Personalización de celdas de carga Un componente pequeño pero fundamental en el láser de rayos X más brillante del mundo

Al modificar sus celdas de carga estándar, OMEGA contribuye a que el novedoso proyecto láser se complete en 2018

Reto • Las celdas de carga estándar necesitaban modificaciones para adaptarse al diseño del proyecto
• Proyecto grande y complejo con un plazo fijo que debía cumplirse

Reto

Las celdas de carga comerciales no dan la talla
Como parte de un nuevo proyecto de láser de rayos X, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. están actualizando el láser de rayos X del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (SLAC).

El proyecto, conocido como LCLS-II, aumentará significativamente la potencia y la capacidad del láser, lo que lo hará 10 000 veces más brillante de media que el láser existente del SLAC, la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), y capaz de disparar 8000 veces más rápido.

Al igual que el Láser existente, el LCLS-II utiliza electrones que vuelan a través de una serie de imanes, llamados onduladores. Los onduladores obligan a los electrones a recorrer una trayectoria en zigzag y a emitir energía en forma de rayos X. El LCLS-II se compone de dos líneas de haz separadas, una de ellas con una cadena de 21 onduladores de rayos X «blandos» de menor energía, cada uno con 346 imanes, y 32 segmentos de onduladores de rayos X «duros» de mayor energía, cada uno con 518 imanes.

La línea de haz de rayos X «duros» utiliza un undulador de separación horizontal único desarrollado por el Laboratorio Nacional de Argonne que emplea 144 resortes especiales para contrarrestar las fuerzas magnéticas que se desarrollan a medida que se reduce la separación entre las dos matrices magnéticas. Mantener el equilibrio entre las fuerzas magnéticas y las fuerzas de los resortes es fundamental para el rendimiento del undulador.

Como parte del diseño, las celdas de carga miden y detectan cualquier desequilibrio entre la fuerza magnética y la fuerza del resorte cuando se ensambla el dispositivo. «Debido a que los campos magnéticos son tan grandes, la estructura de aluminio a la que se fijan los imanes puede deformarse, lo que a su vez puede crear distorsiones en el campo magnético», explicó Allan DeMello, ingeniero mecánico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. «Aunque no podemos ajustar los imanes, sí podemos ajustar la tensión de los resortes para mantenerlos equilibrados. Lo ideal es que las celdas de carga marquen cero».

Sin embargo, tras encargar unas cuantas celdas de carga estándar para probarlas en sus onduladores, los ingenieros de Berkeley Labs descubrieron que no se ajustaban del todo a sus necesidades. En cualquier gran proyecto de ingeniería, incluso los pequeños cambios pueden tener un efecto dominó, retrasando los plazos del proyecto y contribuyendo a sobrepasar el presupuesto.

Sabiendo que modificar las celdas de carga en lugar de intentar modificar otros aspectos de los onduladores sería la solución más rentable y oportuna, Berkeley Labs se puso en contacto con OMEGA, el fabricante de las celdas de carga, para ver si podían ayudarles a satisfacer sus necesidades y, al mismo tiempo, mantener el calendario del proyecto.

Solución • Capacidad para evolucionar y modificar el diseño de las células de carga según sea necesario
• Experiencia en ingeniería interna aprovechada para abordar los retos de diseño
• Personalización completa de las celdas de carga estándar según lo solicitado

Solución

Un proceso de personalización centrado en satisfacer los requisitos únicos de los clientes
Cuando DeMello se puso en contacto inicialmente con OMEGA, sabía que necesitaban modificar algunos de los tornillos que sujetaban el dispositivo para que quedaran al ras en lugar de sobresalir. Sin embargo, mientras trabajaba con los ingenieros de OMEGA para realizar esta modificación, surgieron otros ajustes. «Nos dimos cuenta de que necesitábamos un tamaño de rosca mayor», dijo DeMello. «No queríamos que los tornillos se salieran, así que eso era importante». También necesitaban un conector en el extremo de las celdas de carga que pudiera conectar un cable a su conector D-9 en una configuración de pantalla existente.

OMEGA fabrica la mayoría de sus productos internamente. Esto permitió a la empresa no solo aprovechar su experiencia interna en diseño e ingeniería de aplicaciones para ayudar a personalizar un producto estándar, sino que también le permitió a OMEGA mantener la flexibilidad a medida que el diseño evolucionaba. Y como fabrican los productos desde cero, incluso los cambios de diseño significativos, como añadir un conector al extremo de las celdas de carga, fueron posibles.

«Fue estupendo encontrar un proveedor que estuviera dispuesto a fabricar una pieza personalizada con tanta facilidad», afirmó DeMello.

A lo largo del proceso de personalización, los ingenieros de aplicaciones y diseño de OMEGA trabajaron en estrecha colaboración con los ingenieros de Berkeley Labs para realizar las modificaciones adecuadas. Además de enviar los planos de control al cliente, que Berkeley Labs podía marcar con líneas rojas y solicitar cambios adicionales, OMEGA también envió a un ingeniero senior a visitar Berkeley Labs para ver el ondulador que estaban construyendo y cómo encajarían las celdas de carga en el diseño.

A medida que avanzaba el proceso de diseño, OMEGA entregó prototipos a Berkeley Labs para asegurarse de que las modificaciones fueran exactamente las correctas. Luego, una vez finalizado el diseño, OMEGA elaboró un calendario de producción que se ajustara al calendario del proyecto de Berkeley Lab.

Resultados • Más de 400 celdas de carga personalizadas fabricadas para la aplicación
• Sin impacto en el calendario del proyecto
• Cumplimiento del pedido y envío en poco más de 30 días

Resultado

La personalización interna cumple todos los objetivos
Dada la necesidad de más de 400 celdas de carga personalizadas, era fundamental que estas no solo se modificaran para encajar en los onduladores exactamente según lo especificado, sino que también se pudieran producir, enviar e instalar sin afectar al calendario general del proyecto.

Una vez finalizado el diseño y realizados los pedidos de las celdas de carga personalizadas, OMEGA pudo producir y enviar los pedidos iniciales en poco más de 30 días, lo que ayudó a mantener los plazos generales del proyecto según lo previsto. Además, Berkeley Labs cuenta ahora con un número de referencia de Omega que OMEGA seguirá suministrando en el futuro durante el tiempo que sea necesario. Esto les da la seguridad de que podrán obtener fácilmente piezas de repuesto cuando sea necesario y limita la cantidad de stock de seguridad que necesitan mantener en sus propios almacenes.

Una vez finalizadas, las celdas de carga personalizadas desempeñarán un papel secundario, pero importante, en la alimentación de un láser con capacidades inigualables para capturar instantáneas detalladas de procesos rápidos que van más allá del alcance de otras fuentes de luz. Con estas observaciones capturadas, los científicos podrán comprender mejor la dinámica de reacciones químicas cruciales que podrían ser la clave para el descubrimiento de medicamentos que salvan vidas o soluciones energéticas innovadoras.

Aplicación

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