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Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern

Messungen von dünnsten Schichten in der Vakuumkammer
Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern

Für präzise Positionieraufgaben sind Hexapoden oft das Mittel der Wahl: Die Sechsfüßler erlauben individuelle Positionierungen in allen sechs Achsen. Ihr parallelkinematischer Aufbau ist wesentlich kompakter und steifer als bei seriell gestapelten Mehrachsensystemen. Außerdem gibt es keine Aufsummierung von Führungsfehlern und Verkippungen einzelner Achsen.

Hexapoden sind sehr vielseitig, da sie je nach Ausführung Lasten von einigen Kilogramm bis zu einigen Hundert Kilogramm oder sogar mehrere Tonnen in beliebiger Raumorientierung, also unabhängig von der Montage-Richtung, mit hoher Präzision positionieren. Weil nur eine einzige Plattform bewegt wird, die in der Regel auch noch eine große Apertur hat, ist die bewegte Masse der parallelkinematischen Sechsfüßler wesentlich geringer als bei seriellen, gestapelten Mehrachssystemen. Daraus resultieren ein wesentlich schnelleres Ansprechen und eine deutlich höhere Dynamik. Außerdem müssen keine Kabel bewegt werden, was durch zusätzliche Kräfte und Momente die Genauigkeit vermindern würde.

Physik Instrumente (PI) beispielsweise bietet ein breites Programm unterschiedlicher Hexapoden an, die nahezu alle denkbaren Einsatzbereiche abdecken. Die Hexapoden basieren auf elektromechanischen Antrieben und sind damit viel genauer als die hydraulischen Hexapoden, die man von Flug- oder Fahrsimulatoren kennt. Sie werden je nach Anwendungsanforderungen von hochpräzisen Antriebsspindeln und exakt ansteuerbaren DC-Motoren oder direkt von Linearmotoren, etwa auf Basis von piezokeramischen Aktoren, angetrieben. Die passenden Digitalcontroller und umfangreiche Softwareunterstützung erleichtern es dem Anwender, die jeweilige Positionieraufgabe komfortabel umzusetzen.
Ein Beispiel für einen besonders kompakten Hexapoden, der sich auch in Hochvakuumanwendungen bewährt hat, ist der H-811. Bei einem Durchmesser von nur 130 mm und einer Höhe von 115 mm bietet er Stellwege bis zu 35 mm in der xy-Ebene und bis zu 13 mm in z-Richtung. Insbesondere die großen Kippwinkel von bis zu 20° um die x- und y-Achse und bis zu 40° um die Senkrechte machen den Hexapoden sehr vielseitig. Dabei kann er Lasten bis zu 5 kg positionieren und Geschwindigkeiten bis zu 10 mm/s erreichen. Die Positionsauflösung des Einzelbeins liegt bei 40 nm und die Positionen werden mit Genauigkeiten unter 1 µm wiederholbar angefahren.
Eine interessante Anwendung hat dieser kompakte Hexapod in einem PLD-System (Pulsed Laser Deposition System) für den Einsatz an einer Synchroton Beamline gefunden. Bei solchen Teilchenbeschleunigern lassen sich Röntgenbeugung und Reflexionen der Synchrotonstrahlung nutzen, um unter Hochvakuumbedingungen im Rahmen moderner Materialforschung die strukturellen Eigenschaften dünner Filme zu untersuchen. Dazu wird hochenergetisches und kurzwelliges (UV-)Licht eingesetzt, um das Ausgangsmaterial, ein sogenanntes Feststofftarget in die Gasphase und anschließend als Schicht auf das Substrat zu bringen.
Für den direkten Einsatz an einer solchen Beamline hat Surface, Hersteller von Pulsed Laser Depositionssystemen ein All-in-one-System entwickelt, das sich bereits in einem ersten Projekt bewährt hat, das wissenschaftlichen und kommerziellen Nutzern die Möglichkeit zur Weiterentwicklung innovativer Technologien bietet. Der in diesem PLD-System integrierte Transfermechanismus ermöglicht die Installation auf einem Goniometer im Synchrotronstrahl innerhalb weniger Minuten. Dadurch kann das ganze System verschoben werden, ohne dass sich die Probenposition verändert.
PLD-Wachstumsprozesse können somit Ex-situ optimiert werden, und das Synchroton wird nur während der eigentlichen In-situ-Analyse belegt. Weitere Besonderheiten des Beamline-PLD-Systems sind die Laserheizung, die die Substrate bis auf 1200 °C erwärmen kann, sowie die einfache Bestückung. Außerdem lässt sich die Vakuumkammer des Systems – beispielsweise für Wartungsarbeiten – öffnen, ohne die Ausrichtung der Probe zum Goniometer zu verändern. Eine weitere Besonderheit ist der Probenmanipulator, der durch seine schmale Bauweise auch bei niedrigen Substrathöhen den Röntgenstrahlen einen weiten Winkelbereich ermöglicht.
Hexapod im Probenmanipulator
Der Probenmanipulator hält die 10 x 10 mm² großen Substrate. Der Hexapod, der von PI für den Einsatz im Hochvakuum ausgelegt wurde, übernimmt dann die Positionierung der Probe in Relation zu den einfallenden Röntgenstrahlen. Die Probe kann so um +/-5 ° mit einer Auflösung von 0,001° um die x- und y-Achse geschwenkt werden. Zum Ausgleich unterschiedlicher Substratdicken lässt sie sich zudem in Richtung der z-Achse, also senkrecht zur Probenoberfläche, um bis zu 3 mm verschieben. Bewegungen von +/-6 mm in x- und y-Richtung ermöglichen Scans an verschiedenen Stellen der Probenoberfläche. Der Hexapod ist auf einem Drehtisch montiert, der im Bedarfsfall weitere Positionieraufgaben übernehmen kann, zum Beispiel um sogenannte Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) Messungen während des Wachstumsprozesses durchzuführen oder den Probenhalter in Richtung Schleusenkammer zu orientieren, wenn ein Probenwechsel vorbereitet wird.
Für die entsprechende Kommandierung des Hexapodsystems kommuniziert der Hexapodcontroller mit der übergeordneten Steuerung des PLD-Systems. Die Positionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben; alle Transformationen auf die Einzelantriebe übernimmt der Controller. Per Softwarebefehl ist die Festlegung eines beliebigen Punktes im Raum als Rotationszentrum möglich. Dieser frei definierbare Drehpunkt bleibt unabhängig von der Bewegung erhalten, die Bewegung der Hexapodplattform lässt sich so präzise auf die jeweilige Aufgabenstellung abstimmen. ■
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