NASA下一代X射线光学镜安装采用电容式传感器技术

电容式应用笔记LA03-0022

© 2012雄狮精仪保留所有权 www.lionprecision.com

总结

使用电容传感器在轨道望远镜中定位成千上万片易碎的反射镜,以监视反射镜的位置(在1 µm和1微弧度(1 µrad)内)。

下一代X射线光学器件

NASA美国航天局正在开发下一代的X射线光学系统,它可以用于轨道X射线观测站。 “透镜”由成千上万个反射镜组成,这些反射镜被定位为以3-10米的焦距在浅角度反射X射线。 如何将镜子固定在适当的位置是该项目的主要挑战。 在长焦距下聚焦需要镜面的角位置公差仅为1 µRadian,并且精确安装的镜面在其自由、未安装状态下的变形必须小于0.1 µm。 当然,任何这样的组件都必须能够通过启动和部署来保持对应的位置。

易碎镜,高精度安装

典型的镜子只有一张打印纸大小,只有纸的四倍厚(200毫米X 200毫米X 0.4毫米),并涂有10 nm的铱或黄金涂层。 镜子太薄,以至于哪怕只有1 mN的力都会扭曲它们的形状。 热膨胀也值得关注。 一个人长时间靠近镜子就会使镜子产生可测量的变形,因此安装过程必须尽可能少的给结构增加热量。

镜子在最终组装中安装在凸耳上,并用紫外线固化环氧树脂固定在适当的位置。 环氧树脂的注入和固化是关键步骤。 在环氧树脂注入过程中以及注入环氧树脂之后,液压的动态变化使反射镜在接触点处移位,从而导致变形和位置变化。 环氧树脂在紫外线固化过程中也会膨胀,这会使镜面进一步变形。

在安装操作期间监测位置

高分辨率电容式位移传感器 (Lion Precision 精英系列传感器)已用于以纳米级精度分析粘合过程中反射镜的位移。 在分析了由液压和紫外线固化过程产生的运动和变形之后,可以使用环氧树脂的注入量和紫外线固化的时间来控制最终的镜面位置。 在自动键合过程中,电容式传感器被用于监测镜面畸变达到预定点时停止注入。 在注入环氧流之后,电容式传感器系统继续监测反射镜的位置。 当反射镜到达一个位置时,即开始紫外线固化过程,此时环氧树脂固化膨胀将从该位置将反射镜精确地移动到所需位置,其精度优于1 µm(请参见下表)。

排量与时间

电容式传感器系统的详细信息

此系统中使用6个电容式位移传感器——镜子的4个角各用一个,另2个用于监测安装凸耳的位置作为参考(下图,镜子在相机角度是透明的)。 电容式位移传感器通常需要目标接地,以防止电荷积聚在目标上,但是易碎的反射镜无法接地。 本系统所用的 精英系列  传感器旨在防止此问题; 激励信号在偶数和奇数通道之间具有XNUMX°相位差。 这种相位安排允许一半传感器将电荷添加到反射镜中,而另一半则将电荷清除掉,从而消除了对接地导电路径的需求(电容式传感器和不接地目标).

电容式传感器系统的详细信息

电容式传感器优于激光传感器

最初,客户在系统中使用激光位移传感器。 虽然激光器可以提供更远的距离测量,但是却不得不寻找另一种选择,因为激光器的尺寸使其难以安装,并且分辨率不足,价格太昂贵而且会产生过多的热量。 电容式传感器是高分辨率的低功率/热设备,其小尺寸使安装变得容易。

电容式传感器系统详细信息

XNUMX个 CPL190驱动器 在6插槽中 精英系列 机箱(EN196)
XNUMX个 C9.5 5.6 探头
校准信息 :500 µm量程范围,15 kHz带宽,10 nm rms分辨率

电容式传感器系统详细信息

 

感谢NASA的Ryan McClelland提供的数据,图表和照片。