Jahresbericht 2004 - METAS

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N a t i o n a l e M e s s b a s i s
Grundlagen für
marktgerechte Dienstleistungen
Keine Messung ist genauer als das benutzte Normal. Zur Kalibrierung und
Qualifizierung der mit den neusten Technologien auf den Markt gelangenden
Instrumente braucht es deshalb Normale und Messeinrichtungen, die bezüglich
Genauigkeit einen Marktvorsprung haben müssen.
Die Produktegruppe Nationale Messbasis umfasst die Realisierung, Bereitstellung
und Bewahrung der SI-Einheiten. Dazu gehört die Weiterentwicklung
der Normale und Messeinrichtungen, die für die Erbringung aller
metrologischen Dienstleistungen des METAS in der benötigten Genauigkeit
erforderlich sind. Diese Tätigkeiten sind aufwändig und geschehen nur dort,
wo ein ausgewiesener Bedarf von Wirtschaft und Gesellschaft vorhanden ist.
Nebst anderen Gebieten wurden im Berichtsjahr speziell in der Optik bedeutende
Verbesserungen der nationalen Normale erzielt.
Neues Normal für die optische Strahlungsmessung
Die optische Strahlungsmessung ist beim Schutz der Bevölkerung vor
gefährlicher Strahlung, bei der globalen Umweltüberwachung, der Entwicklung
neuer Lichtquellen und in der Lichtmesstechnik von grosser Bedeutung.
Zwecks Verbesserung der Messgenauigkeit wurde am METAS ein Primärnormal
für die optische Strahlungsmessung aufgebaut. Es besteht aus einem
Tiefsttemperatur-Radiometer (Kryoradiometer), das die Bestimmung der
optischen Strahlungsleistung mit einer relativen Genauigkeit unterhalb 10 -4
erlaubt (siehe Bild auf Seite 5).
Der Hauptbestandteil des Kryoradiometers ist ein kleiner schwarzer Hohlraum
(Kavität), der über eine Wärmebrücke an ein Kältereservoir angeschlossen
ist. Die Arbeitstemperatur beträgt wenige Kelvin und wird mit Hilfe von
flüssigem Helium erreicht. Durch Absorption der eintretenden Strahlung
erwärmt sich die Kavität und es entsteht ein Wärmefluss zum Kältereservoir.
In einer zweiten Phase wird mit Hilfe eines Regelkreises der gleiche Wärmefluss
durch elektrisches Heizen eingestellt. Unter idealen Bedingungen entspricht
die dafür notwendige und gut messbare elektrische Leistung der zu
bestimmenden optischen Leistung.
Dank der tiefen Temperatur können für wichtige Materialeigenschaften wie
Wärmeleitfähigkeit oder Wärmekapazität optimale Werte erzielt werden.
Ausserdem kann der Einfluss der Umgebungsstrahlung dank supraleitender
elektrischer Zuleitungen und durch geeignete Abschirmung minimiert
werden. Die Fachbereiche Radiometrie und Photometrie profitieren vom
neuen Kryoradiometer. Die Rückverfolgbarkeit auf das SI kann nun jederzeit
in höchster Genauigkeit erfolgen. Neu sind auch die in der optischen Telekommunikation
durchgeführten Leistungsmessungen direkt rückverfolgbar.
Von wissenschaftlichem Interesse ist der Vergleich mit der optischen Strahlungsmessung
in der Meteorologie. Erste erfolgreiche Vergleichsmessungen
mit dem Weltstrahlungszentrum des Physikalisch-Meteorologischen Observatoriums
(PMOD/WRC) in Davos wurden bereits unternommen. Die vom
PMOD/WRC eingesetzten Radiometer werden
typischerweise zur Langzeitüberwachung
der Sonnenbestrahlung eingesetzt.
Aber auch die METAS-Kunden profitieren
direkt vom neuen Gerät: Bedingt durch die
Eigenschaften des Kryoradiometers ist ein
breiterer Wellenlängenbereich als früher für
die optische Strahlungsmessung in höchster
Genauigkeit zugänglich. Das Projekt profitierte
wesentlich vom Know-how, das im METAS
seit Jahren auf dem Gebiet der Kryotechnik
etabliert ist. Das neue Normal für die optische
Strahlungsmessung ist in einem Labor
der 2001 in Betrieb genommenen Erweiterungsbauten
untergebracht, das ideale klimatische
Bedingungen aufweist.
Neues Wellenlängennormal
im Infrarotbereich
Die Faseroptik ist eine der Schlüsseltechnologien
moderner Telekommunikationssysteme.
Bei den in den Lichtwellenleitern verwendeten
Übertragungstechniken muss die Wellenlänge
des verwendeten Laserlichts immer
häufiger genau bekannt sein. Die Bestimmung
der Wellenlängen in der benötigten Genauigkeit
wird normalerweise mit Hilfe von
Interferometern realisiert. Moderne Instrumente
sind in der Lage, relative Messunsicherheiten
unterhalb 1 x 10 -7 zu erreichen.