Personalizzazione delle celle di carico Un componente piccolo ma fondamentale nel laser a raggi X più potente al mondo

Modificando le sue celle di carico standard, OMEGA contribuisce a mantenere il nuovo progetto laser sulla buona strada per il completamento nel 2018

Sfida • Le celle di carico disponibili in commercio necessitavano di modifiche per adattarsi al progetto
• Progetto ampio e complesso con una scadenza fissa che doveva essere rispettata

Sfida

Le celle di carico disponibili in commercio non sono all'altezza
Nell'ambito di un nuovo progetto sul laser a raggi X, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti stanno aggiornando il laser a raggi X SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC).

Il progetto, noto come LCLS-II, aumenterà in modo significativo la potenza e la capacità del laser, rendendolo in media 10.000 volte più luminoso del laser esistente dello SLAC, il Linac Coherent Light Source (LCLS), e in grado di sparare 8.000 volte più velocemente.

Come il laser esistente, l'LCLS-II utilizza elettroni che volano attraverso una serie di magneti, chiamati ondulatori. Gli ondulatori costringono gli elettroni a seguire un percorso a zig-zag e a emettere energia sotto forma di raggi X. L'LCLS-II è composto da due linee di fascio separate, una delle quali è una catena di 21 ondulatori a raggi X "morbidi" a bassa energia, ciascuno con 346 magneti, e 32 segmenti di ondulatori a raggi X "duri" ad alta energia, ciascuno con 518 magneti.

La linea di fascio di raggi X "duri" utilizza un esclusivo ondulatore a gap orizzontale sviluppato dall'Argonne National Laboratory che impiega 144 molle speciali per controbilanciare le forze magnetiche sviluppate quando il gap tra i due array magnetici si riduce. Mantenere le forze magnetiche in equilibrio con le forze delle molle è fondamentale per le prestazioni dell'ondulatore.

Come parte del progetto, le celle di carico misurano e rilevano qualsiasi squilibrio tra la forza magnetica e la forza delle molle durante l'assemblaggio del dispositivo. "Poiché i campi magnetici sono così grandi, la struttura in alluminio a cui sono fissati i magneti può deformarsi, il che a sua volta può creare distorsioni nel campo magnetico", ha affermato Allan DeMello, ingegnere meccanico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. "Sebbene non sia possibile regolare i magneti, è possibile regolare la tensione delle molle per mantenerli in equilibrio. Idealmente, le celle di carico dovrebbero indicare zero".

Tuttavia, dopo aver ordinato alcune celle di carico standard da testare nei loro ondulatori, gli ingegneri del Berkeley Labs hanno scoperto che non erano perfettamente adatte alle loro esigenze. In qualsiasi grande progetto ingegneristico, anche piccoli cambiamenti possono avere un effetto a cascata, ritardando i tempi di realizzazione e contribuendo al superamento del budget.

Sapendo che apportare modifiche alla cella di carico piuttosto che tentare di modificare altri aspetti degli ondulatori sarebbe stata la soluzione più economica e tempestiva, il Berkeley Labs ha contattato OMEGA, il produttore delle celle di carico, per vedere se potevano aiutare a soddisfare le loro esigenze mantenendo al contempo i tempi di realizzazione del progetto.

Soluzione • Capacità di evolvere e modificare il design delle celle di carico in base alle esigenze
• Competenze ingegneristiche interne sfruttate per affrontare le sfide di progettazione
• Personalizzazione completa delle celle di carico standard secondo le richieste

Soluzione

Un processo di personalizzazione mirato a soddisfare le esigenze specifiche dei clienti
In occasione del primo contatto con OMEGA, DeMello sapeva che era necessario modificare alcune delle viti che fissavano il dispositivo in modo che fossero a filo anziché sporgenti. Tuttavia, mentre lavorava con gli ingegneri di OMEGA per apportare questa modifica, sono emerse anche altre necessità di adeguamento. "Ci siamo resi conto che avevamo bisogno di una filettatura più grande", ha affermato DeMello. "Non volevamo che le viti si staccassero, quindi era importante". Avevano anche bisogno di un connettore all'estremità delle Celle di carico che potesse collegare un cavo al loro connettore D-9 su un display già esistente.

OMEGA produce la maggior parte dei suoi prodotti internamente. Ciò ha permesso all'azienda non solo di attingere alle proprie competenze interne in materia di progettazione e ingegneria applicativa per personalizzare un prodotto standard, ma anche di rimanere flessibile man mano che il progetto evolveva. E poiché i prodotti vengono realizzati da zero, è stato possibile apportare anche modifiche significative al progetto, come l'aggiunta di un connettore all'estremità delle Celle di carico.

"È stato bello trovare un fornitore disposto a realizzare un pezzo personalizzato con tanta facilità", ha affermato DeMello.

Durante tutto il processo di personalizzazione, gli ingegneri applicativi e progettisti di OMEGA hanno lavorato a stretto contatto con gli ingegneri del Berkeley Labs per ottenere le modifiche giuste. Oltre a inviare i disegni di controllo al cliente, che il Berkeley Labs poteva correggere e richiedere ulteriori modifiche, OMEGA ha anche inviato un ingegnere senior a visitare il Berkeley Labs per esaminare l'ondulatore che stavano costruendo e come le Celle di carico si sarebbero adattate al progetto.

Man mano che il processo di progettazione evolveva, OMEGA ha consegnato i prototipi al Berkeley Labs per assicurarsi che le modifiche fossero esattamente corrette. Quindi, una volta finalizzato il progetto, OMEGA ha elaborato un programma di produzione che rispettasse la tempistica del progetto del Berkeley Lab.

Risultati • Oltre 400 celle di carico personalizzate prodotte per l'applicazione
• Nessun impatto sulla tempistica del progetto
• Evasione dell'ordine e spedizione in poco più di 30 giorni

Risultato

La personalizzazione interna raggiunge tutti gli obiettivi
Con la necessità di oltre 400 celle di carico personalizzate, era fondamentale che le celle di carico non solo fossero modificate per adattarsi agli ondulatori esattamente come specificato, ma che potessero essere prodotte, spedite e installate senza influire sulla tempistica complessiva del progetto.

Una volta completata la progettazione ed effettuati gli ordini per le celle di carico personalizzate, OMEGA è stata in grado di produrre e spedire gli ordini iniziali in poco più di 30 giorni, contribuendo a mantenere i tempi complessivi del progetto in linea con le previsioni. Inoltre, Berkeley Labs dispone ora di un codice articolo specifico che sarà supportato da OMEGA per tutto il tempo necessario. Questo dà loro la certezza di poter ottenere facilmente i pezzi di ricambio quando necessario e limita la quantità di scorte di sicurezza che devono tenere nei propri magazzini.

Una volta completate, le celle di carico personalizzate svolgeranno un ruolo di supporto piccolo ma importante nell'alimentare un laser con capacità senza pari di catturare istantanee dettagliate di processi rapidi che vanno oltre la portata di altre fonti di luce. Grazie a queste osservazioni, gli scienziati saranno in grado di comprendere meglio le dinamiche di reazioni chimiche cruciali che potrebbero essere la chiave per la scoperta di farmaci salvavita o soluzioni energetiche innovative.

Applicazione

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