maxon真空中的双晶单色器应用

早在2013年，maxon电机即与英国的 Instrument Design Technology（IDT）合作对小型无刷电机进行了改进,使其能够用于极端真空条件下的同步辐射加速器。本文将简单介绍这一任务所面临的挑战。

位于英国牛津郡 的Diamond Light Source（DLS）粒子加速器用于各种研发项目，例如分析应力对飞机机翼产生的影响，研究 HIV 病毒行为，甚至在封闭状态下阅读古老的羊皮纸。占地45000 平方米的同步加速器设施能够将电子加速到 3 千兆电子伏（GeV），生成比太阳亮度高百亿倍的光线，以达到研究分子结构的目的。为防止电子与空气分子碰撞而丢失，整个过程在压力仅有大气压十亿分之一的真空中完成。显然，制造符合此种实验条件的科学仪器需要极强的专业知识，位于英格兰西北部威德尼斯的 Instrument Design Technology（IDT）公司提供全球领先的同步加速器设施。

Diamond Light Source（DLS）粒子加速器

根据 Diamond 研究所的要求，用于新型 X 射线光谱仪光束线 B18 的双晶单色器（DCM）使用 maxon 直流电机驱动重要的Bragg旋转轴，取代常见的步进电机。IDT 的首席执行官 Paul Murray 先生解释说：“相比之前用过的步进电机，我们希望在电机温度较低的情况下获得更高的转数，以及平稳运行的传动系统。步进电机的特点是噪音较大，并且经常引起振动。排除这些问题后双晶单色器（DCM）的效果会明显改善——不过，新型电机必须在 10-8 托的真空下完美运行。”

具有耐热性的高功率无刷电动机的开发

maxon的销售工程师Paul Willianms解释说：“由于同步加速器的真空不允许受到破坏,我们必须分析电机的每个独立部件及其构造,检查是否有可能漏气。我们曾面临的挑战是研发一台高无粘合剂、无塑料、耐受极高温度的高性能无刷电机。”

此项客户要求的解决方案起始点为 maxon 的 EC 22 HD（Heavy Duty）电机。虽说它最初是针对海底石油开采所研发,但是此 22 毫米的无刷电机以其不锈钢激光焊接外壳以及在较大温度范围内的多种应用,符合在真空中使用的要求。作为无刷直流电机，一开始就比之前使用的步进电机性能更强、更安静且反应更灵敏。

改进后的maxon EC 22 HD 电机

针对在同步加速器中的应用而改进 EC 22 HD时,maxon 公司必须考虑到多种因素。其中首先是热量问题。在真空中无法像往常一样通过热对流来散热,因此容易产生过热现象。所以选择耐高温的电机十分重要。其他部件应尽可能地安排在能够通过热传导而降温的部位。同样至关重要的是齿轮要具有高传动比。在 10-7 托或更高的高真空度下,塑料及粘合接头会漏气。这种漏气问题会导致性能损失,并会影响到真空。因此发动机的每个部件均单独进行测试,如果有必要则将其改善。由于漏气危险因此无法使用常用粘合剂。所以电机组装主要是用微激光焊接完成。

通过航天项目中的工作,maxon 的工程师了解到一般用在发动机架中的轻润滑油对低压条件会有反应。因此,要使用一种惰性极强的润滑剂,在高真空条件下不会蒸发,此外还须考虑到电机操作特性和预期持续时间的相关变化。为进一步消除现有漏气源,电机还被暴露在 120 °C 的可控真空中 24 小时。针对 200 °C 高温设计的 EC 22 HD 电机经此证实它就是最佳的初始产品。

雪花状粉尘

双晶单色器（DCM）及为其量身定制的 maxon EC 电机目前活跃在 Diamond Light Source 的光束线 B18 中,在重要试验中实现其作用。一组意大利科学家用这种光束线 B18 来研究大约 80 万年前落下的雪花状粉尘－大约相当于最初人类出现在地球上的时期。南极冰岩心由数十万年雨雪冰冻层和降雪时包裹住的微小灰尘颗粒组成,它们包含着气候、大气和地球上的火山活动方面的基本信息。借助 X 射线吸收光谱,研究人员能够检查灰尘的矿物成分,确定其起源并得出结论,以说明几十万年间全球气候的变化模式。