RU2289223C1

RU2289223C1 - Scanning laser positioner for x-radiation

Info

Publication number: RU2289223C1
Application number: RU2005115321/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Яковлевич Маклашевский (RU); Виктор Яковлевич Маклашевский; Андрей Анатольевич Кеткович (RU); Андрей Анатольевич Кеткович
Original assignee: Войсковая часть 75360; Виктор Яковлевич Маклашевский; Андрей Анатольевич Кеткович
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2006-12-10

Abstract

FIELD: positioning radiator with respect to object.

SUBSTANCE: additionally introduced in positioner is rotor in the form of hollow cylinder revolving at frequency f ≥ 20 Hz whose axis of revolution is aligned with laser axis; rotor is disposed between first reflector and laser; optical raster in the form of combination of transparent and nontransparent bars of width t and height H is set on rotor butt-end disposed closer to laser; bar width is chosen from condition t = λ/sin(α/2, where λ is laser beam wavelength; α is X-radiator ray angle; bar height is chosen from relation H ≤ d, where d is laser beam diameter; mounted on other end of rotor is mask with central hole and two symmetrically disposed holes spaced apart through distance D; rotor length B on laser axis is found from expression B=kd/tg(α/2), where k = 1 - 2 is process coefficient and diametric line connecting centers of mask holes is perpendicular to direction of raster bars; distance A between raster and center of first reflector along lather axis equals distance from this center to X-ray tube focus on X-ray beam axis. Such positioner enables X-raying of object area as well as determination of center of this area.

EFFECT: enlarged functional capabilities and facilitated determination of distance from radiator to object.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю с использованием рентгеновского излучения и может быть применено для контроля материалов и изделий радиационным методом в различных отраслях машиностроения.The invention relates to non-destructive testing using x-ray radiation and can be used to control materials and products by the radiation method in various engineering industries.

Известен лазерный центратор, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения, оптическая ось выхода излучения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых, выполненный из оргстекла, установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя с возможностью поворота вокруг оси перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, в диапазоне углов 25-65°, а второй установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя, на оптической оси выхода излучения вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя, средство индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, связанного с вторым отражателем, и средство прерывания пучка от второго отражателя, выполненное в виде откидной шторки, установленной до или после второго отражателя [1].A known laser centralizer comprising a housing, a laser located therein with a two-sided radiation output, the optical axis of the radiation output of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two reflectors, the first of which is made of plexiglass, is installed at the intersection of the optical axis of the laser with the axis of the x-ray beam of the emitter the possibility of rotation around the axis of the perpendicular plane defined by the optical axis of the output of the laser radiation with the axis of the x-ray beam, in the range of angles 25-65 °, and the second is installed the ability to rotate around an axis parallel to the axis of rotation of the first reflector, on the optical axis of the radiation exit outside the projection of the output window of the x-ray emitter onto it, means for indicating the focal length in the form of a pointer with a scale mounted on the centralizer housing associated with the second reflector, and means for interrupting the beam from the second reflector, made in the form of a hinged curtain installed before or after the second reflector [1].

Это устройство не позволяет оценивать размер рентгеновского пучка в плоскости изделия и, кроме того, имеет пониженную точность измерения фокусного расстояния из-за сложностей с совмещением малоразмерных светящихся точек, плохо различимых при больших расстояниях до объекта.This device does not allow to estimate the size of the x-ray beam in the plane of the product and, in addition, has a reduced accuracy of measuring the focal length due to difficulties with combining small-sized luminous points that are poorly distinguishable at large distances to the object.

Известен также лазерный центратор, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен на оптической оси выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, и средство индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, дополнительно снабжен двумя цилиндрическими линзами, установленными на оси излучения лазера, поперек каждого его выходного пучка, первая между одним из торцов лазерного излучателя и первым отражателем, а вторая - между вторым торцом лазерного излучателя и вторым отражателем, а их фокус выбирается из соотношения f=h/tgα где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского излучателя, при этом цилиндрические линзы установлены с возможностью вращения вокруг оси лазерного пучка [2].A laser centralizer is also known, comprising a housing, a laser located therein with a two-sided output of radiation, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two reflectors, the first of which is mounted at the intersection of the optical axis of the laser with the axis of the x-ray beam, and the second is mounted on the optical exit axis laser radiation outside the projection onto it of the output window of the x-ray emitter with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the plane defined by the optical axis of the radiation output laser with the axis of the x-ray beam, and means for indicating the focal length in the form of a pointer with a scale mounted on the centralizer body, is additionally equipped with two cylindrical lenses mounted on the axis of the laser radiation, across each of its output beam, the first between one of the ends of the laser emitter and the first reflector and the second between the second end of the laser emitter and the second reflector, and their focus is selected from the relation f = h / tgα where h is the radius of the laser beam, α is the angle of radiation of the x-ray emitter, at Ohm cylindrical lenses are mounted with the possibility of rotation around the axis of the laser beam [2].

Недостаток этого центратора - невозможность оценки области объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением, а также сложность определения центра этой зоны и определения расстояния от рентгеновского излучателя до объекта в связи с необходимостью вращения цилиндрических линз.The disadvantage of this centralizer is the impossibility of assessing the area of an object exposed to x-ray radiation, as well as the difficulty of determining the center of this zone and determining the distance from the x-ray emitter to the object due to the need to rotate cylindrical lenses.

Для устранения этих недостатков лазерный центратор, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен на оптической оси выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, и средство индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, цилиндрическую линзу, установленную на оси излучения лазера, поперек его выходного пучка, между вторым торцом лазерного излучателя и вторым отражателем, фокус которой выбирается из соотношения f=h/tgα, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского излучателя, при этом цилиндрическая линза установлена с возможностью вращения вокруг оси лазерного пучка, дополнительно введены вращающийся с частотой f≥20 Гц ротор в виде полого цилиндра, ось вращения которого совпадает с осью лазера, ротор расположен между первым отражателем и лазером, на торце ротора, расположенным ближе к лазеру, установлен оптический растр в виде совокупности прозрачных и непрозрачных штрихов шириной t и высотой H, ширина штрихов, выбирается из условия t=λ/sin(α/2), где λ - длина волны излучения лазера, α - угол излучения рентгеновского излучателя, высота штрихов выбирается с учетом соотношения H≤d, где d - диаметр лазерного пучка, на другом торце ротора установлена маска с центральным отверстием и двумя симметрично расположенными отверстиями с расстоянием между ними D, а длина ротора В по оси лазера определяется соотношением

где к=1÷2 - технологический коэффициент, а диаметральная линия, соединяющая центры отверстий маски, перпендикулярна вертикальному направлению штрихов растра, при этом расстояние от растра до центра первого отражателя и от этого центра до фокуса рентгеновской трубки по оси рентгеновского пучка равны.To eliminate these drawbacks, a laser centralizer containing a housing, a laser located in it with a two-sided output of radiation, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two reflectors, the first of which is mounted at the intersection of the optical axis of the laser with the axis of the x-ray beam, and the second is mounted on the optical the axis of the exit of laser radiation outside the projection onto it of the output window of the x-ray emitter with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the plane defined by the optical axis laser radiation output with the axis of the x-ray beam, and a means of indicating the focal length in the form of a pointer with a scale mounted on the centralizer body, a cylindrical lens mounted on the laser radiation axis, across its output beam, between the second end of the laser emitter and the second reflector, the focus of which is selected from the relation f = h / tgα, where h is the radius of the laser beam, α is the radiation angle of the x-ray emitter, while the cylindrical lens is mounted to rotate around the axis of the laser beam, additional о introduced a rotor rotating with a frequency f≥20 Hz in the form of a hollow cylinder, the axis of rotation of which coincides with the axis of the laser, the rotor is located between the first reflector and the laser, an optical raster is installed in the form of a set of transparent and opaque strokes at the end of the rotor closer to the laser width t and height H, the width of the strokes, is selected from the condition t = λ / sin (α / 2), where λ is the wavelength of the laser radiation, α is the radiation angle of the x-ray emitter, the height of the strokes is selected taking into account the relation H≤d, where d - the diameter of the laser beam, on the other The rotor head has a mask with a central hole and two symmetrically located holes with a distance between them D, and the length of the rotor B along the laser axis is determined by the ratio

where k = 1 ÷ 2 is the technological coefficient, and the diametric line connecting the centers of the mask openings is perpendicular to the vertical direction of the raster strokes, while the distance from the raster to the center of the first reflector and from this center to the focus of the x-ray tube along the x-ray axis is equal.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена схема устройства.The invention is illustrated in the drawing (figure 1), which shows a diagram of the device.

Лазерный центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2 с расположенным в нем лазером 3 с двусторонним выходом излучения, оптическая ось выхода излучения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя 4 и 5, первый 4 из которых, выполненный из оргстекла, установлен на пересечении оптической оси лазера 8 с осью рентгеновского пучка излучателя (падающего на контролируемую поверхность 6) с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью 8 выхода излучения лазера с осью 7 рентгеновского пучка, в диапазоне углов 25-65°, а второй 5 установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя на оптической оси 9 выхода излучения вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя, средство индикации фокусного расстояния в виде указателя 10 со шкалой 11, закрепленной на корпусе 2 центратора, связанного с вторым отражателем 5, и средство прерывания пучка от второго отражателя 5, выполненное в виде откидной шторки, установленной до или после второго отражателя.The laser centralizer contains an x-ray emitter 1, to which the housing 2 is mounted with a laser 3 located in it with a two-sided radiation output, the optical axis of the radiation output of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two reflectors 4 and 5, the first 4 of which made of plexiglass, is installed at the intersection of the optical axis of the laser 8 with the axis of the x-ray beam of the emitter (incident on the controlled surface 6) with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the plane defined by the optical axis 8 exit laser radiation with an axis 7 of the x-ray beam, in the range of angles 25-65 °, and the second 5 is installed with the possibility of rotation around an axis parallel to the axis of rotation of the first reflector on the optical axis 9 of the radiation output outside the projection onto it of the output window of the x-ray emitter, a means of indicating focal the distance in the form of a pointer 10 with a scale 11, mounted on the body of the centralizer 2, connected with the second reflector 5, and means for interrupting the beam from the second reflector 5, made in the form of a hinged curtain installed before or after the second razhatelya.

В центраторе имеется цилиндрическая линза 12, которая установлена на оптической оси лазерного пучка между торцом лазера и отражателем 5 таким образом, что на объекте 6 образуется вертикальная светящаяся полоса.In the centralizer there is a cylindrical lens 12, which is mounted on the optical axis of the laser beam between the end of the laser and the reflector 5 so that a vertical luminous strip is formed on the object 6.

На оси лазера 3 между его первым выходным торцом и первым отражателем 4 установлен с возможностью вращения относительно оси лазера с частотой f≥10 Гц ротор в виде полого цилиндра на одном из торцов которого, ближнем к лазеру, перпендикулярно оси лазера установлен оптический растр, состоящий из совокупности параллельных друг другу прозрачных и непрозрачных штрихов (фиг.2а) шириной t и высотой H≤d, где d - диаметр лазерного пучка, на другом торце ротора 14 установлена маска 13 с центральным отверстием и двумя отверстиями, симметрично расположенными относительно оси лазера по диаметру ротора на расстоянии D друг от друга (фиг.2а).On the axis of the laser 3 between its first output end and the first reflector 4 is mounted rotatably with respect to the laser axis with a frequency f≥10 Hz, a rotor in the form of a hollow cylinder at one of the ends of which, close to the laser, an optical raster is installed perpendicular to the laser axis, consisting of a combination of transparent and opaque strokes parallel to each other (Fig.2a) with a width t and a height H≤d, where d is the diameter of the laser beam, a mask 13 with a central hole and two holes symmetrically located on the other end of the rotor 14 and relative to the axis of the laser along the diameter of the rotor at a distance D from each other (figa).

Длина ротора В определяется из очевидного соотношения (фиг.3)The length of the rotor B is determined from the obvious ratio (figure 3)

где к=1,1÷1,5 - технологический коэффициент, обусловленный необходимостью наличия конструктивного зазора между краями отверстий, диаметр которых принят равным диаметру d пучка лазера.

where k = 1.1 ÷ 1.5 is the technological coefficient due to the need for a constructive gap between the edges of the holes, the diameter of which is taken to be equal to the diameter d of the laser beam.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 3, выходящее из его первого выходного торца по оптическому растру 15, в соответствии c законами дифракции трансформируется в совокупность лучей, один из которых, соответствующий нулевому порядку дифракции, распространяется вдоль оси лазера. Лучи других дифракционных порядков распространяются в плоскости, перпендикулярной вертикальному направлению линий растра под углами ±к·α к оси лазера, где к=0, 1, 2...n - порядок дифракции. Соотношение между углами дифракции α, длиной волны лазера λ и шириной штрихов растра t имеет вид [3]: t·sinα=к·λ (к=0, 1, 2...м).The device operates as follows. Laser radiation 3 emerging from its first output end along the optical raster 15, in accordance with the laws of diffraction, is transformed into a set of rays, one of which, corresponding to the zero diffraction order, propagates along the laser axis. Rays of other diffraction orders propagate in a plane perpendicular to the vertical direction of the raster lines at angles ± k · α to the laser axis, where k = 0, 1, 2 ... n is the diffraction order. The relationship between the diffraction angles α, the laser wavelength λ and the stroke width of the raster t has the form [3]: t · sinα = k · λ (k = 0, 1, 2 ... m).

В предлагаемом устройстве используются только наиболее интенсивные лучи нулевого и ±1 порядка, что также упрощает анализ дифракционного изображения на объекте. Для этого на оси лазера на расстоянии B от растра установлена непрозрачная маска с тремя отверстиями диаметром d, равными диаметру луча лазера. Расстояние между отверстиями выбирается в соответствии c ранее отмеченным таким, чтобы через маску прошли только лучи нулевого и ±1-го порядка, центры отверстий при этом расположены на диаметре маски, перпендикулярном штрихам растра.The proposed device uses only the most intense rays of zero and ± 1 order, which also simplifies the analysis of the diffraction image at the object. For this, an opaque mask with three holes with a diameter d equal to the diameter of the laser beam is installed on the laser axis at a distance B from the raster. The distance between the holes is selected in accordance with the previously noted so that only rays of zero and ± 1 order pass through the mask, the centers of the holes being located on the diameter of the mask, perpendicular to the strokes of the raster.

Растр, маска жестко закреплена на полом роторе, который приводится во вращение частотой f≥20 Гц (привод не показан на схеме фиг.1 в силу общеизвестности подобных технических решений), при вращении растра лучи ±1-го порядка образуют полую коническую поверхность, что позволяет сформировать на поверхности объекта 6 светящееся кольцо.The raster, the mask is rigidly fixed to the hollow rotor, which is driven by a frequency f≥20 Hz (the drive is not shown in the diagram of Fig. 1 due to the well-known of such technical solutions), when the raster rotates, rays of the 1st order form a hollow conical surface, which allows you to form a luminous ring on the surface of the object 6.

Расстояние между штрихами растра подобрано так, что угол дифракции 1-го порядка соответствует углу излучения рентгеновского излучателя α, а расстояние от вершины конуса лучей до центра первого отражателя выбрано равным расстоянию от этого центра до фокуса рентгеновской трубки. При атом после отражения от первого отражателя полый конический пучок лазерных лучей распространяется в пространстве, полностью повторяя геометрию соосного с ним пучка рентгеновского излучателям.The distance between the strokes of the raster is chosen so that the first-order diffraction angle corresponds to the radiation angle of the x-ray emitter α, and the distance from the top of the cone of the rays to the center of the first reflector is chosen equal to the distance from this center to the focus of the x-ray tube. When an atom after reflection from the first reflector, a hollow conical beam of laser beams propagates in space, completely repeating the geometry of the x-ray beam coaxial with it to the emitters.

На объекте, таким образом, наблюдатель видит яркое кольцо, диаметр которого равен диаметру зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским пучком, а также яркую точку в центре этого кольца, положение которой совпадает с точкой пересечения объекта с осью рентгеновского пучка.Thus, on the object, the observer sees a bright ring, the diameter of which is equal to the diameter of the zone of the object illuminated by the X-ray beam, as well as a bright point in the center of this ring, the position of which coincides with the point of intersection of the object with the axis of the X-ray beam.

При частоте вращения ротора f'≥20 Гц в силу инерционности зрения изображения кольца воспринимается практически как слитное.At a rotor speed of f'≥20 Hz, due to the inertia of vision, the image of the ring is perceived as practically cohesive.

В процессе работы оператор наводит центратор на нужную зону объекта, совмещая ее центр с лазерным кольцом, а затем, вращая второй отражатель, совмещает яркую точку в центре лазерного кольца с лазерной полоской, формируемой цилиндрической линзой перед вторым выходным торцом лазера (фиг.4), и снимает со шкалы устройства отсчет, равный расстоянию от объекта до рентгеновского излучателя, аналогично патенту-аналогу [2].In the process, the operator points the centralizer to the desired area of the object, combining its center with the laser ring, and then, rotating the second reflector, combines the bright point in the center of the laser ring with a laser strip formed by a cylindrical lens in front of the second output end of the laser (Fig. 4), and removes from the scale of the device a reference equal to the distance from the object to the x-ray emitter, similar to the patent analogue [2].

Для повышения контраста изображения лазерных лучей на объекте, особенно в условиях интенсивной солнечной засветки, рекомендуется наблюдать объект через узкополосный светофильтр с длиной волны пропускания, совпадающей с длиной волны лазера.To increase the contrast of the image of laser beams at the object, especially in conditions of intense solar illumination, it is recommended to observe the object through a narrow-band filter with a transmission wavelength matching the laser wavelength.

Растр выполняется фотолитографическим методом, хорошо освоенным в электронной и оптической промышленности. Ширина штрихов для получения углов дифракции 1-го порядка в диапазоне 6°÷10°, что соответствует углам излучения реальных рентгеновских излучателей α=12°÷20°, составляет 2÷5 мкм, что вполне реализовано на практике даже на обычных фотоматериалах типа "Микрат" и т.п. Размер растра принят равным диаметру излучения серийных лазеров, т.е. H≈1÷2 мм, излучающих на длине волны λ=0,63 мкм (наиболее распространенный диапазон изучения газовых полупроводниковых лазеров).The raster is performed by the photolithographic method, well mastered in the electronic and optical industries. The width of the strokes for obtaining 1st-order diffraction angles in the range of 6 ° ÷ 10 °, which corresponds to the radiation angles of real x-ray emitters α = 12 ° ÷ 20 °, is 2 ÷ 5 μm, which is quite implemented in practice even on ordinary " Mikrat ", etc. The raster size is taken equal to the diameter of the radiation of serial lasers, i.e. H≈1 ÷ 2 mm emitting at a wavelength of λ = 0.63 μm (the most common range for studying gas semiconductor lasers).

Применяя роторы различной ширины, можно легко изменять угловой размер лазерного конического пучка.Using rotors of various widths, it is possible to easily change the angular size of the laser conical beam.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 1798935. Лазерный центратор.1. Patent RU 1798935. Laser centralizer.

2. Патент RU 2106619. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.2. Patent RU 2106619. Laser centralizer for x-ray emitter.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов/Под ред. В.А.Панова. М.: Машиностроение, 1980, 742 с.3. Handbook of the designer of optical-mechanical devices / Ed. V.A. Panova. M .: Engineering, 1980, 742 p.

Claims

A laser centralizer comprising a housing, a laser located therein with a two-sided output of radiation, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two reflectors, the first of which is mounted at the intersection of the optical axis of the laser with the axis of the x-ray beam, and the second is mounted on the optical axis of the laser radiation exit outside the projection onto it of the output window of the x-ray emitter with the possibility of its rotation around an axis perpendicular to the plane defined by the optical axis of the output of the laser radiation and the p axis x-ray beam, and means for indicating the focal length in the form of a pointer with a scale mounted on the centralizer body, a cylindrical lens mounted on the axis of the laser radiation across its output beam between the second end of the laser emitter and the second reflector, the focus of which is selected from the relation f = h / tgα , where h is the radius of the laser beam, α is the angle of radiation of the x-ray emitter, while the cylindrical lens is mounted to rotate around the axis of the laser beam, characterized in that it additionally introduces A rotor in the form of a hollow cylinder, the axis of rotation of which coincides with the axis of the laser, is rotated with a frequency f≥20 Hz, the rotor is located between the first reflector and the laser, an optical raster is installed at the end of the rotor closer to the laser in the form of a set of transparent and opaque strokes with a width t and height H, the stroke width is selected from the condition t = λ / sin (α / 2), where λ is the laser radiation wavelength, α is the radiation angle of the x-ray emitter, the height of the strokes is selected taking into account the relation H≤d, where d is the diameter laser beam, at the other end p Mask torus installed with a central opening and two symmetrically placed holes with a spacing D, and the length in the rotor to the laser axis defined by the relation

where k = 1 ÷ 2 is the technological coefficient,

and the diametric line connecting the centers of the mask openings is perpendicular to the vertical direction of the raster strokes, while the distance from the raster to the center of the first reflector along the axis of the laser A is equal to the distance from this center to the focus of the x-ray tube along the x-ray axis.