Installazione dello specchio a raggi X di prossima generazione della NASA con sensori capacitivi

Nota sull'applicazione capacitiva LA03-0022

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sommario

Localizzazione di migliaia di specchi fragili in un telescopio orbitale utilizzando sensori capacitivi per monitorare la posizione dello specchio entro 1 µm e 1 microradiante (1 µrad).

L'ottica a raggi X di prossima generazione

La NASA sta sviluppando la prossima generazione di ottiche a raggi X che potrebbero essere utilizzate in un osservatorio a raggi X in orbita. La "lente" è composta da migliaia di specchi posizionati in modo da riflettere i raggi X con un angolo basso con una lunghezza focale di 3-10 metri. Individuare e fissare gli specchi in posizione è la sfida principale del progetto. La creazione della messa a fuoco alle lunghe lunghezze focali richiede una tolleranza di posizione angolare dello specchio di solo 1 µRadiante, e gli specchi di forma precisa, quando montati, devono distorcere meno di 0.1 µm dal loro stato libero, non montato. E ovviamente qualsiasi assemblea di questo tipo deve essere in grado di mantenere queste posizioni durante il lancio e lo spiegamento.

Specchi fragili, montaggio ad alta precisione

Il tipico specchio ha all'incirca le dimensioni di un foglio di carta per stampante e solo quattro volte più spesso (200 mm X 200 mm X 0.4 mm) ed è rivestito con uno strato di 10 nm di iridio o oro. Gli specchi sono così sottili che solo 1 mN di forza distorce la loro forma. Anche l'espansione termica è motivo di preoccupazione; la vicinanza prolungata di una persona a uno specchio crea una distorsione misurabile, quindi il processo di montaggio deve aggiungere poco calore alla struttura.

Gli specchi sono montati su linguette nell'assemblaggio finale e fissati in posizione con resina epossidica polimerizzata UV. L'iniezione e la polimerizzazione della resina epossidica sono i passaggi critici. La dinamica della pressione idraulica durante e immediatamente dopo l'iniezione della resina epossidica sposta lo specchio nei punti di contatto provocando distorsioni e cambiamenti di posizionamento. La resina epossidica si espande anche durante il processo di polimerizzazione UV che distorce ulteriormente lo specchio.

Posizione di monitoraggio durante l'operazione di montaggio

Sensori di spostamento capacitivo ad alta risoluzione (Sensori serie Lion Precision Elite) sono stati utilizzati per profilare, con precisione nanometrica, lo spostamento dello specchio durante il processo di incollaggio. Dopo aver profilato i movimenti e le distorsioni create dalla pressione idraulica e dal processo di polimerizzazione UV, è possibile utilizzare la quantità di resina epossidica iniettata e la tempistica della polimerizzazione UV per controllare la posizione finale dello specchio. I sensori capacitivi vengono utilizzati durante la sequenza di incollaggio automatizzata per arrestare l'iniezione quando la distorsione dello specchio raggiunge un punto predeterminato. Il sistema controlla quindi la posizione dello specchio durante il flusso epossidico post-iniezione. Il processo di polimerizzazione UV viene avviato quando lo specchio raggiunge una posizione dalla quale l'espansione della polimerizzazione epossidica sposterà lo specchio esattamente nella posizione desiderata con una precisione migliore di 1 µm (vedere la tabella sotto).

Spostamento vs tempo

Dettagli sul sistema di rilevamento capacitivo

Nel sistema vengono utilizzati sei sensori di spostamento capacitivo, uno per ciascun angolo dello specchio e due per monitorare le posizioni delle linguette di montaggio come riferimento (foto sotto, lo specchio è trasparente all'angolo della telecamera). I sensori di spostamento capacitivo di solito richiedono un bersaglio messo a terra per prevenire l'accumulo di carica sul bersaglio, ma i fragili specchi non possono essere messi a terra. Il Serie Elite i sensori sono progettati per prevenire questo problema; i segnali di eccitazione presentano una differenza di fase di 180 ° tra i canali pari e dispari. Questa disposizione di fase consente a metà dei sensori di aggiungere carica allo specchio mentre l'altra metà rimuove la carica, eliminando così la necessità di un percorso conduttivo verso terra (Sensori capacitivi e target senza messa a terra).

Dettagli sul sistema di rilevamento capacitivo

Sensori capacitivi preferiti al laser

In origine, nel sistema venivano utilizzati sensori di spostamento laser. Sebbene i laser fornissero misurazioni da una distanza maggiore, era stata trovata un'alternativa perché le dimensioni dei laser li rendevano difficili da montare e avevano una risoluzione insufficiente, erano troppo costosi e generavano troppo calore. I sensori capacitivi sono dispositivi a bassa potenza / calore con risoluzioni elevate e le dimensioni ridotte facilitano il montaggio.

Dettagli del sistema capacitivo

Sei Driver CPL190 in un 6 slot Serie Elite Contenitore (EN196)
Sei C9.5-5.6 Sonde
Calibrazione: intervallo 500 µm, larghezza di banda 15 kHz, risoluzione 10 nm rms

Dettagli del sistema capacitivo

 

Grazie a Ryan McClelland della NASA per aver fornito dati, grafici e foto.