Study and preliminary design of a thermal control system for the optical components of BEaTriX facility

BEaTriX (Beam Expander Testing X-ray facility) , developed at INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, is a vacuum-based facility designed to generate a broad, collimated, and monochromatic X-ray beam for the functional testing of X-ray optics modules. A key requirement for the success of the facility is the thermal stability of the entire system, from the laboratory environment to the stepper motor used to precisely position optical elements within the vacuum chamber. This thesis addresses the thermal issues associated with stepper motor operation under vacuum and proposes an integrated solution combining software (developed and validated) and hardware approaches (developed but not validated). A current reduction procedure was implemented using the SPII Plus MMI interface to dynamically reduce the holding current when the motor is stationary, significantly lowering the heat generated during operations, since the motors are operated in closed loop.The results demonstrate a marked reduction in motor temperature and thermalization time, confirming the effectiveness of the software approach. In parallel, a dedicated thermal resistance-based cooling model (later discarded for inaccuracy) and a finite element model were developed to guide the design of a passive heat dissipation system. First the finite element thermal simulations were performed to predict the steady-state behavior of the TCS with DT-80 stepper motor, the model adopted for this study. These simulations were validated through controlled experimental tests conducted in gOlem vacuum chamber. Later a full thermal model, for the BEaTriX system, was designed and simulated based on the test conducted on the DT-80. The results confirm a minor efficiency for the passive thermal system, suggesting for an active thermal control system . The methodology and findings presented in this work contribute to the reliable thermal management of stepper motors in high-precision, vacuum-based environments like BEaTriX, and are applicable to similar systems operating under thermal constraints.

BEaTriX (Beam Expander Testing X-ray facility), sviluppato presso l’INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, è un impianto in vuoto progettato per generare un fascio X ampio, collimato e monocromatico per il collaudo di ottiche a raggi X. La stabilità termica dell’intero sistema, inclusi i motori passo-passo impiegati per il posizionamento preciso degli elementi ottici, è fondamentale per il corretto funzionamento. La presente tesi affronta le problematiche termiche associate al funzionamento dei motori passo-passo in ambiente di vuoto, proponendo una soluzione integrata che combina approcci software (sviluppati e validati sperimentalmente) e hardware (sviluppati ma non ancora validati). In particolare, è stata implementata una procedura di riduzione della corrente attraverso l’interfaccia SPII Plus MMI, che consente di diminuire la corrente di mantenimento quando il motore è in posizione, riducendo il calore generato in quanto il motore opera in anello chiuso. Parallelamente, sono stati sviluppati un modello di raffreddamento basato su resistenze termiche (successivamente scartato per scarsa accuratezza) e un modello agli elementi finiti (FEM), con l’obiettivo di guidare la progettazione di un sistema passivo di dissipazione del calore. Le FEM sono state eseguite per prevedere il comportamento stazionario del sistema di controllo termico (TCS) con il motore DT-80, selezionato come riferimento per questo studio. Tali simulazioni sono state successivamente validate tramite test sperimentali controllati condotti nella camera da vuoto gOlem. Sulla base di tali risultati, è stato poi realizzato e simulato un modello termico completo della camera ottica di BEaTriX. I risultati ottenuti mostrano una significativa riduzione della temperatura del motore e del tempo di termalizzazione, confermando l’efficacia dell’approccio software, mentre l’efficienza del sistema passivo di dissipazione è risultata limitata, suggerendo la necessità di un sistema di controllo termico attivo. La metodologia e i risultati presentati in questo lavoro offrono un contributo concreto alla gestione termica affidabile di motori passo-passo in ambienti di vuoto ad alta precisione come BEaTriX, e possono essere applicati anche a sistemi analoghi sottoposti a vincoli termici.