Automazione di banco ottico per misure di diffrazione con i raggi X

AS_Motor è un sistema per il controllo assi e la gestione di I/O digitali per l’automazione di un banco ottico.

Tramite di un’interfaccia semplice ed intuitiva, AS_Motor permette il controllo della posizione di motori passo-passo per mezzo di un’elettronica di controllo e potenza distribuita e gestisce il monitoraggio e il controllo di alcuni parametri critici (segnali logici di I/O) per la sicurezza sia del personale sia della strumentazione.

AS_Motor: controllo assi e gestione I/O digitali.

Presso il LENS (European Laboratory for Non-linear Spectroscopy) di Firenze è stato realizzato uno strumento dedicato a misure di diffrazione di raggi X (dispersive in angolo) su campioni ad alta pressione disposti all’interno di una cella con incudine di diamante (Diamod Anvil Cell, DAC).

La diffrazione strutturale di raggi X su campioni all’interno di una DAC pone seri problemi sperimentali dovuti alla piccola dimensione del campione, alla presenza dei diamanti ed al cono limitato dell’apertura della cella.

Inoltre, la geometria particolare della cella, la presenza necessaria di un’ottica di focalizzazione lungo il fascio del raggio di X, la necessità di un allineamento preciso del campione sul fascio non permettono l’uso di diffratometri commerciali.

I ricercatori del LENS hanno progettato e realizzato uno strumento modulare dedicato. Asper ha supportato i ricercatori del LENS nella progettazione del sistema di controllo assi e ha realizzato AS_Motor, il software di gestione dell’intero strumento.

Lo strumento è composto essenzialmente dalla sorgente di raggi X, dall’ottica ellittica di focalizzazione, dalla DAC e dal rivelatore CCD.

La DAC può essere disposta sul fuoco del fascio dei raggi X e in questo caso il fascio diretto è soppresso tramite una barriera di piombo. Alternativamente, la DAC può essere disposta sul fuoco di un microscopio utilizzato sia per l’osservazione visiva del campione sia per la misura di pressione con la tecnica di fluorescenza del rubino per mezzo di un laser ad ioni di Ar+ e di uno spettrometro.

Lo strumento è disposto su un banco ottico, e per proteggere gli operatori che lavorano intorno allo strumento, tutto l’esperimento è racchiuso in una struttura con pareti in piombo per schermare la radiazione X. Per questo motivo gli 11 assi più importanti sono stati motorizzati per permettere un controllo a distanza.

I traslatori lineari di precisione (UMR e MVN di Newport) per la DAC, il microscopio, l’ottica di messa a fuoco e il diaframma di piombo per la soppressione del fascio diretto sono stati motorizzati accoppiando il micrometro manuale (sensibilità di 1 micron) ad un motore passo-passo per mezzo di un dispositivo meccanico realizzato dall’officina dell’LENS.

AS_Motor: unità hardaware

Per l’automazione dei posizionatori Asper ha scelto un’elettronica di controllo e potenza dei motori passo-passo basata su moduli SMC Pollux di Micos GmbH.

Ogni singolo modulo SMC Pollux controlla un singolo asse con funzioni avanzate come: una differente corrente per l’avanzamento e il riposo; micro-steps per una rotazione estremamente fine del motore; la possibilità di configurare le caratteristiche elettriche di potenza sulle specifiche del motore controllato.

La comunicazione con i moduli SMC Pollux avviene su linea seriale, fino a 16 SMC Pollux possono essere collegati a cascata sulla stessa linea seriale.

Il monitoraggio dello stato di una serie di parametri di controllo tra i quali l’apertura/chiusura delle due porte della struttura con pareti in piombo, l’inserimento/disinserimento del diaframma per i raggi X, l’inserimento/disinserimento dello shutter sia per il CCD sensibile ai raggi X sia per il CCD sensibile nel visibile, etc., riveste un ruolo chiave per la sicurezza di esecuzione delle misure.

Per la gestione dei segnali logici è stata utilizzata una scheda PCI-DIO-96 di National Instruments.

figura 1: AS_Motor - ingegnerizzazione all'interno di un rack da 19' dell'elettronica di controllo e potenza dei motori passo-passo (11 moduli SMC Pollux di Micos GmbH).

AS_Motor: unità software

Un software dedicato, denominato AS_Motor, è stato sviluppato da Asper per controllare lo strumento: gli 11 motori, l’emissione del raggio di X, i comandi di sicurezza, i vari modi di funzionamento ed il microscopio.

Il sistema realizzato da Asper concentra in un unico applicativo software tutte le funzionalità richieste dalle specifiche del progetto, ciò al fine di facilitare il compito dell’operatore che esegue le misure.

Il software AS_Motor, per mezzo di un’interfaccia semplice ed intuitiva, permette il controllo della posizione dei motori passo-passo e gestisce alcuni segnali logici di I/O sia per la sicurezza del personale sia per evitare che operazioni accidentali possano danneggiare la strumentazione.

Le segnalazioni visive di allarme sono di dimensione e colore sufficiente da essere percepibili anche da lontano.

In AS_Motor sono implementate una serie di differenti modalità di operazione con differenti livelli di sicurezza per la strumentazione. Le modalità di operazione corrispondano a diverse procedure necessarie sia per la messa a punto dello strumento sia per l’esecuzione delle misure. Le principali modalità sono: controllo assi, allineamento del microscopio, allineamento sui raggi X e misura.