KEM Konstruktion 11.2018

AUTOMATISIERUNG
MESSTECHNIK & SENSOREN
Präzisionstechnik für die Röntgenmikroskopie
Positionieren auf hohem Niveau
Die Grundlagen von Bewegungs- und Positionierlösungen sind mechanische Präzisionskomponenten, eine stabile
Regelung und Engineering-Knowhow. Ein Beispiel findet sich am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Hier haben
in einem Projekt das Institut für Photonik und Synchrotronstahlung (IPS) und das Institut für Mikrostrukturtechnologie
(IMT) für die Synchrotron-Strahlungsquelle ANKA (Angströmquelle Karlsruhe) ein neues System zur Röntgenmikroskopie
und Qualitätssicherung bei röntgenoptischen Elementen entwickelt. Unterstützung fanden sie bei
den Beamline-Experten von Physik Instrumente (PI).
Dr. Markus Simon, Bereichsleiter System Consulting bei der PI Micos GmbH, und Ellen-Christine Reiff, M.A.,
Redaktionsbüro Stutensee
Die Beamline-Spezialisten von Physik Instrumente (PI) haben
das MiQA-System entworfen, produziert und am Elektronen-
Synchrotron ANKA auf dem Gelände des KIT in Betrieb
genommen
Bild: PI
beim Einstellen dieser Luftkissen.
Die Maschinenbasis ist für die Positionierung von insgesamt
sechs röntgenoptischen Elementen ausgelegt. Für
hohe Flexibilität ist jedes Element auf einem eigenen Positioniermodul
platziert, das unabhängig von den anderen
Modulen auf drei massiven, parallelen Schienen entlang
des Strahlengangs verfahren kann. Die Module werden
von Linearmotoren angetrieben und gleiten auf Luftlagern.
Für die Positionsrückmeldung sind Absolutwertgeber
integriert und der maximale Verfahrbereich beträgt
2800 mm. Das zentrale Probenmodul transportiert die jeweilige
Probe dann entlang des Strahlengangs über einen
Verfahrbereich von 3500 mm. Um während eines Experiments
größtmögliche Stabilität zu gewährleisten,
kann jedes Modul einzeln von der Luftzufuhr abgeschnitten
werden, so dass es fest auf seiner Schiene sitzt und
somit die Position unverrückbar hält.
MiQA Station (X-Ray Microscope and Quality Assurance Station)
ist ein System zur Röntgenmikroskopie und Qualitätssicherung
bei röntgenoptischen Elementen und ist flexibel ausgelegt,
damit eine möglichst breite Palette an Experimenten rund um Röntgenmikroskopie
und Untersuchungen an röntgenoptischen Elementen
möglich ist. Die Flexibilität stellt allerdings besondere technische
Herausforderungen. So müssen etwa die röntgenoptischen
Elemente wie Linsen, Gitter, Detektor und auch die Probe mit hoher
Präzision und Langzeitstabilität positioniert werden, um hochauflösende
Messungen im Röntgenstrahl zu ermöglichen. Dazu gilt es,
etwa 60 ganz unterschiedlich motorisierte Achsen feinfühlig zu regeln
und aufeinander abzustimmen. Als Industriepartner für die Umsetzung
dieser Aufgabe holte sich das KIT deshalb die Karlsruher Firma
Physik Instrumente ins Boot, mit deren Unterstützung die Maschine
detailliert, gebaut und in Betrieb genommen wurde.
Das rund 20 t schwere System ist modular aufgebaut. Die Basis hat
ein Grundvolumen von 4900 mm × 2200 mm × 600 mm und besteht
aus Granit. Die ausfahrbaren Maschinenfüße ermöglichen eine
Grobausrichtung der gesamten Maschine (Tip/Tilt/Z) mit einer
Auflösung von besser als 100 μrad. Dabei werden für die seitliche
Feinausrichtung (Gieren) die Maschinenfüße mit Druckluft versorgt
und schweben somit auf Luftkissen. Triangulationssensoren helfen
Hexapoden positionieren die Röntgenoptiken
Vier weitere Module dienen zur Positionierung von Röntgenlinsen
und -gittern. Hier sind Hexapoden die treibende Kraft für die präzise
Ausrichtung mit sechs Freiheitsgraden. Da Hexapoden parallelkinematische
Systeme sind, kann das Rotationszentrum durch Softwarebefehle
beliebig eingestellt werden, um den Fokus des röntgenoptischen
Elements anzupassen. Zwei dieser optischen Röntgenmodule
sind zusätzlich mit Goniometern und Piezoscannern
ausgestattet, um einen großen Winkelbewegungsbereich um die
Strahlachse sowie eine Phasenabtastung von etwa Röntgengittern
im Nanometerbereich zu ermöglichen. Sie lassen sich bei Bedarf auf
jedem der Hexapoden anbringen. Bei einem Wechsel müssen keine
Kabel neu verlegt werden, da entsprechende Anschlüsse in jedem
der Module integriert sind.
Parallelkinematik für Detektor- Positionierung
Das Detektorportalmodul positioniert die Kamera mit der Detektoroptik
in drei Freiheitsgraden. Hohe Steifigkeit und Stabilität garantiert
hier ebenfalls ein parallelkinematisches System. Es stellt zwei
laterale Freiheitsgrade senkrecht zum Strahl und einen Rotationsfreiheitsgrad
um die Strahlachse bereit. Da der vom KIT verwendete
Detektor groß und schwer (ca. 60 kg) ist, wurde das parallelkinema-
76 K|E|M Konstruktion 11 2018