Die LESS-Roboter-Innovation des CERN
Robotik für laserbearbeitete Oberflächenstrukturen
In diesem Artikel:
- LESS-Roboter ermöglicht In-Situ-Oberflächenbehandlung am CERN: Der von Waygate Technologies entwickelte LESS-Roboter führt die Behandlung von laserbasierten Oberflächenstrukturen (LESS) innerhalb der Strahlschirme des Large Hadron Collider (LHC) durch, um Elektronenwolken zu beseitigen, die die Leistung des Protonenstrahls beeinträchtigen
- Präzisionsroboter für beengte Räume: Der Roboter arbeitet innerhalb extrem enger Zugangspunkte (15 cm Schlitze) und langer Strahlschirme (bis zu 15 Meter) mit einer pneumatisch angetriebenen Schneckenbewegung und einem präzisionsgesteuerten rotierenden Behandlungskopf
- Hochpräzise Lasergravur: Das System graviert mikroskopisch kleine spiralförmige Muster auf Metalloberflächen mit einer Präzision von 10 Mikrometern und erzeugt so Strukturen, die Elektronen einfangen und die Bildung von Wolken in den LHC-Vakuumkammern verhindern
- Gemeinsame Innovation mit dem CERN und der Wissenschaft: Das Projekt war eine gemeinsame Anstrengung des CERN, der Universität Dundee und des Science and Technology Facilities Council (STFC), die die Stärke der interdisziplinären Technik unter Beweis stellte.
- Durchbruch bei der Wartung von Teilchenbeschleunigern: Der LESS-Roboter stellt einen bedeutenden Fortschritt in der robotergestützten Wartung für die Hochenergiephysik dar und ermöglicht eine nicht-invasive, hochpräzise Oberflächenmodifikation in einem der komplexesten wissenschaftlichen Instrumente der Welt
LESS
Der Large Hadron Collider (LHC) ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Er wurde am 10. September 2008 in Betrieb genommen und ist die jüngste Erweiterung des Beschleunigerkomplexes des CERN. Der LHC besteht aus einem 27 Kilometer langen Ring aus supraleitenden Magneten mit einer Reihe von Beschleunigungsstrukturen, die die Energie der Teilchen auf dem Weg dorthin erhöhen.
Die gemeinsam von Forschern der Universität Dundee und des Science and Technology Facilities Council (STFC) entwickelte Technologie mit der Bezeichnung LESS (Laser Engineered Surface Structures) erhöht die Bandbreite der im LHC möglichen Experimente, indem sie dazu beiträgt, die so genannte "Elektronenwolke" zu beseitigen: eine Wolke negativer Teilchen, die die Leistung der primären Protonenstrahlen, die im Beschleuniger zirkulieren, beeinträchtigen kann.
Diese In-situ-Oberflächenbehandlung muss in relativ langen (bis zu 15 Meter) und engen Rohren durchgeführt werden, was bedeutet, dass das Laserlicht über große Entfernungen auf sehr begrenztem Raum übertragen werden muss. Für die In-situ-Behandlung der LHC-Magnete ist der Zugang zu den Strahlschirmen auf einen 15 cm langen Eingangsschlitz beschränkt, der durch die Demontage eines Teils der abnehmbaren Verbindungseinheit, des so genannten Plug-in-Moduls, geschaffen wurde. Außerdem erfordert das gewählte Rillenmuster eine hohe Präzision bei der Bewegung des Behandlungskopfes (10 Mikrometer). All diese Anforderungen führten zu einer ausgeklügelten Hardware- und Software-Entwicklung, nämlich der optischen Faser mit dem Strahlführungssystem, dem Roboter, der die Faser trägt und die Behandlung innerhalb des Strahlschirms durchführt, und dem Steuerungssystem, das den gesamten Prozess steuert.
Querschnitt der LESS-behandelten Oberfläche
Draufsicht auf die LESS behandelte Oberfläche.
In Aktion sehen
Ziele des Projekts
Der LESS-Behandlungsroboter ist eine neuartige Lösung, die von Waygate Technologies Robotics für die In-Situ-Behandlung der LHC-Strahlschirme entwickelt und hergestellt wurde. Die Abmessungen des Roboters sind in Längsrichtung durch den Verbindungseingangsschlitz und die Querschnittsform des Strahlschirms begrenzt. Der Roboter bewegt sich mit Hilfe eines pneumatisch angetriebenen Klemmsystems nach dem Prinzip der Inchworm-Bewegung entlang des Strahlschirms. Die Bewegung des Roboters entlang des Strahlschirms ist von der Bewegung des Behandlungskopfes entkoppelt, die von einem Elektromotor ausgeführt wird, der mit einer Präzisionsantriebsschraube gekoppelt ist.
Während der LESS-Strukturierung bleibt der Roboter starr auf dem Strahlschirm eingespannt und nur der rotierende Behandlungskopf bewegt sich in Längsrichtung und graviert das Spiralmuster in den Strahlschirm.
Tests haben gezeigt, dass es möglich ist, die Oberfläche der Metalle in den LHC-Vakuumkammern so umzuformulieren, dass sie unter dem Mikroskop der Art von Schalldämpfern ähnelt, die man in Musikstudios sieht. Die Oberfläche kann Elektronen einfangen und die Kammern von der Wolke freihalten. Nach Angaben der Universität Dundee haben erste Tests am Super-Protonen-Synchrotron, dem LHC-Injektor, gezeigt, dass die LESS-Methode bei der Kontrolle der Elektronenausbeute sehr effektiv ist, da die Elektronenwolken vollständig ausgerottet wurden.
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