Dreistrahl-Interferometer messen im Elektronenspeicherring

Autoren: Peter Grundschok, Dr. Denis Dontsov, Dr. Walter Schott (alle SIOS Meßtechnik GmbH), Dr. Andreas Grau (Karlsruher Institut für Technologie KIT)

Die Interferometer mit Planspiegelreflektor der SIOS Meßtechnik GmbH zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit, großen Dynamikbereich und eine einfache Handhabung aus. Die Messungen mit diesen Systemen sind rückführbar und mit einer Linearität unter ±1,5 nm streng linear. Diese Interferometer kommen mit einem einzigen Messstrahl pro Messachse aus, der von einer reflektierenden Oberfläche in sich zurückreflektiert wird. Für kurze Messlängen bis zu 2 Metern wird ein Spiegel als Reflektor eingesetzt. Durch eine spezielle optische Anordnung im Interferometer arbeiten diese Systeme bis zu einer Verkippung des Messspiegels von ± 1,5 arcmin. Die relativ kleine Kippinvarianz minimiert die oft vernachlässigten Messabweichungen zweiter Ordnung. Der Messspiegel kann dabei auch lateral verschoben werden, wie es bei x-y-Planartischen der Fall ist. Bei größeren Messlängen oder stärkeren Verkippungen (bis ± 12,5 °) können diese Interferometer mit einem kompakten, kippinvarianten Reflektor ausgestattet werden.

Zu den weiteren Vorteilen der Interferometer mit einem einzigen Messstrahl pro Messachse zählt der einfache Aufbau von Abbe-fehlerfreien Messanordnungen und problemlose Strahlmodifikationen. Beispielsweise kann der Messstrahl durch ein Objektiv oder eine Fokussieroptik geführt werden. Auch wird das flexible Design von Mehrstrahlinterferometern zur simultanen Erfassung mehrerer Bewegungen bzw. Freiheitsgraden genutzt. Die Dreistrahl-Interferometer (Abb. 1) stellen eine Weiterentwicklung der einachsigen Interferometer mit Planspiegelreflektor dar.

Abb. 1: Dreistrahl-Interferometer der Serie SP-TR

Dreistrahl-Interferometer sind Messsysteme, deren Strahlen nur von einem Laser versorgt werden, jedoch drei separate Interferometerkanäle auswerten. Besonderer Wert wurde auf einen vollständig symmetrischen optischen Aufbau gelegt, so dass simultan drei Längenwerte mit Nanometergenauigkeit erfasst werden. Aus der Differenz jeweils zweier Längenwerte und dem zugehörigen Strahlabstand lässt sich der Kippwinkel des Messspiegels hochgenau bestimmen. Die synchrone Datenübernahme aller Messkanäle ist gegeben.

Dreistrahl-Interferometer für die hochgenaue Längen- und Winkelmessung lassen sich auf Grund ihres kompakten Aufbaus problemlos an unterschiedlichste Messaufgaben anpassen und in bestehende Anordnungen integrieren. Die Standard-Dreistrahl-Interferometer verfügen über einen Winkelmessbereich von ± 1,5 Winkelminuten und einen Wegmessbereich von 2 Metern. Bei Längenauflösungen von 20 Pikometern werden Winkel mit < 0,002 Winkelsekunden aufgelöst.

In einem gemeinsamen Projekt mit dem Institut für Synchrotronstrahlung am Karlsruher Institut für Technologie wurde eine spezielle Ausführung des Dreistrahlinterferometers zur hochpräzisen Ausrichtung der Magnetspulen (Undulatoren) im Elektronenspeicherring genutzt. Undulatoren sind periodische Magnetstrukturen, die in die geraden Strecken von Synchrotronstrahlungsquellen zur Erzeugung hochbrillianter Synchrotronstrahlung eingebaut werden. Sie bestehen im vorliegenden Fall aus zwei, durch den sogenannten Undulatorspalt getrennten, periodischen Anordnungen von supraleitenden Undulatorspulen. Die Intensität und das Spektrum der Synchrotronstrahlung werden durch die Periodenlänge und die Feldstärke des Undulatorfeldes bestimmt, die wiederum von der Geometrie und den Eigenschaften der Magnete abhängig ist.

Zur präzisen Ausrichtung der Undulatorspulen wird ein Messschlitten mit drei Hallsensoren über eine Länge von 2,5 m durch einen 4 mm hohen Spalt zwischen den Spulen hindurch gezogen. Die Hallsensoren messen während der Bewegung das lokale magnetische Feld entlang der Strahlachse in Abhängigkeit vom Nick- und Gierwinkel des Messschlittens.

Die Nick- und Gierwinkelmessung wird mit einem modifizierten Dreistrahlinterferometer der SIOS Meßtechnik GmbH realisiert. Beim Standard-Dreistrahlinterferometer beträgt der Strahlabstand der drei Laserstrahlen zueinander jeweils 12 mm. Durch einen für dieses Projekt entwickelten optischen Vorsatz wurde der vertikale Strahlabstand des Interferometers auf 4 mm reduziert, um im Spalt zwischen den Spulen messen zu können. Die Winkelbestimmung basiert auf der hochgenauen und hochauflösenden laserinterferometrischen Längenmessung mittels dreier Teilstrahlen über eine Länge von 2,5 m.

Abb. 2: Schematischer Aufbau der Messung am Undulator

Die Messung erfolgt im Vakuum. Die Interferometerstrahlen werden durch ein optisches Fenster auf den Spiegel des Messschlittens geführt. Die folgende Abbildung 2 stellt die Messaufgabe schematisch dar.

Das modulare Konzept des SIOS-Interferometers ermöglicht eine einfache Lösung komplexer kundenspezifischer Probleme, wie in der vorgestellten Anwendung gut demonstriert wurde.

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