19/11/2014
Door Bart Driessen
Wetenschappelijk onderzoek naar de kleinste deeltjes van de materie is van het grootste belang voor de fundamentele wetenschap. Maar ook de nanotechnologie en halfgeleiderindustrie steunen tegenwoordig op deeltjesonderzoek. Industriële bedrijven en universiteiten gebruiken daarvoor deeltjesversnellers; apparatuur ontwikkeld en gebouwd door High Voltage Engineering Europa (HVE) uit Amersfoort. Met gebruikmaking van EtherCAT en besturingscomponenten van Beckhoff zet HVE momenteel nieuwe stappen in deze technologie.
Voor wie het niet wist; een deeltjesversneller is een apparaat waarin positief of negatief geladen deeltjes of radio-isotopen op een hoog energieniveau gebracht worden. De snelheden die daarmee bereikt worden, komen in de buurt van de lichtsnelheid. Deze versnelling wordt bereikt door middel van extreem hoge elektrische velden. Deeltjesversnellers worden gebruikt door universitaire instellingen voor wetenschappelijk onderzoek en de halfgeleiderindustrie. Een bekend voorbeeld is “Accelerator Mass Spectrometrie” (AMS). Hierbij wordt de leeftijd van materiaal vastgesteld aan de hand van de C14-dating methode waarbij gebruik wordt gemaakt van het instabiele en radioactieve C14, waarvan de concentratie met de tijd afneemt. Hiermee kan de leeftijd van een monster bepaald kan worden, wat toepassing vindt in archeologie, bijvoorbeeld het bepalen van de afkomst van voorwerpen uit de Romeinse tijd of de afkomst van de lijkwade van Turijn. Ook werd met deze methode bepaald of gesteentes uit kraters al dan niet van buiten de aarde afkomstig waren. Deeltjesversnellers van HVE worden verder bijvoorbeeld gebruikt voor diverse toepassingen zoals het simuleren van de uitwerking van zonnewind en kosmische straling op elektronica in de ruimtevaart of analyse van de oppervlaktestructuur van halfgeleider-chips.
Lineaire versnellers
De deeltjesversnellers die High Voltage Engineering bouwt, zijn van het type DC-lineaire versnellers. Deze onderscheiden zich van de grote ringvormige versneller van het CERN in Zwitserland; niet alleen vanwege de veel kleinere omvang, maar ook door het andere principe waar deze op gebaseerd zijn. De DC-lineaire deeltjesversnellers beschikken over een hoogspanningsvoeding die een gelijkspanning tot 6 miljoen volt produceert. Met behulp van deze gelijkspanning wordt een sterk elektrisch veld opgewekt in een versnelbuis. Deze versnelbuis bestaat uit ronde titanium elektrodes met een opening in het midden en gescheiden door isolatoren. In het centrum van de versnelbuis heerst vacuüm en de geladen deeltjes worden door het elektrische veld versneld over de as van de versnelbuis.
De DC-lineaire versnellers die HVE bouwt kunnen van het type Singletron of Tandetron zijn. In een Singletron staat de ionenbron op de hoge DC-gelijkspanning van enkele miljoenen volts (MV). Door het elektrische veld worden de geladen deeltjes uit de ionenbron naar aardpotentiaal versneld.
Bij Tandetrons staat de ionenbron op aardpotentiaal. De negatieve deeltjes worden versneld naar de terminal van de Tandetron die op enkele MV's staat. In de terminal worden de deeltjes omgeladen tot positieve deeltjes waardoor zij een tweede keer versneld kunnen worden, deze keer van de terminal naar aardpotentiaal. Vanwege de "tweetraps"-versnelling worden deze versnellers Tandetron genoemd. In het algemeen geldt dat hoe hoger de energie, hoe langer de daarvoor benodigde versnelbuis. De versnelbuis bevindt zich in een grote metalen tank, gevuld met een isolerend gas, dat nodig is om de hoogspanning te kunnen handhaven. De deeltjesversnellers van HVE gaan van ongeveer 3 meter tot een lengte van 25 meter.
Selectie van protocol
Momenteel is een nieuwe deeltjesversneller bij HVE in ontwikkeling, waarvoor voor het eerst gewerkt wordt met EtherCAT op basis van industrieel ethernet. Voor de besturing kiest HVE voor TwinCAT 3 PLC, verschillende digitale en analoge I/O; communicatienodes en andere componenten van Beckhoff. Waarom kiest HVE voor EtherCAT? Tot voor kort werkte HVE met CANBus, maar de snelheid van deze bus vormde steeds meer een probleem. Een tweede argument is dat deze technologie niet meer wordt doorontwikkeld. Daarom stapt het nu over op ethernet. Dat levert meer snelheid en bandbreedte op. Om de overstap goed te laat verlopen, heeft HVE een vergelijkend onderzoek gedaan naar de verschillende mogelijkheden. Momenteel zijn er vijf á zeven serieuze protocollen voor industrieel ethernet. Twee daarvan staken er wat HVE betreft boven uit: EtherCAT en Profinet. De criteria voor het protocol zijn bandbreedte, flexibiliteit, schaalbaarheid, modulariteit en stabiliteit. De analoge uitgang moet stabiel en reproduceerbaar zijn. Er mag geen verschuiving in dataverkeer optreden. Uit de vergelijking van de twee protocollen heeft HVE geconcludeerd dat EtherCAT verder ontwikkeld is dan Profinet. Bovendien heeft EtherCAT zich bewezen als succesvolle oplossing in de industrie. Ook wat betreft modulariteit en veelheid van beschikbare klemmen is EtherCAT aantrekkelijker. Dus aan de eis wat betreft schaalbaarheid voldoet het ruimschoots. En voor wat betreft snelheid zijn de prestaties ook uitstekend: de sample-rate van CANbus, zoals toegepast bij HVE, is 3Hz. Met EtherCAT kan HVE het zelfde aantal bytes 1000 keer zo snel verplaatsen.
Nieuwe Singletron
HVE heeft onlangs een test uitgevoerd met een nieuwe machine; de 2 MV Singletron. De ionenbron in deze machine wordt bestuurd met een Beckhoff TwinCAT PLC. De verbinding met de EtherCAT IO-klemmen bestaat nu uit twee glasvezelkabels, maar zal worden vervangen door kunststof kabel (plastic optical fiber, POF). Een eerste proef leverde gelijk een positief resultaat op. Momenteel bouwt HVE dergelijke nieuwe machines waarbij CANBus niet meer voor komt. De besturing wordt nu verzorgd door een Beckhoff IPC (C6920) en EtherCAT. Daarmee profiteert het gelijk van de vrije topologie die EtherCAT biedt.
Voor HVE is het ook belangrijk dat componenten zoals IO-klemmen en IO-stations lang genoeg leverbaar zijn. Klemmen moeten over een lange periode leverbaar zijn en backwards compatible blijven. Beckhoff garandeert dat PC’s minimaal 5 jaar leverbaar zijn. Daarna treedt een periode in van 5 jaar waarin in elk geval de service wordt gegarandeerd. HVE wenst computers zonder kaarten, zoals PCI of ISA. Want wanneer het met iets nieuws komt, wil HVE deze gemakkelijk kunnen verwisselen. TwinCAT 3 heeft nu een nieuwe versie, met een multiprocessor ondersteuning en 64 bits. De programmeeromgeving bestaat uit Visual Studio en dat biedt verschillende voordelen. Bijvoorbeeld dat er geen aparte editor nodig is. Daarbij biedt het C++-ondersteuning. Met C-code kan de besturing tijdens de programmering realtime werken. Verder is voorzien in integratie met Matlab. TwinCAT3 is de toekomst.
Scientific Automation
HVE verwacht veel van de nieuwe ontwikkeling van Beckhoff, het Scientific Automation. Dat concept richt zich op snel en nauwkeurig meten en regelen. In haar machines kan men daarvan profiteren bij het meten van het verloop van het profiel van de ionenbundel. Scientific Automation biedt XFC ofwel Extreme Fast Control. Daarmee zijn speciale klemmen beschikbaar die een snelle meting mogelijk maken van heel kleine stromen in het nano-ampère bereik en met hoge tijdsresolutie. De TwinCAT PLC kan die metingen en berekeningen uitvoeren en verwerken, maar met XFC gaat dat tienduizend keer sneller dan met het bestaande EtherCAT. Voor onze high-voltage applicaties is dit een zeer interessante ontwikkeling. Dan wordt het mogelijk om de vorm van de ionenbundel in onze deeltjesversnellers nog preciezer te meten en af te optimaliseren.
High Voltage Engineering Europa
HVE Amersfoort bestaat sinds 1959. Aan de oorsprong van dit bedrijf is een bekende naam verbonden; die van de Amerikaanse kernfysicus R.J. van de Graaff, kernfysicus en uitvinder van de naar hem genoemde Van de Graaff Generator. Sinds 2005 is HVE een volledig zelfstandig Nederlands bedrijf. Momenteel werken er ruim 80 medewerkers; waaronder veel academici. Kenmerkend zijn de specialistische kennis en het zeer geringe verloop in het personeel. HVE is gewend om te werken op de lange termijn en dat vertaalt zich in loyale medewerkers met een lang dienstverband.