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UHV-Kompatibel Motion System Technologie setzt neue Maßstäbe für die SI-Einheit der Masse

Heason Technology hat kürzlich den Entwurf und die Lieferung eines UHV-kompatiblen und vollständig unmagnetischen 3-Achsen-Manipulators abgeschlossen, der von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Auftrag gegeben wurde und zur Mikropositionierung einer besonderen Art eingesetzt wird eine Kilogramm-Siliziumkugel, die eine wichtige Rolle bei der Neudefinition der Masseneinheit für das Internationale Einheitensystem (SI) spielen könnte.

Mit Ausnahme der Masse können alle SI-Basiseinheiten auf Grundkonstanten oder auf die Eigenschaften von Atomen oder Molekülen zurückgeführt werden. Der Massenstandard, das Kilogramm, wird derzeit als das internationale Prototypkilogramm (IPK) definiert, ein 135-jährliches Platin-Iridium-Artefakt, das im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sevres bei Paris mit etwa 80 'abgehalten wird. nationale Prototyp-Repliken, die weltweit an Metrologieinstitute verteilt werden.

Periodisch werden die Replikate mit dem ursprünglichen IPK verglichen, wobei zunehmend erkannt wird, dass die Prototypen aufgrund von Gründen wie Mikrokontamination, Oberflächenadsorption und anderen komplexen Faktoren, die extrem schwierig zu bewältigen sind, langsam, aber unaufhaltsam voneinander abweichen. Diese - wenn auch winzigen - Variationen, die über mehrere Jahre nur die Masse eines Fingerabdrucks darstellen, haben Wissenschaftler dazu veranlasst, nach anderen Wegen zur Quantifizierung von Masse und einer Forschungslinie zu suchen, die zur Gründung des internationalen Avogadro-Projekts führten - eine langfristige Zusammenarbeit Gründung in 2003 zwischen Metrologieinstituten in Deutschland, Italien, Belgien, Japan, Australien und den USA. Das Projekt zielt darauf ab, das Kilogramm in Bezug auf eine Konstante auf der Grundlage der Atommasse neu zu definieren.

Um ihre Ziele zu erreichen, wurden zwei reine Silizium-28-Kugeln mit einem Rundheitsdelta von weniger als 50-Nanometern über einem 93.6-mm-Durchmesser hergestellt, von dem angenommen wird, dass es sich um die rundesten Objekte der Welt handelt. Diese wurden ausführlich auf ihre Kristallperfektion untersucht und zur Bestimmung des Kugeldurchmessers und des resultierenden Volumens gemessen. Aus diesen Daten kann die spezifische Anzahl eines bestimmten Atoms, der in der 1-kg-Masse des Silizium-28 enthalten ist, mit einer gewissen Sicherheit vorhergesagt werden. Auf diese Weise konnte die Avogadro-Konstante NA als neue Definition der Masse etabliert und anerkannt werden.

Das laufende Projekt hat vielversprechende Ergebnisse geliefert und viele Meilensteine ​​wurden erreicht, aber eine umfassendere Arbeit ist weit in die Zukunft geplant. Da Oberflächenkontamination nach wie vor ein Problem und ein Hindernis für das Erzielen der erforderlichen Messsicherheit ist, analysiert die PTB neben vielen anderen Aspekten die Oberflächeneigenschaften dieser hochreinen Siliziumkugeln unter Verwendung eines Synchrotronstrahls, um ihren Einfluss auf atomarer Ebene zu bestimmen der Kugeldurchmesser und das daraus folgende Volumen. Der Heason 3-Achsenmanipulator wird innerhalb einer Vakuumkammer verwendet, um die Kugel relativ zu dem Synchrotronstrahlungsstrahl für Oberflächenspektroskopie zu positionieren.

Die anspruchsvollen Spezifikationen für den Stellungsregler bedeckten Basis- und oberen Rundachsen mit 370º- und 110º-Fahren bzw. mit Positionswiederholbarkeit von 0.01º; und mit einer zentralen horizontalen 55 mm-Linearführung mit Wiederholbarkeitsspezifikation von 10 Mikron. Um die optimale Steifigkeit für eine minimale Abweichung durch die Z-Achse des Manipulators sicherzustellen, erforderten diese Schlüsselspezifizierungsfaktoren extrem enge Radial- und Planlaufabweichungswerte für die Drehtische und gleichermaßen eine Begrenzung von Steigung, Gieren und Rollen für den Lineartisch. Für jede Achse musste die Feedback-Auflösung des Quadratur-Encoders 10-mal höher als die Positionsauflösung sein, damit das Servo-Motion-Control-System optimal arbeiten kann.

Das sehr beschränkte Volumen der Vakuumkammer bedeutete, dass die für den Manipulator verfügbaren Gesamtabmessungen nur 300 mm im Durchmesser und 500 mm in der Höhe betrugen. Weitere Herausforderungen erforderten eine freie Apertur von 75 mm durch jede Positionierstufe zur Instrumentierungsdurchführung und zur Einschränkung des Bewegungsweges der Achsen mit Hilfe von kundenspezifischen fest verdrahteten Endschaltern. Das Vakuumniveau wurde auf 10-9 mbar festgelegt und erforderte, dass die Stufe zum Ausgasen zusätzlich zu einem vollständig nichtmagnetischen Bauteilvorrat, der während der gesamten Anordnung verwendet werden soll, auf 120ºC vorgeheizt wird.

Heason Technology hat seinen eigenen Design- und Build-Service über mehrere Jahre hinweg entwickelt und verfügt über ein breites Portfolio an nachgewiesenen Anwendungserfolgen für die Installation von Bewegungssystemen in UHV für Synchrotronquellen und viele andere ebenso anspruchsvolle Forschungs- und Fertigungsumgebungen. Der in West Sussex ansässige Spezialist für Bewegungssteuerungen arbeitet mit ausgewählten Global Motion Control Equipment-Fertigungspartnern für spezialisierte Komponenten zusammen, um solche Aufgaben zu erledigen.

Die Wahl der Piezo-Keramik-Motoren für alle Achsen, von Heason's Vertriebspartner Nanomotion, lieferte die perfekte Lösung für den Antrieb und die Steuerung. Diese sehr kompakten, vollständig nichtmagnetischen Motoren sind am Umfang jedes Drehtisches angeordnet und erzeugen eine Drehbewegung durch Antreiben eines Keramikrings. Nach dem gleichen Prinzip ist der Lineartisch mit einer Keramikleiste ausgestattet. Eine Kombination von drei 2-Elementen HR-2-Motoren für jede Rotationsachse wird synchronisiert, um eine sehr genaue Positionierungsauflösung zu erreichen. Ein einziger 8-Element HR-8 Motor wird für den Lineartisch verwendet.

Bei der Positionsrückmeldung kamen kompakte, freiliegende optische Dreh- und Lineargeber von Numeric-Jena mit in die Baugruppe integrierten Glasscheiben und -streifen zum Einsatz. Alle Stufen sind mit Kugellagern ausgestattet und die Titan-Tragstruktur und die Gehäuse, die ausreichend Luftspalte und -abstände aufweisen, um ein problemloses Ausgasen des Vakuums zu ermöglichen, wurden spezifiziert, um eine maximale Stufensteifigkeit bereitzustellen. UHV-kompatible Steckverbinder und Kabel sowie andere vakuumkompatible Materialien wie Peek wurden überall spezifiziert, wobei alle Kabel außerhalb des Manipulatorgehäuses mit einem einfachen Kabelbaumsystem angeordnet waren. Das Positionierungssystem erfordert eine relativ niedrige Einschaltdauer mit langsamer Positionierung, gefolgt von längeren Bewegungsunterbrechungen für Oberflächenmessungen, bei denen die inhärente Verriegelungsfähigkeit der piezokeramischen Motoren für vollständige Stabilität sorgt.

Der 3-Achsenkugelmanipulator wurde an die deutsche Technische Beratungsfirma Dr.-Ing. Giora Baum (Precision-Motion), der das Bewegungssteuerungssystem zur Verfügung stellte. Die PTB ist nun damit beschäftigt, den Heason-Manipulator zu verwenden, und die erzielten Ergebnisse werden sich im Laufe der Zeit ergeben - vielleicht mit der Ankündigung weiterer ermutigender Ergebnisse für die neue Definition der Masse.

Heason Technology Ltd

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