Kleinste Details - maximale Anforderungen

Stromversorgung für das Rasterelektronenmikroskop MERLIN aus dem Hause ZEISS.

Optische Technologien gelten als eine der Schlüsseltechnologien für unsere Zukunft. Ihre technologischen und wissenschaftlichen Anwendungen werden das tägliche Leben immer stärker durchdringen. Sie bereiten den Weg für eine Vielzahl von Innovationen – z.B. in der Informationstechnologie, der Telekommunikation, im Bereich Automotive oder auch in der Medizintechnik. Parallel dazu sind die künstliche Intelligenz und die Konvergenz von Technologien weitere Megatrends, die unser Leben und zukünftige Produkte bestimmen werden.

Im Rasterelektronenmikroskop MERLIN verwendete DC-Einheit

Das Unternehmen ZEISS beispielsweise entwickeltdurch die Verknüpfung seiner Kompetenzen in der Optik und Feinmechanik modernste Problemlösungen. Beispielhaft hierfür steht die korrelative Mikroskopie. Dank ihr ist es möglich, Informationen aus der Lichtmikroskopie mit der Auflösungskraft der Elektronenmikroskopie zu verknüpfen. Dadurch lassen sich nicht nur dynamische Prozesse bis in den Nanometerbereich untersuchen, sondern auch seltene Ereignisse in Zellen oder Organismen präzise lokalisieren. Die Lichtmikroskopie hat den Vorteil, dass sie einen großen Bildausschnitt abbilden kann und durch fluoreszierende Markierungen in lebenden und fixierten Proben funktionelle Informationen liefert. Kombiniert mit der Elektronenmikroskopie können diese Informationen auch in Form von detaillierten Bildern mit einer Auflösung im mNanometerbereich dargestellt und miteinander in Beziehung gesetzt werden. Zwei verschiedene Techniken werden somit also zu einem einzelnen System zusammengeführt, das für den medizinischen Sektor neuartige und wertvolle Erkenntnisse liefert.

Weltweit einziger Anbieter

Als weltweit einziger Anbieter, der Licht, Elektronen- wie auch Röntgenmikroskope entwickelt, produziert und vertreibt, ist es für ZEISS naheliegend, Lösungen für die korrelative Mikroskopie anzubieten. Heute stehen verschiedene technische Lösungen für unterschiedlichste Anwendungen in diesem Bereich zur Verfügung. Damit ist ZEISS der Brückenschlag zwischen der Elektronen- und Lichtmikroskopie gelungen. Forschern und Wissenschaftlern steht nun ein zukunftsweisendes Instrument zur besseren Erforschung
von Lebensprozessen und Krankheiten zur Verfügung. Einen Bestandteil der notwendigen Technologieplattform in diesem Zusammenspiel der Mikroskopie können die hochmodernen Rasterelektronenmikroskope ZEISS MERLIN bilden. Diese zeichnen sich insbesondere durch eine ultraschnelle Analysefähigkeit im Subnanometerbereich kombiniert mit flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten aus. Die innovative technische Spezifikation ermöglicht es, Spannung oder Sondenstrom nahtlos über Vergrößerungsstufen hinweg auf Anwendung und Probe abzustimmen, ohne dass eine Nachjustierung notwendig ist. Mit dem modularen
Kammeraufbau, der über 15 Adaptierungen für weitere Module verfügt, kann ZEISS MERLIN individuell an
unterschiedlichste Anwendungen angepasst werden, vom Rasterelektronenmikroskop bis hin zum kompletten Labor für Nanocharakterisierung.

Maximale Anforderungen

Zur Entwicklung dieses hochmodernen Rasterelektronenmikroskops (REM) waren neben
den innovativen Lösungen im Bereich der Optik und Feinmechanik insbesondere höchste Anforderungen an das zu integrierende Stromversorgungssystem gestellt. Denn Flexibilität bedeutet, es müssen viele unterschiedliche DC- und AC-Ausgänge vorgehalten werden. Das Gesamtsystem muss eine extrem hohe Ausfallsicherheit garantieren, damit der Return on Invest (ROI) schnell und sicher für den Betreiber erreicht wird. Zur Lösung dieser Herausforderungen kam es daher seit dem Jahr 2010 zu einer intensiven Zusammenarbeit zwischen den Entwicklungsabteilungen der Unternehmen ZEISS und BENNING.

BENNING ist seit mehr als drei Jahrzehnten bekannt für maßgeschneiderte und zuverlässige Stromversorgungen / Netzgeräte, die für medizinische Applikationen eingesetzt werden – u.a. für die Anästhesie und Intensivbeatmung, Dialysesysteme, Herzlungenmaschinen, Dental-Applikationen (z.B. Zahnarztstühle) oder auch Kernspintomographen.

BENNING EMV-Labor Werk 2, Bocholt | Im Rasterelektronenmikroskop MERLIN verwendete AC-Einheit

Erschütterungsfrei und betriebssicher

Bereits kleinste mechanische Schwingungen oder Erschütterungen führen bei den Rasteraufnahmen im Nanometerbereich (10-9 m) zu Unschärfe und Verzerrungen in der Aufnahme.
Das Ziel des Entwicklungs- und Fertigungsauftrages war es daher, zukünftig auf ein Netzgerät zurückgreifen zu können, dass keine mechanischen Schwingungen im NF-Bereich verursacht. Insofern konnte nur ein Netzgerät mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad bei einer Konvektionskühlung in Betracht gezogen werden.

Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung des Netzgerätes bestand darin, eine Restwelligkeit von < 2mV auf den DC-Ausgängen zu generieren, damit sich diese nicht im Kathodenstrahl des ERM überlagert.
Flexibel und scharf

Das Netzgerät verfügt über 18 AC-Ausgänge – wovon 6 Stück regelbar sind – und 26 Stück einstellbare DC-Ausgänge. Um die Arbeitspunkte der Linearverstärker zu optimieren, müssen die DC-Spannungen bzw. DC-Ausgänge in einem Toleranzbereich von +-20 % per Management-Software (CAN-Bus basierend) angepasst respektive abgespeichert werden können.
Durch spezielle Designs der Wickelgüter ist es gelungen, geringste Koppelkapazitäten zu realisieren, um das Nutzsignal des ERM von Brummschleifen freizuhalten.

Entwicklung und Qualitätssicherung

Die Entwicklung eines solch anspruchsvollen individuellen Netzteils erfolgt im permanenten Dialog zwischen den Entwicklungsabteilungen der beteiligten Unternehmen. BENNING entwickelte und fertigte auf Basis der von ZEISS vorgegebenen Spezifikationen zunächst einige Erstfunktionsmuster. Die theoretisch berechneten Leiterkarten konnten dann von beiden Entwicklungsabteilungen unter Praxisbedingungen im Detail getestet und optimiert werden.
Im Hause BENNING erfolgten zeitgleich die ersten EMV-Tests im hauseigenen EMV-Labor (vgl. Abb.unten).
Alle Ergebnisse flossen zusammen, wurden entsprechend ausgewertet und gingen in den Aufbau des Redesigns ein. Die neuen Prototypen (Vorseriengeräte) wurden bereits unter realen Produktionsbedingungen gefertigt, um den Anforderungen an die spätere Serienfertigung gerecht zu werden. Während ZEISS die Vorseriengeräte weiter im System testete und ausgewählten Instituten einige Earlybirds im Rahmen eines Feldtests zur Verfügung stellte, begann BENNING bereits mit dem Zulassungsprozess – u.a. nach UL- und CB-Report-Normen. Parallel dazu wurden die Ergebnisse der Feldtests weiter genutzt, um das Gesamtsystem für die finale Serienfertigung zu optimieren.

Erwartungen übertroffen

Die entwickelte BENNING-Lösung zeigt viele gute und positive Eigenschaften, sodass ZEISS dieses Lösungskonzept bereits in weitere Applikationen implementiert hat. Heute werden weltweit alle ZEISS MERLIN-Rasterelektronenmikroskope mit BENNING-Netzgeräten ausgestattet.