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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 1
Monochromatorfür Strahlführung P06
an PETRA III
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 2
Gliederung
• Einsatzort des Monochromators
• Zweck eines Monochromators
• Wirkprinzip
• Bewegunsschema
• Anforderungen an den Monochromator
• konstruktive Details
• Montage
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 3
Einsatzort des Monochromators
In ExperimentierhalleVon PETRA III
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 4
Optikhütte in PETRA III - Halle
zukünftiger Standort desMonochromators
1370 mm
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 5
Aufgabe eines MonochromatorsHerausfiltern von verschiedenen Einzelfrequenzen aus einem breit-bandigen Synchrotronstrahl
PETRA III
14 tangentialeStrahlführungen
Experiment Monochromator
Strahlführung P06
breites Frequenzband„weisses Licht“
diverse Einzelfrequenzen
„farbiges Licht“
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 6
Multilayer-Aufbau
TrägerblockSilizium
200x50x25 mm
200 mm
50 mm
Si 15ÅW 10Å1 Å=Ångstroem
=1x10E-10 m =0,0001 μm
-300 Doppellayer Silizium-Wolfram-Eintrittsstrahl durchdringt viele Layer und wird jeweils an der Wolfram-Oberfläche reflektiert-Durch die dabei entstehenden Interferenzbedingungen kommt es zur Auskopplung nur einer Frequenz
Eintrittsstrahlbreites Frequenzband
„weisses Licht“
Austrittsstrahlnur eine Frequenz„farbiges Licht“
f 1
f 2 αα
FAZIT: Die erzeugte Frequenz ist abhängig vom Einfallswinkel α
Si 15Å
Si 15ÅW 10Å
W 10Å
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 7
Strahlversatzconstant 21 mm Eintrittsstrahl
Austrittsstrahl
Kristall 1
Kristall 2
Strahlversatzconstant 21 mm Eintrittsstrahl
Austrittsstrahl
Kristall 1
Kristall 2
Verfahrweg 3684 mm
α
α
α
α
Bewegungsschema zum Einstellen der Strahlfrequenz
α min = 0,15°
α max = 2,7°
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 8
Anforderungen an Monochromator
• stabile, erschütterungsfreie Aufstellung
• präzise Stellbewegungen für Kristall 1
• präzise Stellbewegungen für Kristall 2
• langer Fahrweg von Kristall 2 längs der optischen Achse
• Kühlung von Kristall 1 und 2
• Gesamtaufbau im Hochvakuum
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 9
stabile, erschütterungsfreie Aufstellung- monolithischer Granitblock- 2900x800x330- m = 2000 kg- Ebenheit der Aufstellflächen 4 Mikrometer
höheneinstellbare Füße
Messmarkennester
Einfüllöffnungen für Fließbeton
Aufstellfläche 1
Aufstellfläche 2
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 10
Führungsbalken
Alu-Strangpressprofil von R&K- 160x240x4200- m = 130 kg
Alu-Guss-Deckplatte- 250x60x4200- m = 140 kg
alle Komponenten verschraubt und verstiftetfür reproduzierbare Demontage und Montagewegen Reinigungsprozess nach Fertigung
Sockel
Lagerzapfen
Anordnung der Sockel in den Besselschen Punkten um Durchbiegung durch Eigengewichtzu minimieren
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 11
Führungsbalken Stirnansicht
Anlageebene FührungsschieneAuflageebene Führungsschiene
Montageebene Granit
Montageebene RENISHAW-Maßband
Sockel
Lagerzapfen
R&K-Profil
Alu-Gußplatte
alle relevanten Ebenenin einer Aufspannunggefertigt
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 12
Führungsbalken
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 13
Führungsbalken Genauigkeitsuntersuchungen
Granit
AKF
Spiegel
Adapterplatte
- Adapterplatte mit Spiegel manuell in 20 cm-Schritten über Gesamtlänge verschoben- Messung der horizontalen und vertikalen Winkelabweichung mittels AKF
Demontage und Montage
- Wiederholung der Messung und Vergleich mit vorheriger Messung
F=800Nverursacht reversible Durchbiegung von 2“
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 14
Ergebnisse
horizontale Winkelabweichung
- vor Demontage Spannweite 16“- nach Demontage Spannweite 22“
vertikale Winkelabweichung
- vor Demontage Spannweite 25“- nach Demontage Spannweite 32“
Differenz: 6“
Differenz: 7“
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 15
Demontage und Reinigung in HH
Transportkiste für Balken und Alu-Deckplatte Reinraum
Reinraum
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 16
präzise Stellbewegungen Kristall 1
+/- 30 mm
Translationstisch HUBER
40 mmHubtischHUBER
2Kreis-Goniometer HUBER
Piezo-NanoverstellerPhysics Instruments
Roll +/-2°
Pitch +2°/-4°
um alle 3 Raumachsen+/-0,5mrad
Schrittmotoren von PHYTRON- 500 Schritte/UGetriebe von PHYTRON- 20:1Encoder von RENISHAW- Auflösung 10nm
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 17
präzise Stellbewegungen Kristall 2
+/- 30 mm Translationstisch HUBER
40 mmHubtischHUBER
1Kreis-Goniometer HUBER
Piezo-NanoverstellerPhysics Instruments
Pitch +2°/-4°
um alle 3 Raumachsen+/-0,5mrad
Schrittmotoren von PHYTRON- 500 Schritte/UGetriebe von PHYTRON- 20:1Encoder von RENISHAW- Auflösung 10nm
Verfahrweg 3684 mm per Kugelgewindetrieb
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 18
Führung von Kristall 2 längs der optischen Achse
SchlittenLoslager(1 Paar Hybrid-Rillenkugellager)
Festlager
Führungsschienen mit jeweils einem Stoß über Gesamtlänge
Kugelgewindespindel40x10
Lagerbock mit 1 PaarHybrid-Axial-Schrägkugellagern(Keramikkugeln; trocken laufend)
Schrittmotor mit GetriebePHYTRON HV-tauglich- 200 Vollschritte/U- Getriebe 25:1- Mmax = 10Nm- angeflanscht über Wellbalgkupplung
Endlagenschalter
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 19
Führung von Kristall 2 längs der optischen Achse
Schlitten
Loslager
Festlager
4 Stck Führungswagen
Kugelumlaufmuttergefettet mit KRYTOX(UHV-taugliches Fett)
Lesekopf für RENISHAW-Messsystem
v = 3 mm/s
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 20
Kühlung Kristall 1- einfallender Strahl ca 400 W- Kühlung mit N2 (-192°C)
Kühlkörperzwischen Kühlkörper und KristallIndiumfolie eingelegt, zwecks Ver-besserung des Wärmekontakts
Andruckbügel
Keramiksäulen zur Isolation
Heizelementzur Vermeidung des Kälteflussesin die darunterliegenden Verstell-einheiten
Vorlauf
Rücklauf
Metall-Wellschläuche
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 21
Kühlung Kristall 1
Stege ermöglichen mäanderförmigenDurchfluss des Kühlmittels
Vorlauf
Rücklauf
Absorberplattemit
Kühlrippen
und
Stegen
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 22
Kühlung Kristall 2
Kühlkörpermassiv Kupfer
eingelötetes Kühlrohr
Vorlauf
Rücklauf
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 23
Kühlung Kristalle
Kristall 1 Kristall 2
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 24
Kühlleitungen Kristall 2
Gleiter zusammengeschoben
Gleiter mit Abstand 300 mm verteiltflexible Metallschläuche
Edelstahlrohre
fixe Auflagen für
Metallschläuche
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 25
Kühlleitungen Kristall 2
Anschlüsse Kristall 2
Halteplatte fürStahldrähte
Auflagen fürMetallschläuche
7 Gleiter
zusammengeschoben
MitnehmerSchlitten
4 EdelstahldrähteDurchm 2 mm
flexibleMetallschläuche
Federrückhol-mechanismusfür Gleiter
- Mitnehmer und Gleiter dienen der Halte- rung der flexiblen Metallschläuche während der Schlittenbewegung- Sie sind mit 300 mm langen Drahtseilen verbunden- durch Fahrbewegung in Pfeilrichtung verteilen sich die Gleiter über die Länge- Fahrbewegung erfolgt gegen Federkraft F des Federrückholmechanismus- bei Bewegungsumkehr sorgt diese Kraft F für das Rückholen der Gleiter
Rollfeder
F = 20 N
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 26
Kühlleitungen Kristall 2
300 mm
300 mm
ortsfeste Halterungfür Edelstahlrohre
Edelstahlrohre
bewegliche Gleiterfür Metallschläuche
Flexible Metallschläuche
Federspannhülsen fürEdelstahlseile
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 27
Kühlleitungen Kristall 2
Auflage
Gleiter
ZugseilRückholmechanismus
Metallschläuche
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 28
Leitungsführungfür elektrische Anschlüsse der Verstellelemente für Kristall 2
Edelstahlband0,4 mm x 40 mm
Kabelwanne
aufgepunktete Stege
Brücke
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 29
Führung, komplett
jetzt fehlt nur noch der TANK
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 30
Tankwand
Luftdruckschwankend
Vakuum
Lagerzapfen
Führungs-balken
Membranbalg
Drehflansch
Topf
Bordscheibe
Entkopplung Führung –Tankmittels Balgbaugruppe
Sockel
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11.04.23 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 31
Merkmale:
- Enge Einbaubedingungen in der Hütte
- Nachbarbeamline P05 durch den Tank
- evakuiertes Volumen
- Revisionsluken
- Berücksichtigen von Schweissverzug
- Dreiteilung für Montage
Vakuumtank
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 32
Simulation des Verformungsverhaltens im evakuierten Zustand
mit ANSYS
maximale Verformung < 1mm
Schrittweise Verändern der VersteifungsrippenAusgangszustand: Version 1 (zu große Verformungen)
Geringste Verformungen: Version 2
geringe Verformung wichtig:- beeinflusst die Dichtheit der Flansche- Vermeiden von Kollision der beweglichen Teile mit der Tankwand
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 33
Version 1
Version 2
![Page 34: 29.03.2011Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat1 Monochromator für Strahlführung P06 an PETRA III.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062417/55204d6749795902118bc719/html5/thumbnails/34.jpg)
29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 34
Die Einrückung wirkt als Schwachstelle und führt zum „Zusammenfallen“ des Tanks.
Die vier Längskanten werden wie Biegegelenke stark verformt.
Simulationsergebnisse für Version 1Deformation: max. 11,6mm
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 35
Dreiecksversteifungen der Einrückung, mit Öffnungen für Beamrohr P05
Eckenversteifung der Vertikalrippen (höherer „Steg“)
Vertikalrippe an Hutze, eckenversteift („hoher Steg“)
Veränderungen an Version 2:Deformation: max. 0,5mm
Vertkalrippen versteift
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 36
Simulationsergebnisse im VergleichVersion 1 Version 2
-7,8 …-11,3mm-> delta_y = 3,5mm
-0,09 … -0,47mm-> delta_y = 0,38mm
Y-Deformation Einrückung Längs:
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 37
Simulationsergebnisse im VergleichVersion 1 Version 2
Mittelrippe vorn: -11mm
Mittelrippe hinten: -5mm
Y-Deformation:
Mittelrippe vorn: -0,45mm
Mittelrippe hinten: -0,48mm
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 38
Simulationsergebnisse im VergleichVersion 1 Version 2
Flansch vorn: -7,9mm
Flansch hinten: 5,5mm
Y-Deformation:
Flansch vorn: -0,24mm
Flansch hinten: 0,28mm
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 39
Die zusätzlichen Versteifungen im Simulationsmodell Version 2 führen zu den geringsten Verformungen des Vakuumtanks.
In dieser Auslegung wird er gegenwärtig produziert.
Anlieferung nach DESY Zeuthen für April 2011 erwartet
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29.03.2011 Technisches Seminar Zeuthen H. Lüdecke / A. Donat 40
Danke für das Interesse und die Aufmerksamkeit!