用于X-射线纳米断层扫描的全套仪器

活动平台由线性电机驱动

在德国汉堡的DESY研究中心(德国电子同步加速器)的X-射线光源PETRA III上,亥姆霍兹吉斯达赫特材料与海岸研究中心(HZG)负责操作成像光束线P05。此光束线上的纳米断层扫描实验站设计用于实现空间分辨率高达100纳米的纳米断层扫描。

为了获得这一水平的成果,需要高机械稳定性和10纳米范围内的精密定位。P05光束线的仪器必须满足对机械优化的最高要求,包括选用合适的反馈传感器和精心挑选所有零件。


纳米断层扫描要求将机械稳定性与用户灵活性相结合

全套仪器装置安装在6.8米长的花岗岩工作台上,以将振动的影响降至最低,顶部装有四个用作样本台和检测器平台的独立活动平台,以及用于成像或锥束配置的X-射线光学元件。

重达数吨的子结构也位于空气轴承上,这使得在使用第二个试验站之前,能轻松将整个装置从X-射线束中移出,同时在气流切断时尽快保持在某个稳定位置。

所有活动平台都安装在空气轴承上并由线性电机驱动,这能够实现所有零件的快速精准定位。


一项复杂的工作:以纳米级精度定位样品

为了实现要求的空间分辨率,样本台必须在小于100纳米的范围内保持机械稳定,这使得样本台的构造极具挑战性。因此,多个定位系统必须以最高精度协同合作,以确保在样本旋转时研究对象始终是同样的体元。

样本定位的基础是水平定位单元,此单元将样本台移动到光束中。其行程为20毫米,可承受300公斤的负载,工作时的重复精度为30纳米。这一高精度定位单元配有步进电机、精密交叉滚柱导轨和高分辨率光学线性编码器。如果它与合适的运动控制器相组合,则可实现几纳米的闭环步长。


高度调节由三个升降元件实现,这三个元件还负责相对于光束的倾斜校正和正交校准。这些操作是基于三个相同的、对称布置而且位置受控的步进电机,还结合了蜗轮和主轴驱动器。由空气轴承提供支撑的转台安装在此Z向位移台上。开发这一平台时,设计人员必须超越技术可行性的极限:需要样品进行“纯”旋转运动,具有最小的摆动、径向偏心或跳动。只有这样,才能获取关于同一体元的360度清晰照片,并在重建照片时清楚地分配。因此,转台以36度/秒的速度旋转,在0.5微弧度的分辨率下的平面度偏差小于100纳米。空气轴承不会产生任何摩擦;随着时间的推移,摩擦会导致这些值劣化。


实际样本架位于六轴并联运动SpaceFAB机器人装置活动平台上转台的孔中。基本特点是并联运动系统的枢轴点可自由选择并且具有高刚性。

利用SpaceFAB,小型样本(尺寸仅几十至几百微米)加上样本架可最初以较低精度插入到平台中,这让研究人员的工作明显变得轻松多了。随后,研究人员可通过软件命令对准样本,而不需要任何额外的机械零件来正确对准。

此类型的六轴并联运动装置还可用于运动复合折射透镜(CRL)进行的X-射线定位,此技术由德国微结构技术研究所(KIT,卡尔斯鲁厄)开发。


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