Installation eines Röntgenoptikspiegels der nächsten Generation der NASA mit kapazitiven Sensoren

Kapazitiver Anwendungshinweis LA03-0022

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Zusammenfassung

Lokalisierung Tausender zerbrechlicher Spiegel in einem Orbitalteleskop mithilfe kapazitiver Sensoren zur Überwachung der Spiegelposition innerhalb von 1 µm und 1 Mikroradian (1 µrad).

Röntgenoptik der nächsten Generation

Die NASA entwickelt die nächste Generation von Röntgenoptiken, die in einem umlaufenden Röntgenobservatorium eingesetzt werden könnten. Die „Linse“ besteht aus Tausenden von Spiegeln, die so positioniert sind, dass sie Röntgenstrahlen in einem flachen Winkel mit einer Brennweite von 3 bis 10 Metern reflektieren. Das Aufstellen und Befestigen der Spiegel in Position ist die primäre Herausforderung des Projekts. Das Erzeugen eines Fokus bei langen Brennweiten erfordert eine Spiegelwinkelpositionstoleranz von nur 1 µRadian, und die präzise geformten Spiegel müssen bei der Montage weniger als 0.1 µm von ihrem freien, nicht montierten Zustand verzerren. Und natürlich muss jede solche Baugruppe in der Lage sein, diese Positionen durch Start und Bereitstellung zu halten.

Zerbrechliche Spiegel, hochpräzise Montage

Der typische Spiegel hat etwa die Größe eines Blattes Druckerpapier und ist nur viermal so dick (200 mm x 200 mm x 0.4 mm) und mit einer 10-nm-Schicht aus Iridium oder Gold beschichtet. Die Spiegel sind so dünn, dass nur 1 mN Kraft ihre Form verzerrt. Die Wärmeausdehnung ist ebenfalls von Belang. Die längere Nähe einer Person zu einem Spiegel führt zu einer messbaren Verzerrung, sodass der Montageprozess der Struktur wenig Wärme hinzufügen muss.

Spiegel werden in der Endmontage auf Laschen montiert und mit UV-gehärtetem Epoxid fixiert. Die Injektion und Aushärtung des Epoxids sind die kritischen Schritte. Die Dynamik des Hydraulikdrucks während und unmittelbar nach der Injektion des Epoxids verschiebt den Spiegel an den Kontaktpunkten, was zu Verzerrungen und Platzierungsänderungen führt. Das Epoxid dehnt sich auch während des UV-Härtungsprozesses aus, wodurch der Spiegel weiter verzerrt wird.

Überwachungsposition während des Montagevorgangs

Hochauflösende kapazitive Abstandssensoren (Lion Precision Elite Series Sensoren) wurden verwendet, um die Verschiebung des Spiegels während des Verbindungsprozesses mit Nanometergenauigkeit zu profilieren. Nachdem die Bewegungen und Verzerrungen, die durch den Hydraulikdruck und den UV-Härtungsprozess erzeugt werden, profiliert wurden, können die injizierte Epoxidmenge und der Zeitpunkt der UV-Härtung verwendet werden, um die endgültige Spiegelposition zu steuern. Die kapazitiven Sensoren werden während der automatisierten Verbindungssequenz verwendet, um die Injektion zu stoppen, wenn die Spiegelverzerrung einen vorbestimmten Punkt erreicht. Das System überwacht dann die Spiegelposition während des Epoxidflusses nach der Injektion. Der UV-Härtungsprozess beginnt, wenn der Spiegel eine Position erreicht, von der aus die Epoxidhärtungsausdehnung den Spiegel mit einer Genauigkeit von mehr als 1 µm genau in die gewünschte Position bewegt (siehe Tabelle unten).

Verschiebung gegen Zeit

Details zum kapazitiven Sensorsystem

Sechs kapazitive Wegsensoren werden im System verwendet - einer für jede Ecke des Spiegels und zwei zur Überwachung der Positionen der Befestigungslaschen als Referenz (Foto unten, Spiegel ist im Kamerawinkel transparent). Kapazitive Wegsensoren erfordern normalerweise ein geerdetes Ziel, um eine Ansammlung von Ladung auf dem Ziel zu verhindern, aber die zerbrechlichen Spiegel können nicht geerdet werden. Das Elite-Serie Sensoren sollen dieses Problem verhindern. Die Anregungssignale haben eine Phasendifferenz von 180 ° zwischen geraden und ungeraden Kanälen. Diese Phasenanordnung ermöglicht es der Hälfte der Sensoren, dem Spiegel Ladung hinzuzufügen, während die andere Hälfte Ladung entfernt, wodurch die Notwendigkeit eines leitenden Pfades zur Erde beseitigt wird (Kapazitive Sensoren und ungeerdete Ziele).

Details zum kapazitiven Sensorsystem

Kapazitive Sensoren gegenüber Lasern bevorzugt

Ursprünglich wurden Laser-Verschiebungssensoren im System verwendet. Während die Laser Messungen aus größerer Entfernung lieferten, war eine Alternative gefunden worden, da die Größe der Laser die Montage schwierig machte und sie eine unzureichende Auflösung hatten, zu teuer waren und zu viel Wärme erzeugten. Die kapazitiven Sensoren sind Geräte mit geringer Leistung / Wärme und hoher Auflösung, und die geringe Größe erleichtert die Montage.

Kapazitive Systemdetails

Sechs CPL190 Treiber in einem 6-Slot Elite-Serie Gehäuse (EN196)
Sechs C9.5-5.6 Probes
Kalibrierung: 500 µm Bereich, 15 kHz Bandbreite, 10 nm rms Auflösung

Kapazitive Systemdetails

 

Vielen Dank an Ryan McClelland von der NASA für die Bereitstellung von Daten, Diagrammen und Fotos.