меньшим значением атомного номера, третий детектор выполнен в виде многоэлементной матрицы, каждый элемент которой изолирован друг от друга и создан из материала с фиксированным значением атомного номера, например, арсенида галлия, причем элементы матрицы третьего детектора соединены электрически со вторыми автономными аналоговыми входами процессора, второй и третий выходы которого связаны с входами источника излучения, а все три детектора расположены последовательно вдоль оси прямого потока рентгеновского излучения.