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Positionierlösung für ein bildgebendes Verfahren an Synchrotronquellen : Ausgabe 09/2015, 27.05.2015

Hochpräzise Ausrichtung im Raum

Heute ist die Computertomografie (CT) ein etabliertes Verfahren an Synchrotronstrahlungsquellen, um Volumeninformationen über Proben mit Mikrometerauflösung zu erhalten. Um aussagekräftige Rohdaten zu erhalten, müssen Probe und Detektor sehr präzise und stabil positioniert werden. Dazu eignet sich ein speziell für diese Anwendung entwickeltes Positioniersystem.

Autor: Birgit Schulze, Ellen-Christine Reiff

Bilder: PI, KIT

In einem gemeinsamen Projekt haben das ANKA (Angströmquelle Karlsruhe) am KIT (Karlsruher Institut für Technologie), das Fraunhofer IZFP (Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren), Saarbrücken/Dresden, und die ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, Frankreich) die Synchrotronlaminografie entwickelt. Damit lassen sich sehr grosse, flächige Objekte, z. B. aus dem Windkraft- oder Flugzeugbereich, auf Fehler in der inneren Struktur und solche aus dem Herstellungsprozess untersuchen. An der Synchrotronstrahlungsquelle ESRF mit mehr als 40 Strahlrohren ist das Instrument bereits seit 2007 an der Imaging Beamline ID19 in Betrieb. Mit seiner Hilfe gelang es dort beispielsweise ein Bein in einer versteinerten Urzeitschlange dreidimensional abzubilden, ohne den einzigartigen Fund zu zerstören. Mithilfe von Phasenkontrastmethoden kann man auch Strukturen ohne Absorp­tionskontrast erfolgreich untersuchen. Am ANKA ist vorgesehen, interessierten Nutzern die gleiche Analysemethode an der neuen IMAGE Beamline zur Verfügung zu stellen.

Höchste Anforderungen an die Positionierung von Probe und Detektor

Mit herkömmlicher CT ist eine Rekonstruktion der Volumeninformation von ausgedehnten asymmetrischen Körpern (wie z. B. Platten) nicht zu leisten, denn die unterschiedlich langen Wege der Strahlung in der Probe verhindern eine zuverlässige Messung von Projektionsdaten. Bei der Laminografie rotiert die Probe unter einem Winkel zur Strahlrichtung und wird dabei abgetastet und durchleuchtet. Aus der Summe der Informationen in verschiedenen Rotationspositionen können die Volumendaten rekonstruiert und eine dreidimensionale Darstellung errechnet werden. Die Probe wird dazu zwischen Röntgenquelle und Detektor positioniert. Während der Untersuchung sind höchste Präzision und Stabilität unabdingbar, damit die spätere Rekonstruktion verwertbare Darstellungen liefern kann. Positionsstabi­lität während der Aufnahme muss sowohl für den Detektor als auch für die Probe gewährt sein. Der Detektor ist dabei sehr schwer (ca. 100 kg) und nicht im Schwerpunkt gehalten: die Herausforderung ist also, diese Last trotzdem mit einer Ablaufgenauigkeit unter 0,1 µrad bzw. 100 nm und einer Auflösung von 50 nm zu positionieren und dabei Hebelwirkungen und Momente auszuschalten. Bei der Probenpositionierung soll der Winkel, unter dem die Probe vom Synchrotron-Röntgenstrahl getroffen wird, einstellbar sein. Die Probe wiederum gilt es, in jeder Position individuell, sicher und wiederholbar feinjustieren zu können. Obendrein sollte das ganze Instrument auch noch einfach aus dem Strahlengang zu fahren sein, wenn es nicht genutzt wird bzw. während Referenzmessungen durchgeführt werden.

Komplexe Aufgabenstellung gelöst

Dank intensiver Zusammenarbeit der Auftraggeber mit den Ingenieuren und Entwicklern von PI liess sich diese komplexe Aufgabenstellung jedoch praxisgerecht lösen. Schliesslich hat das Unternehmen im Bereich «Beamline Instrumentation» gerade in diesem Anwendungsgebiet wertvolles Know-how und langjährige Erfahrung. Beim Instrument für die Computerlaminografie wurden diese Fähigkeiten erneut unter Beweis gestellt.

Im Prinzip besteht die Detektor- und Probenpositionierung aus drei kooperierenden Systemen: einem Hubtisch mit Granitunterbau, einem in drei Achsen beweglichen Detektortisch und der Probenpositionierung. Letztere setzt sich zusammen aus einem sechsachsigen Positioniersystem sowie einem Rotations- und Kipptisch, auf dem der eigentliche Probenträger magnetisch gehalten wird. Die Herausforderungen verbergen sich in den Details, die erst die Raffinesse dieser Ingenieursleistung zu Tage bringen.

Steuerung erfolgt via Joystick

So war bei der Konzeption des Hubtischs die Gesamtmasse von 2,5 t eine Herausforderung, denn sie muss präzise und parallel gehoben werden. Dafür sorgt eine Dreipunktluftlagerung. Auf diese Weise lässt sich die Anlage mit minimalem Kraftaufwand verschieben, steht gleichzeitig aber auch stabil, sobald der Luftstrom ausgeschaltet ist. Die Verkippung des Granitunterbaus lässt sich nachjustieren. Ein absolut messendes Lineal erlaubt die präzise und wiederholbare Ausrichtung auf wenige Mikrometer genau. Angesteuert wird der komplette Aufbau über einen Controller mit Positionsanzeige und Joystickbedienung.

Ebenfalls anspruchsvoll ist die Konstruktion des Detektortischs. Die auskragende Last der 50 kg schweren Detektoren muss in einem Bereich von 850 × 300 × 500 mm bewegt werden. Dabei darf die Absolutabweichung nicht mehr als 100 nm betragen und Verkippungen sind lediglich bis ±30 µrad tolerierbar. Die Längsachse des Detektortischs wurde deshalb direkt in die Granitbasis integriert. Weitere Garanten für die hohe Positioniergenauigkeit sind präzise aufeinander abgestimmte Komponenten, beispielsweise der Antrieb über mittig angeordnete Kugelumlaufspindeln, Nadelführungen und ein sehr genauer optischer Linearencoder. Ein hohes Übersetzungsverhältnis in einem spielfreien Getriebe sorgt für die Selbsthemmung der vertikalen Achse.

Proben mit Mikrometergenauigkeit positionieren

Jetzt müssen nur noch die Proben ebenso genau für die Untersuchungen positioniert werden. Hier kommt das sechsachsige Posi­tioniersystem zum Einsatz. Dieser SpaceFAB ist symmetrisch aufgebaut, wobei drei Beine mit fester Länge jeweils auf einem XY-Tisch in einem Kugelgelenk gelagert sind. Die Plattform des SpaceFAB ist jeweils über ein Zylinderlager an den Beinen befestigt. Die unteren Tische der XY-Kombinationen sind mit Führungen in den Granitblock integriert. Die Proben kann man so in sechs Freiheitsgraden positionieren. Wesentlich dabei sind der frei wählbare Drehpunkt des parallelkinematischen Systems sowie seine hohe Steifigkeit. Die linearen Stellwege betragen 150 × 150 × 50 mm, bei 0,2 µm Positionsauf­lösung eine Kippung ist bis ±12,5° für die Achsneigung bzw. ±5° in den anderen Richtungen möglich. Für die Präzision sorgen optische Linearencoder sowie die hochgenauen mechanischen Komponenten, die von Kombinationen aus Schrittmotoren und spielfreien Kugelumlaufspindeln angetrieben werden.

Auf dieser Parallelkinematik befindet sich dann ein kombinierter Rotations- und Kipptisch, der den eigentlichen Probenhalter trägt. Der Rotationstisch gestattet eine 360°-Rotation mit nur 0,24 µm Absolutabweichung in der Ebenheit. Die Reproduzierbarkeit der Probenpositionierung des SpaceFabs nach einer Referenzmessung ist mit kleiner 0,5 µm spezifiziert und realisiert worden. Die Exzen­trizität der Rotation liegt bei unter 0,5 µm. Das ist wichtig, damit die verschiedenen Projektionswinkel dasselbe projizierte Rotationszentrum haben. Bei geringerer Genauigkeit würden bei der Rekonstruktion Artefakte entstehen. Die niedrige Bauhöhe erlaubt flache Kippwinkel, ohne dass der Synchrotronstrahl durch mechanische Elemente dringt und dadurch eine Projektionsaufnahme unmöglich wird. Ein optischer Encoder-Ring stellt die hohe Winkelauflösung sicher. Zusätzlich kann über den Kipptisch der Winkel der Probe zum Röntgenstrahl um bis zu 45° mit einer Auflösung von 0,001° justiert werden. Dieser Aufbau hat einen selbsthemmenden Zahnstangenantrieb und steht während der Untersuchung stabil.

Wertvolle Ergebnisse für die Forschung und Industrie

Der eigentliche Probenhalter, ein sehr dünner Rahmenträger, ist ebenfalls ein technischer Leckerbissen. Er liegt auf Teflonpolstern und wird magnetisch gehalten. Zur Zentrierung des Probenhalters in Relation zur Rotationsachse dienen zwei im 90°-Winkel angebrachte Lineartische, die den Probenhalter über 150 × 150 mm verschieben, diesen aber im Betrieb nicht berühren. Die magnetische Halterung kann ein- und ausgeschaltet werden, ein Festkörpergelenk und Luftlager sorgen für optimale Parallelität. Von den Untersuchungsergebnissen, die sich heute mit einem solchen Synchrotronlaminografie-Verfahren erzielen lassen, können die unterschiedlichsten Bereiche profitieren, angefangen von der industrienahen Forschung bis hin zu Geologie oder Life-Science.

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Auf der Römerstr. 1, DE-76228 Karlsruhe
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Das ESRF – European Synchroton Radition Facility – in Grenoble, eine multinationale Grossforschungseinrichtung, betreibt die grösste Synchrotronstrahlungsquelle Europas


Prinzipielle Anordnung der Computer-Laminografie an der Beamline ID 19 am ESRF


3D-Abbildung von Mikrostruktur und Fehlstellen in Lötverbindungen in der Mikroelektronik


Die sechsachsige Parallelkinematik positioniert Proben auf den Mikrometer genau

Autoren

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei PI

Ellen-Christine Reiff, M.A. , Redaktionsbüro Stutensee