בקר Galil מסייע בפיתוח עדשת Laue רב שכבתית שמיועדת לסינכרוטרון

מאת: Mark Middleton, Galil Motion Control

אור נראה, שנוצר ע”י השמש או ע”י נורת ליבון, הוא זה שמאפשר לנו לראות את שלל צבעי הקשת שצובעים את סביבת חיינו. למרבה האירוניה, דווקא האור שאינו נראה לעין הוא זה שמאפשר מציאת תגליות נסתרות ואפילו לחולל פלאים. לדוגמה, קרני רנטגן המאפשרים לרופאים לאתר במדויק באיבחון שלהם, או אור אינפרא אדום שמאפשר לעבור בין מאות ערוצי טלויזיה מהכורסה הביתית. ניתן אפילו להיעזר באור אולטרא סגול על מנת לשזף את הגוף במכוני שיזוף או להכין ארוחה משפחתית בתוך דקות באמצעות אור מיקרוגל.
במתקן ה-  (National Synchrotron Light Source) שבמעבדה הלאומית Brookhaven שבניו-יורק ארה”ב, מייצרים אור סינכרוטרון בעוצמה, מהירות ובהירות המאפשר למדענים לבדוק תתי-מבנים (nanostructures) בגודל של אטומים בודדים ולגלות פרטים קטנים בסדרי גודל של ננומטר.
ה- NSLS מייצר את האור ע”י האצת אלקטרונים בתוך אחת משתי טבעות “אחסון” בגודל של מגרש כדורגל במהירות הקרובה למהירות האור. כאשר האור ממוקד על דגימה, כגון תא של אדם או אבק כוכבים, הוא מייצר תמונה של מאפייני החומר ע”ג הגלאי לצורך ניתוח.
עם הסינכרוטרון החדש, שנקרא NSLS-II ונמצא כרגע בבניה, חוקרים צופים שתתאפשר גישה ליותר אינפורמציה באמצעות אור שצפוי להיות פי 10,000 בהיר יותר. מעבדת Brookhaven, שנוסדה ע”י מחלקת האנרגיה של ארה”ב, מארחת מידי שנה מעל ל- 2,000 חוקרים מ- 400 מוסדות שונים שתרים אחרי תגליות בתחומי הביולוגיה, פיסיקה, כימיה, רפואה, גיאולוגיה ומדע החומרים. בין המחקרים ישנם מחקרים על מחלת האלצהיימר, איידס, סרטן השד, דלקת מפרקים ניוונית, כוננים קשיחים, ממירים קטליטים, קורוזיה, חקר החלל, וניקיון הסביבה.
דוגמה מעניינת למחקר היא מחקרו של פרופסור רודריק מקינון מאוניברסיטת רוקפלר, ביופיסיקאי ורנטגן קריסטלוגרף אשר זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 2003 עבור העבודה שנעשתה ב- NSLS. דיוקנאות מפורטים ביותר שלו הראו כיצד קבוצה של חלבונים מייצרת דחפים עצביים, שהם הפעילות החשמלית המהווה למעשה את הבסיס של כל תנועה, תחושה ומחשבה.

על מנת שה- NSLS-II החדש של מעבדת Brookhaven יוכל לייצר קרני רנטגן פי 10,000 בהירים יותר מה- NSLS המקורי, עדשת Laue רב שכבתית שמצופה באופן מיוחד, משמשת לכיוון ומיקוד מאוד מדויק של קרני הרנטגן בדיוק של כ- 1 ננומטר ע”ג האוביקט הנבדק.
בפעילות משותפת עם חברת Galil Motion Control ו- CVD Equipment Corporation, מעבדת Brookhaven פיתחה מאיץ חלקיקים מבוסס מגנטרון ובעזרתו ניתן לייצר אלפי שכבות דקות ביותר של שני חומרים שונים (בדרך כלל WSi2 ו- Si) על גבי מצעי סיליקון וכך למעשה ליצור עדשת Laue  רב שכבתית. טווח עובי הציפויים מגיע ל- 100 מיקרומטר עם כ- 62,000 שכבות בערימה, כאשר השכבה הדקה ביותר הינה פחות מ- 1 ננומטר. במהלך הייצור, המצעים הועמסו על מערכת שינוע המורכבת מבסיס קבוע ומסילות הנעה ונשלטת על ידי בקר תנועה של חברת Galil ה- DMC-4020.
הבקר, שמבקר על שני צירים, שולח אותות למגבר לינארי ומקבל משוב מסוג אנקודר ברזולוציה גבוהה כדי להזיז את מכלול השינוע בתנועה חד ממדית הלוך ושוב בתוך תא ואקום שאורכו כ- 7 מטר ומכיל תשעה “תותחי אלקטרונים” (magnetron) וארבע משאבות הקפאה עמוקה (cryogenic). מערכת השינוע נעה במהירות מוגדרת במדויק, במהירויות שבתחום שבין 250 מיקרון לשנייה ו- 230 מ”מ לשנייה, עם האצה מקסימלית ויציבה של לא פחות מ- 127 מ”מ לשנייה.
בדרך כלל, תהליך הציפוי כולל ציפוי של כמה אלפי שכבות ובכמה מקרים זה יכול להגיע לכ- 100,000 מחזורי תנועה ללא הפסקה בפרק זמן של שישה ימים. המפרט הקריטי של מערכת הציפוי דרש להוכיח יציבות מהירות חלקה, אמינה ומחזורית ברמות דיוק של גליות (Ripple) פחותה מ- 0.01%.
בקר Galil הצליח להראות ביצועים טובים פי 4 מהמפרט המחמיר הנדרש. הביצועים הושגו באמצעות קומוטציה סינוסואידלית שהבטיחה כי אות סינוסי חלק (16 סיביות) נשלח למגבר. זה, בתוספת שילוב של מגבר ליניארי במקום מגבר ממותג, אפשר לבקר ה- DMC-4020 להפחית את גליות (Ripple) המהירות לערך של 0.0025%.
המהנדסים במעבדת Brookhaven  התרשמו מאוד מהקלות של השימוש והתכנות בבקר Galil שאיפשר תכנות קל ומהיר של התנועות שנדרשו ממכלול ההסעה.
תכונת מפתח נוספת היא שהתקשורת בין הבקר ה- DMC-4020 והמחשב מתבצעת באמצעות Ethernet. תקשורת זו מאפשרת למחשב לשלוח פקודות לבקר להתחיל מחזור חדש ברגע בו התקבל אישור מהבקר על השלמת מחזור. על מנת להבטיח את הדיוק ואת החזרתיות, הבקר DMC-4020 מקליט את נתוני המיקום, שגיאת המיקום, המהירות והמומנט באינטרוולים של עשרים שניות בכל מחזור ובנוסף לכך מספק רישום נתונים לצורך עיבוד עתידי ובדיקת שגיאות המערכת.
המתקן החדש ה- NSLS-II מכיל את מערכת ה-  magnetron sputtering בחדר נקי בדרגה 1,000 וגודלו כ- 1200 מטר מרובע. המתקן משמש כמעבדת אופטיקה לצורכי מחקר ופיתוח של חברת נובל בתחום אופטיקת רנטגן, מטרולוגיה ו- nanopositioning על מנת לאפשר רזולוציות גבוהות מאוד של פוקוס ואנרגיה בסינכוטרון. ספקטרום החלקיקים הצפוי יתפרש מאינפרא אדום (µeV) ועד לאזור רנטגן גבוה (300keV).
“למעשה ה-  NSLS-II הוא חדש, גדול יותר ומתקן אחסון טבעתי חכם ביותר, שמאפשר לייצר מגוון רחב של אנרגיות פוטון, אבל הוא עושה זאת באמצעות טבעת אחסון אחת” אומר ריימונד קונלי, מוביל קבוצת ייצור האופטיקה ה-  NSLS-II. זאת, בניגוד ל- NSLS הנוכחי אשר יורה אלקטרונים אל אחד משתי טבעות אחסון אלקטרונים, שם הם מונעים באמצעות מגנטים למהירות הקרובה למהירות האור ופולטים אור סינכרוטרון בתנועתם.
כאשר יושלם פיתוח המתקן בשנת 2015, טבעת האחסון היחידה ה- NSLS-II תספק אור סינכרוטרון יותר אינטנסיבי וממוקד שיאפשר לחוקרים לחקור את הפרטים העדינים ביותר של הדגימות. פוטונים יישלחו עם בהירות ספקטרלית ממוצעת ועם צפיפות שטף ספקטרלית גבוהה בכל טווחי הספקטרום.
בין אם זה המבנה המורכב של מוליכים למחצה או ההרכב הכימי של אבק כוכבים, חלבונים, תאים או רקמות מוח, מדענים ופיזיקאים יוכלו לסמוך על ה- NSLS-II במעבדת Brookhaven, שיאיר באור סינכרוטרון איכותי יותר ובהיר יותר את העצמים הנבדקים. לכן הפוטנציאל לחשוף פרטים ונתונים שהיו בלתי ניתנים להשגה בעבר עם סינכרוטרוני רנטגן אחרים, הינו עצום.
חברת Galil Motion Control הינה חברה אמריקאית בבעלות פרטית ורווחית כבר מעל ל- 100 רבעונים רצופים. חברת Galil נוסדה בשנת 1983 על ידי דר’ יעקב טל וויין ברון. חב’ Galil היתה החברה הראשונה לפתח בקר מנוע סרוו מבוסס מעבד ללא משוב tachometer. מאז, חב’ Galil Motion Control ממשיכה להביל את העולם בטכנולוגית בקרת התנועה ומוכרת כמובילה בתחומה עם מעל 500,000 בקרי תנועה מותקנים בהצלחה ברחבי העולם. את הבקרים ניתן למצוא במגוון רחב של יישומים כגון מכונות בתעשיית המוליכים למחצה, רפואה, דפוס, מכונות כלים, עיבוד מזון, ותעשיות טקסטיל.
חב’ Galil מציעה היום את הדור החדש בתקשורת Ethernet של בקרי תנועה המהירים פי 10 מהדור הקודם משפחת ה- Accelera ובקרי I/O מסדרת ה- RIO Pocket PLC.
מאמר זה נכתב ע”י Mark Middleton מחברת   Galil Motion Control ותורגם לגליון זה ע”י מוני ברק מהנדס אפליקציות בחברת מדיטל קומוטק, המובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיית ההי-טק בישראל ונציגת חב’ Galil Motion Control בישראל.