Maßgeschneiderte Positionierlösung für Analysemethoden an einer Beamline

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SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

OSWALD Elektromotoren GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG

Die Basis: luftgelagerte Granitplattform

Um den Einfluss von Vibrationen zu minimieren und die einzelnen Komponenten zu fixieren und gegeneinander zu stabilisieren, bildet eine 6,8 m lange Granitbank die Basis des Instruments. Darauf sind vier weitere gegeneinander bewegliche und von Linearmotoren angetriebene Granitplattformen auf Luftlagern angeordnet. So können alle Komponenten schnell und präzise positioniert werden: Der Probentisch, die Röntgenoptiken und der Detektor. Der tonnenschwere Unterbau selbst ist ebenfalls luftgelagert. Auf diese Weise lässt sich die ganze Anlage mit minimalem Kraftaufwand aus dem Röntgenstrahl fahren, wenn die zweite Experimentierhütte genutzt werden soll, steht aber gleichzeitig auch stabil, sobald der Luftstrom abgeschaltet ist (Bild 3).

Als besondere Herausforderung erwies sich die Konstruktion des Probentisches, gefordert war eine mechanische Stabilität im Bereich von unter 100 nm, um eine entsprechende Ortsauflösung zu erreichen. Dazu müssen gleich mehrere Positioniersysteme mit höchster Präzision Hand in Hand arbeiten, um sicherzustellen, dass bei rotierender Probe immer dasselbe Volumenelement untersucht wird.

Komplexe Abläufe bei der Probenpositionierung

Basis der Probenpositionierung bildet eine horizontale Positioniereinheit, die den Probentisch in den Strahl fährt. Sie hat einen Stellweg von 20 mm, ist mit 300 kg belastbar und arbeitet mit einer Wiederholgenauigkeit von 30 nm. Antriebstechnisches Herz dieser hochpräzisen Positionierung sind Schrittmotoren kombiniert mit hochauflösenden optischen Linearencodern. Entsprechend angesteuert sind so geregelte Schrittweiten von einigen Nanometern möglich. Die eingesetzten Präzisions-Kreuzrollenführungen und Kugelumlaufsspindeln tragen ebenfalls zur hohen Positioniergenauigkeit bei.

Auf dieser Verschiebeeinheit sitzen drei Hubelemente, die die Höhenjustage, die Kippkorrektur und die orthogonale Ausrichtung zum Strahl übernehmen (Bild 4). Die Lösung basiert auf drei identischen, symmetrisch angeordneten und positionsgeregelten Schrittmotoren, die hier mit Schneckenradgetrieben und Spindelantrieben kombiniert sind. Auf diesem Hubtisch ist ein luftgelagerter Rotationstisch platziert (Bild 5). Bei seiner Entwicklung gingen die Konstrukteure an die Grenzen des technisch Machbaren: Notwendig ist nämlich eine wirklich „reine“ Drehbewegung der Probe mit möglichst geringem Taumeln, Höhenschlag oder Exzentrizität. Nur dann können scharfe Aufnahmen über 360 Grad gemacht werden, die sich alle auf dasselbe Volumenelement beziehen und sich bei der Rekonstruktion des Bildes eindeutig zuordnen lassen. Der Rotationstisch, der sich mit einer Geschwindigkeit von 36 °/s dreht, arbeitet deshalb mit Ebenheitsabweichungen von unter 100 nm bei einer Auflösung von 0,5 µrad. Durch die Luftlagerung entsteht keine Reibung, die über die Zeit zu einer Verschlechterung dieser Werte führen würde.

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