Mit höchster Präzision und Langzeitstabilität positionieren

Um die Forschung voranzubringen, ist das MiQA-System flexibel ausgelegt, damit eine möglichst breite Palette an Experimenten rund um Röntgenmikroskopie und Untersuchungen an röntgenoptischen Elementen möglich ist. Die Flexibilität stellt allerdings auch besondere technische Herausforderungen. So müssen beispielsweise die röntgenoptischen Elemente wie Linsen, Gitter, Detektor und auch die Probe mit höchster Präzision und Langzeitstabilität positioniert werden, um hochauflösende Messungen im Röntgenstrahl zu ermöglichen. Dazu gilt es, etwa 60 ganz unterschiedlich motorisierte Achsen feinfühlig zu regeln und aufeinander abzustimmen. Als Industriepartner für die Umsetzung dieser Aufgabe holte sich das KIT deshalb die Karlsruher Firma Physik Instrumente ins Boot, mit deren Unterstützung die Maschine detailliert gebaut und in Betrieb genommen wurde.

Das MiQA-System steht auf dem Gelände des KIT (Karlsruher Institut. PI

Luftgelagerte Linearantriebe

Das rund 20 Tonnen schwere System ist modular aufgebaut. Die Basis hat ein Grundvolumen von 4.900 mm × 2.200 mm × 600 mm und besteht aus Granit. Die ausfahrbaren Maschinenfüße ermöglichen eine Grobausrichtung der gesamten Maschine (Tip/Tilt/Z) mit einer Auflösung von besser als 100 Mikrorad. Trotz seines hohen Gewichts lässt sich das System einfach transportieren und an andere Einsatzorte verlegen. Um den Umzug zu vereinfachen, stellt die Maschinenbasis auch die gemeinsame elektrische Schnittstelle des gesamten Messsystems zur übergeordneten Beamline-Steuerung zur Verfügung.

Die Maschinenbasis ist für die Positionierung von insgesamt sechs röntgenoptischen Elementen ausgelegt. Für die Flexibilität ist jedes Element auf einem eigenen Positioniermodul platziert, das unabhängig von den anderen Modulen auf drei massiven, parallelen Schienen entlang des Strahlengangs verfahren kann. Die Module werden von Linearmotoren angetrieben und gleiten auf Luftlagern. Für die Positionsrückmeldung sind Absolutwertgeber integriert und der maximale Verfahrbereich beträgt 2.800 mm. Das zentrale Probenmodul transportiert die jeweilige Probe dann entlang des Strahlengangs über einen Verfahrbereich von 3.500 mm.

Die massive Granitgrund-Konstruktion sorgt für die notwendige Gesamtsteifigkeit des Systems. PI

Hexapoden positionieren Röntgenoptiken

Vier weitere Module dienen zur Positionierung der Röntgenlinsen und -gitter. Hier sind Hexapoden die treibende Kraft für die präzise Ausrichtung mit sechs Freiheitsgraden. Da Hexapoden parallelkinematische Systeme sind, kann das Rotationszentrum durch Softwarebefehle beliebig eingestellt werden, um den Fokus des röntgenoptischen Elements anzupassen. Zwei dieser optischen Röntgenmodule sind zusätzlich mit Goniometern und Piezoscannern ausgestattet, um einen großen Winkelbewegungsbereich um die Strahlachse sowie eine Phasenabtastung von beispielsweise Röntgengittern im Nanometerbereich zu ermöglichen. Sie lassen sich bei Bedarf auf jedem der Hexapoden anbringen.

Parallelkinematik für die exakte Detektor-Positionierung

Das Detektor-Portalmodul positioniert die Kamera mit der Detektoroptik in drei Freiheitsgraden. Hohe Steifigkeit und Stabilität sorgt hier ebenfalls für ein parallelkinematisches System. Es stellt zwei laterale Freiheitsgrade senkrecht zum Strahl und einen Rotationsfreiheitsgrad um die Strahlachse bereit. Der Rotationsmittelpunkt kann auch hier per Software beliebig eingestellt werden, um ihn an die Detektorgeometrie anzupassen. Da der vom KIT verwendete Detektor groß und schwer (ca. 60 kg) ist, wurde das parallelkinematische Positioniersystem so konstruiert, dass es hohe Präzision bei gleichzeitig hoher Stabilität bietet.

Das Herzstück des Systems ist das Probenmodul, das verschiedene experimentelle Schemata ermöglicht. Es ist ebenfalls auf hohe Steifigkeit, Stabilität und Präzision ausgelegt. Von unten nach oben sind ein Hexapod, ein Goniometer, eine Rotationsachse mit Luftlager und der dreiachsige Piezo-Walk-Positionierer Nexline übereinandergestapelt. Der Schwerlast-Hexapod ermöglicht die Ausrichtung in sechs Freiheitsgraden mit beliebigem Rotationszentrum. Bei seiner Konstruktion musste berücksichtigt werden, dass neben der Probe etwa 250 kg Positionierungsgeräte mitgeführt werden müssen. Eine solche Belastung führt zwangsläufig zu Gelenkverformungen, die eine Wiederholbarkeit im Submikrometerbereich unmöglich machen. Um diese Herausforderung zu meistern, wurden sechs zusätzliche und unbelastete, mit Absolutwertgebern ausgestattete Beine ausschließlich zur Messung der Position der obersten Plattform eingesetzt. Ein separater äußerer Regelkreis kompensiert dann die Verformungen der Antriebsbeine des Hexapoden auf Basis der von den Messbeinen gesammelten Daten. Die Wiederholgenauigkeit des Hexapods ist dadurch besser als 100 Nanometer.

Die Positioniermechanik des Probenmoduls: Der Hexapod mit sechs aktiven Streben und sechs redundanten Streben zur Positionsrückmeldung sitzt darunter. PI

Das große Goniometer auf dem Hexapod ermöglicht die Verkippung einer flachen und ausgedehnten Probe im Strahl und damit ihre Charakterisierung mit laminographischen Methoden. Ihr Verfahrbereich beträgt 0° bis 60° um die Strahlachse. Zur Erhöhung der Stabilität und Reproduzierbarkeit ist sie mechanisch mit zusätzlichen Motoren vorgespannt, die dem eigentlichen Goniometer-Antrieb entgegenwirken. Die Größe der aufgebrachten Kraft hängt vom Neigungswinkel ab, unter Berücksichtigung der Massenverteilung der Struktur und der Position der Baugruppe darüber.

Piezo-Walk-Antriebe als treibende Kraft

Der tatsächliche Rotations-Freiheitsgrad für die Tomografie wird mit einem hochpräzisen Luftlager erreicht. Die gemessene Abweichung der Probenposition 100 mm über der Stage beträgt weniger als 85 nm bis 130 nm, abhängig vom Neigungswinkel des Goniometers darunter. Dies wird durch sorgfältige Konstruktion und präzise Abstimmung der dem Lager zugeführten Druckluft erreicht. Auf die Rotationsstufe ist ein dreiachsiges Positioniersystem montiert, das der Fehlerkompensation der Rotationsstufe in drei Freiheitsgraden und zur Probenausrichtung dient. Treibende Kraft sind hier die Piezo-Walk-Antriebe Nexline, die sich durch besonders hohe Steifigkeit und Vorschubkräfte von mehreren 100 N kennzeichnen. Sie können Fehler im Bereich weniger Mikrometer mit Nanometerauflösung dynamisch kompensieren, sind für Positionier- und Haltekräfte von bis zu 800 N ausgelegt und arbeiten bei niedrigen Geschwindigkeiten. Mit einer Auflösung von weniger als 10 nm ist auch ein Probenscan für STXM (scanning transmission X-ray microscopy) oder Ptychographie möglich.

Der Schwerlast-Hexapod hat sechs zusätzliche und unbelastete, mit Absolutwertgebern ausgestattete Beine, die ausschließlich zur Messung der Position der obersten Plattform dienen. PI

(hw)