Fra synkrotronlyskilder til langsigtede rummissioner ser nanopositioneringsspecialisten Queensgate på nichemarkeder og ekstreme driftsforhold for sin NC-serie af nanosensorer
Den nye NanoCeramic (NC) NanoSensor serie fra Queensgate, en specialiseret britisk producent af højpræcisions nanopositioneringsprodukter, tilbyder nanoskala metrologi, der er skræddersyet til de mest krævende forskningsmiljøer – kombinerer ultrahøjvakuum (UHV) kompatibilitet og strålingshårdhed med drift ved kryogene til forhøjede temperaturer.
For kontekst, Queensgate's NanoSensor produktportefølje omfatter en etableret familie af berøringsfri positionsmålesystemer (den NX-serien) baseret på princippet om kapacitansmikrometri. To sensorplader – et mål og en sonde – danner en parallel-plade kondensator, hvor afstanden mellem pladerne måles ved hjælp af en elektronisk controller.
Måleområder fra 20 µm til 1250 µm er tilgængelige med frekvensrespons op til 20 kHz (ideel til vibrationsovervågning og detektering af støj i præcisionsinstrumentering). Hvad mere er, sikrer NX-seriens nanosensorer linearitet ned til 0.02 % og måleopløsning så lav som 7:10 (RMS) – alt sammen i en ikke-selvopvarmende samling og med udvalgte designs, der er egnede til UHV-drift ned til XNUMX-9 Torr.
Lavet til at måle
Baseret på de samme grundlæggende principper NC-serien repræsenterer en udvidelse af NX-tilbuddet til udrulning under ekstreme forhold – faktisk en tilpasset linje af NanoSensorer, der tager UHV-kompatibilitet til det næste niveau (10-10 Torr), mens den giver stabil, pålidelig drift i aggressive strålingsmiljøer (med strålingshærdede 107 Gy-kabler) og over et bredt temperaturområde (fra 80 K til 423 K).
"Vi bruger militær- og rumfartskvalificerede fremstillingsteknikker til at producere NC-serien," forklarer John Clarke, ledende mekanisk designingeniør hos Queensgate. "Selvom sensorerne for det meste er specialdesignede, er fremstillingsevnen af NC-teknologi sådan, at vi kan levere adskillige - og meget krævende - ydeevnekoordinater til en konkurrencedygtig pris."
I hjertet af NC-målingsundersystemet er guldbelagte, keramiske kapacitive sensorplader (typisk baseret på "hvidguld", en platin-guldlegering), mens de fleste modeller også inkluderer en glaskeramisk glasur for at beskytte sensorens overflader og forhindre utilsigtet kortslutning mellem pladerne. Lige så vigtigt er NC's applikationsspecifikke sensorhuse – ikke mindst når det kommer til at sikre et design med lav termisk udvidelse. Invar-huse giver for eksempel termisk stabilitet ved kryogene temperaturer (ned til 80 K); rustfrit stål SS316 er ideel, når sensorens ekspansion skal matches med en struktur af rustfrit stål; og ikke-magnetiske aluminiumshuse bruges bedst, når termisk ekspansion matches med aluminiumsstrukturer.
"Grundlæggende," bemærker Clarke, "består NC-serien en pakke af materialefremskridt og innovationer for at sikre kompatibilitet på tværs af en mangfoldighed af ekstreme miljøapplikationer." Et eksempel: en af de første NC NanoSensor-implementeringer - til at overvåge siliciumkrystalbøjning i en Bragg monokromator på en synkrotronstrålelinje - kombinerede en måleopløsning på 2-5 nm med en 100 µm rækkevidde og drift ved kryogene temperaturer (ca. 80 K).
Konstruktionen med lav udgasning muliggjorde også implementering under UHV-forhold (ned til 10-9 Torr), mens den "strålingshårde" kabling og keramiske/metalkonstruktion sikrede, at sensoren kunne modstå en maksimal ækvivalent strålingsdosis inden for strålelinjen på 143 Gy/time. "Denne tidlige NC-løsning krydsede alle boksene med hensyn til at skubbe præstationskonvolutten," tilføjer Clarke.
Det hele handler om kontrol
Et definerende træk ved NC-sensorserien (og NX-hovedproduktlinjen) er digital kontrolelektronik af høj kvalitet – der kombinerer lavt støjniveau, 20-bit digitalt output og en opdateringshastighed på 50 kHz som en del af et integreret målesystem. Der er også en længere kabeldrev-kapacitet (i forhold til tidligere generations analoge modeller) for at sikre, at det digitale output er mindre følsomt over for støjoptagelse.
"Alt dette betyder, at det er meget nemmere for slutbrugere at integrere NC-sensorer i deres kontrolsystem uden at indføre støj på signalet," forklarer Clarke. "Konvertering til digital med det samme betyder, at slutbrugeren kan sende sensorsignalet gennem et digitalt kabel til en pc, hvor det kan analyseres og føres ind i en kontrolsløjfe."
Andre specifikationer for NC-serien inkluderer højlinearitetsoutput før kalibrering (0.05 % typisk), med fjerde-ordens digitalt korrigeret kalibrering lineær til 0.005 % (typisk). Der er også plug-and-play-udskiftning eller reparation af styreelektronikken, når sensorhovederne er utilgængelige – for eksempel i et vakuumkammer.
NC-serien er en ekspanderende produktlinje. Hvis den påkrævede model ikke er tilgængelig, vil Queensgate fremstille efter brugerdefinerede specifikationer underlagt kriterier for minimumsordremængde.
