Adaptación de un mecanismo voice coil de disco duro como obturador óptico criogénico para el espectrógrafo HARMONI. Especificación: 30 mm en 20 ms. Caracterización en criostato a −195 °C y presión de 10⁻⁷ bar.
Adaptation of a hard drive voice coil mechanism as a cryogenic optical shutter for the HARMONI spectrograph. Specification: 30 mm in 20 ms. Characterisation in a cryostat at −195 °C and 10⁻⁷ bar pressure.
CE
Cristian EstévezInvestigación · IAC · HARMONI · Noviembre 2016Research · IAC · HARMONI · November 2016
Obturador voice coil de disco duro (Seagate ST340014A) adaptado para operación criogénica. Ensayo de caracterización a temperatura ambiente con cámara de alta velocidad.
El obturador óptico de HARMONI debe tapar y destapar el camino óptico del detector con alta repetibilidad. La especificación era exigente: recorrer 30 mm en menos de 20 ms de forma fiable a temperaturas criogénicas y en vacío.
¿Por qué un disco duro?
El mecanismo actuador de los discos duros es un voice coil altamente optimizado: enorme relación fuerza-masa, respuesta ultrarrápida y coste despreciable. Tras evaluar solenoides, obturadores rotativos y voice coils comerciales, el disco duro resultó ser la mejor solución técnica y económica. Se seleccionó el Seagate ST340014A por su estructura de bobina metálica —no plástica— fundamental para la disipación de calor en vacío.
Los modelos con estructura de bobina plástica fallaron a 45 K: el vacío impide la disipación de calor y el hilo se funde. Solo los modelos metálicos sobrevivieron al ciclo criogénico completo.
Campaña de ensayos
Se realizaron 18 ciclos de inmersión en nitrógeno líquido. Ningún daño en bobina ni en flex-print. Las pruebas de velocidad a temperatura ambiente —registradas a 1 200 fps y analizadas en Matlab— mostraron que el rebote en los topes mecánicos alarga el tiempo de maniobra por encima de los 20 ms requeridos.
Siguiente paso
La solución identificada para eliminar el rebote es el control en lazo cerrado de corriente, que amortigua el movimiento antes del impacto. La robustez mecánica del actuador a criogenia quedó completamente demostrada.
Fin del proyecto
Hard drive voice coil shutter (Seagate ST340014A) adapted for cryogenic operation. Room-temperature characterisation test with high-speed camera.
HARMONI's optical shutter must cover and uncover the detector's optical path with high repeatability. The specification was demanding: 30 mm travel in under 20 ms, reliably at cryogenic temperatures and in vacuum.
Why a hard drive?
The hard drive's actuator mechanism is a highly optimised voice coil: exceptional force-to-mass ratio, ultra-fast response, and negligible cost. After evaluating solenoids, rotary shutters and commercial voice coils, the hard drive proved to be the best technical and economic solution. The Seagate ST340014A was selected for its metal coil structure — not plastic — which is critical for heat dissipation in vacuum.
Plastic-coil models failed at 45 K: vacuum prevents heat dissipation and the wire melts. Only metal-coil models survived the full cryogenic cycle.
Test campaign
18 liquid nitrogen immersion cycles were completed. No damage to coil or flex-print. Room-temperature speed tests — recorded at 1,200 fps and analysed in Matlab — showed that bounce at the mechanical stops extends travel time beyond the required 20 ms.
Next step
The identified solution to eliminate bounce is closed-loop current control, which damps the motion before impact. The mechanical robustness of the actuator under cryogenic conditions was fully demonstrated.
