Case Study

CERNのLESSロボット・イノベーション

レーザー加工表面構造のためのロボティクス

この記事の中で

LESSロボットがCERNでその場表面処理を可能に：ウェイゲート・テクノロジーズが開発したLESSロボットは、陽子ビームの性能を低下させる電子雲を除去するため、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のビームスクリーン内でレーザー表面構造（LESS）処理を行う。
閉鎖空間用精密ロボティクス：このロボットは、空気圧駆動のインチウォーム運動と精密制御の回転治療ヘッドを使用して、非常に狭いアクセスポイント（15 cmのスロット）と長いビームスクリーン（最大15メートル）の中で動作します。
高精度レーザー彫刻：このシステムは金属表面に10ミクロンの精度で微細な渦巻きパターンを彫刻し、電子を捕捉してLHC真空チェンバー内でのクラウド形成を防ぐテクスチャを作成する。
CERNとアカデミアとの共同イノベーション：このプロジェクトは、CERN、ダンディー大学、科学技術施設評議会（STFC）の共同作業であり、分野横断的な工学の力を示すものであった。
粒子加速器のメンテナンスにおけるブレークスルー： LESSロボットは、高エネルギー物理学におけるロボット・メンテナンスの大きな進歩を象徴し、世界で最も複雑な科学機器のひとつにおいて、非侵襲的で高精度な表面改質を可能にする。

LESS

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、世界最大かつ最も強力な粒子加速器である。 2008年9月10日に運転を開始したLHCは、CERNの加速器群に新たに加わった施設である。 LHCは、27kmの超伝導磁石のリングと、その途中にある粒子のエネルギーを高めるための多数の加速器で構成されている。

ダンディー大学と科学技術施設評議会（STFC）の研究者が共同開発したこの技術は、LESS（Laser Engineered Surface Structures）と呼ばれ、加速器内を循環する一次陽子ビームの性能を低下させるマイナス粒子の雲、いわゆる「電子雲」を除去することで、LHCで可能な実験の幅を広げる。

このin-situ表面処理は、比較的長くて（最大15メートル）細いパイプの中で行わなければならないため、レーザー光を限られたスペースで長距離照射しなければならない。 LHCの磁石のその場処理では、ビームスクリーンへのアクセスは、プラグイン・モジュールと呼ばれる取り外し可能な相互接続ユニットの一部を分解して作られる、長さ15cmの入口スロットに限られる。さらに、選択された溝のパターンには、治療ヘッドの移動に高い精度（10マイクロメートル）が要求される。これらすべての要件が、高度なハードウエアとソフトウエアの開発につながった。すなわち、ビーム伝送システムを備えた光ファイバー、光ファイバーを運び、ビームスクリーン内で治療を行うロボット、そしてプロセス全体を管理する制御システムである。

LESS処理面の断面

LESS処理面の上面図。

実物を見る

プロジェクト目標

LESS処理ロボットは、LHCビームスクリーンのその場処理のためにウェイゲート・テクノロジーズ・ロボティクス社が設計・製造した新しいソリューションである。ロボットの寸法は、相互接続用エントリースロットとビームスクリーンの断面形状によって長手方向に制限される。ロボットは、空気圧駆動のクランプシステムにより、インチワーム移動の原理でビームスクリーンに沿って移動します。ビームスクリーンに沿ったロボットの移動は、精密駆動スクリューに連結された電気モーターによって行われる処理ヘッドの移動とは切り離されている。
LESS構造化の間、ロボットはビームスクリーンに強固にクランプされたままであり、回転する処理ヘッドだけがビームスクリーンに螺旋パターンを刻みながら長手方向に移動する。

試験により、LHCの真空チャンバー内の金属表面を、顕微鏡で見ると音楽スタジオで見られる音響パッドのようなデザインに改質することが可能であることが示された。この表面は電子を捕捉することができ、真空チェンバーを曇りのない状態に保つことができる。ダンディー大学によれば、LHCの入射装置であるスーパー陽子シンクロトロンでの初期テストでは、電子雲が完全に除去されたため、LESS法が電子収量の制御に非常に効果的であることが示されたという。