Instalación del espejo óptico de rayos X de próxima generación de la NASA con sensores capacitivos

Nota de aplicación capacitiva LA03-0022

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Resumen

Localización de miles de frágiles espejos en un telescopio orbital utilizando sensores capacitivos para monitorear la posición del espejo dentro de 1 µm y 1 microrradián (1 µrad).

La próxima generación de ópticas de rayos X

La NASA está desarrollando la próxima generación de ópticas de rayos X que podrían usarse en un Observatorio de rayos X en órbita. La "lente" consta de miles de espejos colocados para reflejar los rayos X en un ángulo poco profundo con una distancia focal de 3 a 10 metros. Ubicar y fijar los espejos en su lugar es el principal desafío del proyecto. Crear un enfoque en las distancias focales largas requiere una tolerancia de posición angular del espejo de solo 1 µRadian, y los espejos de forma precisa, cuando se montan, deben distorsionar menos de 0.1 µm desde su estado libre y sin montar. Y, por supuesto, cualquier conjunto de este tipo debe poder mantener estas posiciones durante el lanzamiento y el despliegue.

Espejos frágiles, montaje de alta precisión

El espejo típico es aproximadamente del tamaño de una hoja de papel de impresora y solo cuatro veces más grueso (200 mm X 200 mm X 0.4 mm) y está recubierto con una capa de 10 nm de iridio u oro. Los espejos son tan delgados que solo 1 mN de fuerza distorsionará su forma. La expansión térmica también es motivo de preocupación; La proximidad prolongada de una persona a un espejo crea una distorsión mensurable, por lo que el proceso de montaje debe agregar poco calor a la estructura.

Los espejos se montan en pestañas en el ensamblaje final y se fijan en su lugar con epoxi curado con UV. La inyección y el curado del epoxi son los pasos críticos. La dinámica de la presión hidráulica durante e inmediatamente después de la inyección del epoxi desplaza el espejo en los puntos de contacto provocando distorsiones y cambios de ubicación. El epoxi también se expande durante el proceso de curado UV, lo que distorsiona aún más el espejo.

Posición de monitoreo durante la operación de montaje

Sensores de desplazamiento capacitivo de alta resolución. (Sensores Lion Precision Elite Series) se han utilizado para perfilar, con precisión nanométrica, el desplazamiento del espejo durante el proceso de unión. Habiendo perfilado los movimientos y distorsiones creados por la presión hidráulica y el proceso de curado UV, la cantidad de epoxi inyectado y el tiempo del curado UV se pueden usar para controlar la posición final del espejo. Los sensores capacitivos se utilizan durante la secuencia de unión automática para detener la inyección cuando la distorsión del espejo alcanza un punto predeterminado. Luego, el sistema monitorea la posición del espejo durante el flujo de epoxi posterior a la inyección. El proceso de curado con UV comienza cuando el espejo alcanza una posición desde la cual la expansión del curado con epoxi moverá el espejo con precisión a la posición deseada con una precisión superior a 1 µm (consulte la tabla a continuación).

Desplazamiento vs tiempo

Detalles del sistema de detección capacitiva

Se utilizan seis sensores capacitivos de desplazamiento en el sistema: uno para cada esquina del espejo y dos para monitorear las posiciones de la pestaña de montaje como referencia (foto a continuación, el espejo es transparente al ángulo de la cámara). Los sensores de desplazamiento capacitivos generalmente requieren un objetivo conectado a tierra para evitar la acumulación de carga en el objetivo, pero los espejos frágiles no pueden conectarse a tierra. los Serie Elite los sensores están diseñados para prevenir este problema; Las señales de excitación tienen una diferencia de fase 180 ° entre los canales pares e impares. Esta disposición de fase permite que la mitad de los sensores agregue carga al espejo mientras que la otra mitad elimina la carga, eliminando así la necesidad de una ruta conductora a tierra (Sensores capacitivos y objetivos sin conexión a tierra).

Detalles del sistema de detección capacitiva

Sensores capacitivos preferidos al láser

Originalmente, se usaban sensores de desplazamiento láser en el sistema. Si bien los láseres proporcionaban mediciones desde una mayor distancia, se había encontrado una alternativa porque el tamaño de los láseres dificultaba su montaje, tenían una resolución insuficiente, eran demasiado caros y generaban demasiado calor. Los sensores capacitivos son dispositivos de baja potencia / calor con altas resoluciones, y el tamaño pequeño facilita el montaje.

Detalles del sistema capacitivo

Seis Controladores CPL190 en una ranura 6 Serie Elite Caja (EN196)
Seis C9.5-5.6 Sondas
Calibración: Rango 500 µm, Ancho de banda 15 kHz, Resolución 10 nm rms

Detalles del sistema capacitivo

 

Gracias a Ryan McClelland de la NASA por proporcionar datos, gráficos y fotos.