news2013.1 - PTB

news
Wissenschaftliches Nachrichtenblatt
12013
Die PTB-News sind das wissenschaftliche
Nachrichtenblatt der Physikalisch-Technischen
Bundesanstalt (PTB). Sie richten
sich an Kooperationspartner der PTB in
Wirtschaft, Wissenschaft und an alle anderen
Interessenten.
Forschungsnachrichten
Mini-Sensor misst Magnetfelder
des Gehirns
Hochempfindliche Magnetfeldmessungen
sind jetzt bei Raumtemperatur
möglich 2
Kräfte dynamisch kalibrierbar
Rückgeführte dynamische Kalibrierung
von Kraftaufnehmern 3
Genaue Windgeschwindigkeitsmessungen
Rückgeführtes Doppler-Lidar-System
zur Windpotenzialanalyse und Leistungskurvenvermessung
von Windenergieanlagen
4
Ungestörte Anregung mit gepulstem
Licht
Neues Verfahren zur Laseranregung
in optischen Atomuhren 5
Großer Detektor für kleine
Teilchen
Vakuumtauglicher Röntgendetektor ermöglicht
Messungen bei niedrigen Photonenenergien
Besonders interessant für
• dimensionelle Nanometrologie
• Medizin
• Biotechnologie
In Kooperation mit der PTB hat die
Schweizer Firma Dectris hat eine vakuumtaugliche
Version ihres Röntgendetektors
Pilatus entwickelt, mit dem
auch Photonenenergien unterhalb von
5 keV erreicht werden können. Damit
lassen sich beispielsweise Experimente
zur Größenbestimmung von Nanopartikeln
mit Röntgenkleinwinkelstreuung
(Small Angle X-ray Scattering,
SAXS) auch an den Absorptionskanten
der leichten Elemente Calcium, Schwefel,
Phosphor oder Silizium mit hoher
Dynamik und Ortsauflösung durchführen.
Insbesondere ist dies für die
Untersuchung biologischer Proben von
Bedeutung.
Durch SAXS mit Synchrotronstrahlung
werden im PTB-Labor am Elektronenspeicherring
BESSY II die Größe von
Nanopartikeln oder die dimensionellen
Parameter von nanostrukturierten
Oberflächen bestimmt. Mit dem neuen
Detektor haben sich die Messmöglichkeiten
insbesondere bei schwach streuenden
Proben und bei elementspezifischen Untersuchungen
entscheidend verbessert.
Eingesetzt wird dies zum Beispiel im
Rahmen von Projekten des Europäischen
Metrologie-Forschungsprogramms
EMRP, bei denen komplexe biologische
Nanoobjekte und Nanopartikel in
komplexen biologischen Matrices durch
SAXS-Messungen mit Synchrotronstrahlung
dimensionell charakterisiert
Eine Basis für lange Strecken
600-m-Pfeilerstrecke der PTB zur Kalibrierbasis
für geodätische optische
Entfernungsmesser ausgebaut 6
Technologietransfer
Mikro-Sensor für Nanokräfte 7
Objekte an verdeckten Stellen
messen 7
Kontinuierliche Strahlung aus
Laserpulsen 7
Verschiedenes
Auszeichnungen, Termine,
Die PTB auf Messen und Tagungen,
Publikationen 8
Röntgenkleinwinkelstreubild einer multilamellaren Liposom-Probe, aufgenommen bei einer
Photonenenergie von 3 keV mit einem vakuumtauglichen Pilatus-Detektor am FCM-Strahlrohr
der PTB bei BESSY II.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin
Nationales Metrologieinstitut
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PTB-News, Heft 1 | 2013
werden. Einer der Schwerpunkte liegt dabei
zurzeit auf Mikrovesikeln, die in allen
Körperflüssigkeiten vorhanden sind. Mediziner,
beispielsweise am Amsterdam
Medical Center, das an einem der Projekte
maßgeblich beteiligt ist, wollen die
Größenverteilung der Mikrovesikel zur
Früherkennung von Krankheiten nutzen.
Die apparative Weiterentwicklung des
Hybrid-Pixel-Detektors Pilatus betrifft
vor allem die räumliche Trennung der
Detektormodule mit insgesamt einer
Million Pixel, die sich nun in Vakuum
befinden, und einem Teil der hochkomplexen
Detektorelektronik, der u. a. aus
Gründen der Kühlung an Luft betrieben
werden muss. Der Betrieb der Detektormodule
im Vakuum erlaubt das
Experimentieren mit Röntgenstrahlung
auch bei niedriger Photonenenergie,
die an Luft zu stark absorbiert würde.
Das weltweit erste Gerät eines vakuumkompatiblen
Pilatus-Detektors, der aus
10 Modulen besteht und bei einer Pixelgröße
von 172 µm eine Gesamtfläche von
17 cm × 18 cm aufweist, wurde im Juni
2012 erfolgreich im PTB-Labor bei BES-
SYII in Betrieb genommen. In Zusammenarbeit
mit dem Helmholtz-Zentrum
Berlin und dem Zentrum für Naturwissenschaften
der ungarischen Akademie
der Wissenschaften konnten dabei am
Vierkristall-Monochromator-Strahlrohr
(Four Crystal Monochromator, FCM)
im PTB-Labor bei BESSY II erste SAXS-
Bilder von einer multilamellaren Liposom-Probe
bei einer Photonenenergie
von 3 keV aufgenommen werden. Liposomen
sind Membranvesikel aus Lipa-
Doppelschichten mit Strukturgrößen im
Nanometerbereich, die in den Bereichen
Medizin, Pharmakologie, Biotechnologie
und Kosmetik von Bedeutung sind. In
Zukunft soll der Detektor auch für Weit-
winkelstreuung (WAXS), Kleinwinkelstreuung
in Reflexion unter streifendem
Einfall (GISAXS) und andere Röntgentechniken
eingesetzt werden.
Ansprechpartner
Michael Krumrey
Fachbereich 7.1 Radiometrie mit
Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7110
E-Mail: michael.krumrey@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
T. Donath, S. Brandstetter, L. Cibik,
S. Commichau, P. Hofer, M. Krumrey,
B. Lüthi, S. Marggraf, P. Müller,
M. Schneebeli, C. Schulze-Briese,
J. Wernecke: Characterization of the
PILATUS photon-counting pixel detector
from 1.75 keV to 60 keV.
J. Phys. Conf. Ser. 425, 062001 (2013)
Mini-Sensor misst Magnetfelder des
Gehirns
Hochempfindliche Magnetfeldmessungen sind jetzt bei Raumtemperatur möglich
Besonders interessant für
• Neurologen
• Anwender therapeutischer
magnetischer Nanopartikel
Die winzigen Magnetfelder des menschlichen
Gehirns stellen höchste Anforderungen
an die Messtechnik. Deshalb
wurden für ihre Messung bisher ausschließlich
die (auch an der PTB mitentwickelten)
SQUIDs verwendet. Ein am
amerikanischen NIST entwickelter Sensor
von der Größe eines Würfelzuckers
kommt ohne Supraleitung aus und kann
dennoch winzige Magnetfelder messen.
Mit einem erfolgreichen Test in den
weltweit einzigartigen Messeinrichtungen
der PTB wurde jetzt die Praxistauglichkeit
des neuen Sensortyps bewiesen.
SQUIDs (Superconducting Quantum
Interference Devices) sind die zurzeit
empfindlichsten Magnetfeldsensoren. Sie
brauchen jedoch eine aufwendige Kühlung
in einem Kryogefäß, das regelmäßig
mit flüssigem Helium
gefüllt werden
muss. Doch
schon jetzt macht
die weltweite Verknappung
der Heliumressourcen
den Nutzern der
SQUID-Messtechnik
zunehmend
Sorgen. Außerdem
sind die SQUIDs
in einer festen
Anordnung im
thermisch isolierten
Inneren eines
Kryogefäßes montiert.
Gerade für
biomedizinische Anwendungen wären
aber kleine, handliche Sensoren ideal, die
flexibel am Kopf angebracht werden können.
Eine typische Anwendung ist das sogenannte
MEG (Magnetenzephalogramm),
bei dem die sehr schwachen Magnetfelder
gemessen werden, die das Gehirn bei
Vier im Bereich der motorischen und sensorischen Gehirnareale auf den
Kopf eines Probanden geklebte CSAM-Magnetfeldsensoren. Die würfelförmigen
Sensoren sind ähnlich einfach zu handhaben wie Elektroden. Kleines
Bild: Dimension des Sensors und der zur lokalen Modulation des Feldes auf
den Sensor aufgebrachten Spule (in der Aufsicht auf den Würfel).
der Arbeit erzeugt. Die Aufnahme eines
solchen MEG ist beispielsweise für die
Diagnostik der Epilepsie oder in der neurologischen
Grundlagenforschung von
Bedeutung. Ein anderes Beispiel ist die
Messung der Felder von magnetischen
Nanopartikeln, die Patienten zu therapeutischen
Zwecken verabreicht wurden
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin
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Nationales Metrologieinstitut

Forschungsnachrichten
und deren Verteilung im Körper genau
kontrolliert werden muss.
Für solche Anwendungen eignet sich
der neue, bei Raumtemperatur arbeitende
Sensortyp, der am amerikanischen
NIST entwickelt wurde. Das sogenannte
Chip-scale Atomic Magnetometer
(CSAM) besteht im Wesentlichen aus einer
mit Rubidiumgas gefüllten Zelle und
einer Mikrooptik. Die Wechselwirkung
des Elektronenspins der Rubidium-Atome
mit einem Magnetfeld dient als hochempfindliches
Maß für die Feldstärke.
Die Sensoren, die nicht größer sind als
ein Zuckerwürfel, lassen sich wie Elektroden
beliebig auf der Haut des Patienten
positionieren. Dieser Sensortyp wurde
jetzt im „magnetisch ruhigsten Raum
der Erde“ der PTB in Berlin auf seine
Praxistauglichkeit getestet. Im Vergleich
mit dem „Goldstandard“, den SQUIDs,
hat er ein um den Faktor 5 bis 10 höheres
Rauschen. Dies wird aber durch den
verringerten Abstand zwischen Sensor
und Quelle kompensiert. Außerdem ist
er wesentlich vielseitiger einsetzbar. Man
kann davon ausgehen, dass der neue Sensortyp
viele neue Anwendungen hochempfindlicher
magnetischer Messtechnik
erschließt – möglicherweise nicht nur
für biomagnetische Untersuchungen.
Kräfte jetzt dynamisch kalibrierbar
Ansprechpartner
Tilmann Sander-Thömmes
Fachbereich 8.2 Biosignale
Telefon (030) 3481-7436
E-Mail:
tilmann.sander-thoemmes@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
T. Sander-Thömmes, J. Preusser, R.
Mhaskar, J. Kitching, L. Trahms, S.
Knappe: Magnetoencephalography
with a chip-scale atomic magnetometer.
Biomedical Optics Express 3,
981–990 (2012)
Rückgeführte dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern mithilfe von
sinusförmiger Anregung
Besonders interessant für
• Materialprüfmaschinenhersteller
• Automobil-, Flugzeug-Industrie
Dynamische Kräfte, wie sie etwa bei
dynamischen Tests mit Materialprüfmaschinen
auftreten, lassen sich mit
bisherigen Messmethoden leider nur
unzulänglich messen. Ein in der PTB
entwickeltes Verfahren macht erstmals
rückgeführte Kalibrierungen von dynamischen,
also zeit- und frequenzabhängigen
Messungen in einem Frequenzbereich
von 40 Hz bis 2 kHz mit Kräften
bis zu 2 kN möglich.
Industrielle Anwendungen benötigen
dynamische Kraftkalibrierungen, beispielsweise
für Materialprüfmaschinen
oder Teststände in der Automobil- und
Flugzeugindustrie. Während es für die
statische Kalibrierung von Kraftaufnehmern
seit einigen Jahrzehnten sehr
präzise Verfahren gibt, mit denen eine
rückgeführte Kalibrierung mittels Direktbelastungsmaschinen
durchgeführt
werden kann, ist die dynamische Kalibrierung
solcher Kraftaufnehmer noch
nicht so weit entwickelt.
Bei der neuen Methode aus der PTB
werden im Grunde dieselben Gesetzmäßigkeiten
genutzt wie bei der statischen
Kalibrierung: Man erzeugt die Kraft
Messanordnung zur dynamischen Kalibrierung von Kraftaufnehmern. Ein mit einer Zusatzmasse
versehener Kraftaufnehmer wird mittels eines „Shakers“ sinusförmig angeregt. Die Beschleunigung der
Zusatzmasse wird mittels eines Laser-Scanning-Vibrometers gemessen.
durch Auflegen von Massescheiben.
Gemäß dem Newton‘schen Gesetz ist
Kraft = Masse × Beschleunigung, wobei
hierbei die Fallbeschleunigung wirkt.
Die dynamische Kalibrierung wird
möglich, indem der Kraftaufnehmer auf
einem elektrodynamischen Schwingerreger
(Shaker) zu sinusförmigen
Schwingungen angeregt wird. Die Auslenkungsamplitude
des Shakers ist im
Wesentlichen abhängig von der Frequenz
und liegt im Bereich von einigen
Mikrometern bis Zentimetern. Der zu
kalibrierende Kraftaufnehmer wird mit
einer Zusatzmasse versehen und deren
Beschleunigung dann mit einem Laservibrometer
gemessen. Das Produkt aus
Beschleunigung und Masse ist gleich
der wirkenden dynamischen Kraft. Das
Kalibrierergebnis ist die dynamische
Sensitivität als Quotient aus dem elektrischen
Signal des Kraftaufnehmers
und der dynamischen Kraft als Funktion
der Frequenz. Durch Verwendung
eines Laser-Scanning-Vibrometers kann
die Beschleunigung nicht nur an einem
Punkt, sondern auf der ganzen Oberfläche
der Zusatzmasse gemessen werden.
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Nationales Metrologieinstitut
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PTB-News, Heft 1 | 2013
Dadurch ist es möglich, gewisse parasitäre
Einflüsse wie eventuelle Taumelbewegungen
der Zusatzmasse zu erkennen
und in die Unsicherheitsangaben einzubeziehen.
Mit diesem Verfahren können
unterhalb der Resonanzfrequenz der
Messanordnung, die von der Größe der
Zusatzmasse abhängt, relative Messunsicherheiten
von 0,5 % bis 1,0 %,
darüber von einigen Prozent erreicht
werden. Das Verfahren wird seit Kurzem
als Dienstleistung der PTB angeboten.
Ansprechpartner
Christian Schlegel
Fachbereich 1.2 Festkörpermechanik
Telefon: (0531) 592-1230
E-Mail: christian.schlegel@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
Chr. Schlegel, G. Kieckenap, B. Glöckner,
A. Buß, R. Kumme: Traceable periodic
force calibration, Metrologia 49, 224–235
(2012)
Genaue Windgeschwindigkeitsmessungen
Rückgeführtes Doppler-Lidar-System zur Windpotenzialanalyse und
Leistungskurvenvermessung von Windenergieanlagen
Besonderes Interessant für
• die Windenergiebranche
Messvolumen
Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit
von Windparks werden Windpotenzialanalysen
durchgeführt, die bislang
auf der Messung von Windgeschwindigkeiten
mithilfe von Messmasten
beruhen. Ein in der PTB entwickeltes
Doppler-Lidar-System zur rückgeführten
bodengestützten laseroptischen
Windgeschwindigkeitsmessung könnte
in Zukunft aufwendig zu errichtende
Messmasten überflüssig machen.
Wesentliche Grundlage bei der Planung
von Windparks sind Windpotenzialanalysen
zur Bewertung der Windverhältnisse
am beabsichtigten Standort.
Zusammen mit der vermessenen Leistungskurve
der dort aufzustellenden
Windkraftanlagen kann die im Jahresmittel
zu erwartende produzierte elektrische
Energie berechnet werden. Dies ist
unerlässlich zur Beurteilung der Rentabilität
eines Windparks.
Sowohl für Windpotenzialanalysen
als auch für Leistungskurvenvermessungen
ist es nötig, die Windgeschwindigkeitsprofile
in Höhe der Rotorblätter
zu erfassen. Dies geschieht bislang mit
rückgeführten, also von akkreditierten
Kalibrierlaboratorien kalibrierten Anemometern,
die an Messmasten montiert
sind. Da Windenergieanlagen tendenziell
immer höher werden, wächst auch
der Aufwand für den Bau dieser Masten
beträchtlich. Daher wird zurzeit untersucht,
ob stattdessen auch wirtschaftli-
Messvolumina
Links: Konventionelles Wind-Lidar-System, das den Windvektor durch Messung einzelner Geschwindigkeitskomponenten
über unterschiedliche, ausgedehnte Messvolumina anhand der Dopplerverschiebung
des Streulichts bestimmt. Rechts: PTB-Konzept mit räumlich getrennten Empfängern (RX) und
Sender (TX), das eine vektorielle Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem definierten
Messvolumen ermöglicht.
chere Fernmessverfahren auf Basis von
Doppler-Lidar-Systemen eingesetzt werden
können. In der Windenergiebranche
publizierte Untersuchungsergebnisse
weisen auf vielversprechende Möglichkeiten
der Lidar-Technik hin. Doch fehlen
noch geeignete Verfahren zur messtechnischen
Rückführung.
Die in der Windenergiebranche eingesetzten
Wind-Lidar-Systeme enthalten
üblicherweise eine gemeinsame Sende-/
Empfangsoptik (Abbildung links), sodass
Sende- und Empfangsstrahl übereinander
liegen (monostatisch, monoaxial). Bei
diesem Verfahren wird die Strömungsge-
schwindigkeitskomponente in Strahlrichtung
mit einer Höhenauflösung von
ca. 20 m gemessen, wobei der Strahl zur
vollständigen Erfassung des Geschwindigkeitsvektors
in verschiedene Richtungen
geschwenkt wird. Für den geplanten
Einsatzzweck wäre jedoch eine bessere
Höhenauflösung wünschenswert. Außerdem
können in unebenem Gelände
Strömungsinhomogenitäten über den
Schwenkbereich des Strahls zu Verfälschungen
des Messergebnisses führen.
Die Folge sind Messabweichungen von
bis zu 10 %, die eine Rückführung von
Lidar-Windgeschwindigkeitsmessungen
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Nationales Metrologieinstitut
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Forschungsnachrichten
bisher noch nicht mit der geforderten
Messunsicherheit zulassen.
Das in der PTB entwickelte bistatische
Doppler-Lidar-System mit räumlich
getrennten Sende- und Empfangseinrichtungen
(Abbildung rechts) erlaubt
räumliche Auflösungen im Kubikzentimeterbereich
und die vektorielle Erfassung
der Geschwindigkeit an einem
einzelnen Messort. Dieses System kann
sowohl zum Einmessen eines konventionellen
Systems im jeweiligen Gelände
als auch für die Erstellung rückgeführter
Windpotenzialanalysen und Leistungskurven
genutzt werden.
Ansprechpartner
Michael Eggert
Fachbereich 1.4
Strömungsmesstechnik/Gase
Telefon: (0531) 592-1317
E-Mail: michael.eggert@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
M. Eggert, H. Müller, H. Többen: Doppler-
Lidar-Transfernormal zur Windgeschwindigkeitsmessung:
Aktueller Entwicklungsstand.
20. Fachtagung „Lasermethoden
in der Strömungsmesstechnik“,
S.10/1–10/6 (2012)
Ungestörte Anregung mit gepulstem Licht
PTB präsentiert neues Verfahren zur Laseranregung in optischen Atomuhren
Besonders interessant für
• Entwickler optischer Atomuhren
• Quanten-Informationsverarbeitung
Erstmals wurde in der PTB ein bisher
nur theoretisch vorhergesagtes Verfahren
experimentell bestätigt, mit dem
sich sogenannte „Lichtverschiebungen“
vermeiden und somit die optische Ytterbium-Atomuhr
der PTB zukünftig noch
genauer machen lässt. Darüber hinaus
wird die hier untersuchte „Hyper“-
Ramsey-Anregung für viele Anwendungen
hilfreich sein, bei denen es auf
eine präzise kontrollierte Wechselwirkung
zwischen Atomen und Laserlicht
ankommt.
Sehr genaue Information über die innere
Struktur von Atomen und Molekülen
erhält man durch Anregung mit resonantem
Laserlicht. Leider kann eben jenes
Laserlicht – sofern es intensiv ist – zu
messbaren Veränderungen innerhalb der
Atomhülle führen. Bei dieser „Lichtverschiebung“
wird die Lage der atomaren
Energieniveaus verändert; das Ausmaß
hängt von der Intensität und Wellenlänge
des verwendeten Lasers ab. Ist man an
den Eigenschaften des Atoms als einem
ungestörten Quantenobjekt interessiert,
so muss man diese Verschiebung vermeiden
oder korrigieren.
Bei der sogenannten „Hyper“-Ramsey-
Anregung sorgt eine Folge von Laserpulsen
mit einem speziellen Muster von
Frequenz- und Phasensprüngen dafür,
dass die ungestörte atomare Übergangsfrequenz
direkt wiedergegeben werden kann.
Dies war kürzlich in
einer Zusammenarbeit
von russischen,
amerikanischen
und PTB-Wissenschaftlern
theoretisch
gezeigt worden.
Die experimentelle
Realisierung der
„Hyper“-Ramsey-
Anregung gelang
jetzt in der PTB an
einem atomaren
Übergang, der es
erlaubt, sehr kleine
Frequenzänderungen
nachzuweisen,
und der gleichzeitig
eine große Lichtverschiebung
aufweist, da zu seiner Anregung
eine hohe Laserintensität benötigt wird. Es
handelt sich um einen elektrischen Oktupolübergang
im Yb + -Ion, der in der PTB
als Basis einer optischen Uhr untersucht
wird. Das Experiment konnte die theoretischen
Vorhersagen über die Vorteile der
„Hyper“-Ramsey-Anregung bestätigen
und erreichte eine zehntausendfache Unterdrückung
der Lichtverschiebung.
Kombiniert man die gegenwärtig maximal
erreichbare spektrale Auflösung mit
einer optimierten Experimentsteuerung,
lässt sich der Beitrag der Lichtverschiebung
zur systematischen Unsicherheit der
Ytterbiumuhr auf unter 10 –17 reduzieren;
die Uhr wird also deutlich genauer. Darüber
hinaus dürfte die neue Methode
auch für andere Untersuchungen interessant
sein, bei denen es auf eine präzise
kontrollierte Wechselwirkung zwischen
Ein spezielles Muster der Frequenz des Anregungslichtes mit definierten
Phasensprüngen erlaubt in der Yb + -Einzelionenuhr die Unterdrückung der
Lichtverschiebung und damit eine höhere Genauigkeit.
Atomen und Laserlicht ankommt, etwa auf
dem Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung.
Ansprechpartner
Ekkehard Peik
Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz
Telefon: (0531) 592-4400
E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
N. Huntemann, B. Lipphardt,
M. Okhapkin, Chr. Tamm, E. Peik,
A.V. Taichenachev, V.I. Yudin: Generalized
Ramsey excitation scheme with
suppressed light shift. Phys. Rev. Lett.
109, 213002 (2012)
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PTB-News, Heft 1 | 2013
Eine Basis für lange Strecken
600-m-Pfeilerstrecke der PTB zur Kalibrierbasis für geodätische optische Entfernungsmesser
ausgebaut
Besonders interessant für
• Hersteller von geodätischer
entfernungsmesstechnik
• Institute für Ingenieurgeodäsie
• Ingenieurbüros
• Vermessungsämter
Elektrooptische Distanzmesser können
auf einer neu ausgestatteten Kalibrierbasis
der PTB mit geringer Unsicherheit
für Anwendungen unter Umgebungsbedingungen
kalibriert werden.
Die mit umfassender Umweltsensorik,
klimatisiertem Labor und Laserschutzmaßnahmen
ausgestatte Strecke bietet
zudem Nutzern die Möglichkeit, geodätische
Messtechnik bereits im Entwicklungsstadium
zu verifizieren und
zu optimieren.
Erdrutschgefährdete Gebiete, mögliche
zukünftige nukleare Endlager, aber
auch Regionen mit geowissenschaftlich
interessanten tektonischen Eigenschaften
werden weltweit mithilfe von geodätischen
Netzwerken auf Positions-/
Lageveränderungen überwacht, wobei
häufig Änderungen von wenigen zehntel
Millimetern pro Jahr detektiert werden
sollen. Aber auch im klassischen Vermessungswesen,
z. B. zur Katasterarbeit in
wertvollen Innenstadtlagen, werden zunehmend
entsprechende Anforderungen
an die Genauigkeit der Messung gestellt.
Dafür werden insbesondere elektrooptische
Distanzmesser (EDM) verwendet,
zu deren Verifizierung und Rückführung
üblicherweise Referenzstrecken dienen.
Bei den geforderten Genauigkeiten müssen
diverse Einflussfaktoren auf die bei
optischen Distanzmessungen verwendete
Größe, die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Lichts, genau kontrolliert werden,
etwa Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchte.
Damit beispielsweise bei einer
Messung über eintausend Meter eine
Genauigkeit von 1 mm erreicht werden
kann, muss die mittlere Temperatur entlang
der gesamten zu prüfenden Messstrecke
mit einer Genauigkeit von 1 K
bekannt sein.
Die von der PTB
entwickelte, weltweit
einmalige
Kalibrierbasis ermöglicht
erstmals
entsprechende Genauigkeiten.
Die
aus den 1970er
Jahren stammende
600-m-Pfeilerstrecke
der PTB
wurde mit einem
umfangreichen
kalibrierten Sensornetzwerk
ausgerüstet.
60 Temperatursensoren,
6 Feuchtesensoren
sowie mindestens
2 Drucksensoren
ermöglichen es,
die effektiven Parameter
entlang
des Strahlenweges
alle 30 Sekunden
mit geringen Unsicherheiten
neu
zu bestimmen.
Auf der Strecke
können die wichtigen
Korrekturfaktoren
eines
EDMs unter optimalen
Bedingungen rückführbar mit
erweiterten Unsicherheiten von 61 µm
für die Offsetkorrektur bzw. 8,2 ∙ 10 –7 für
die Maßstabskorrektion ermittelt werden.
Zur Aufnahme empfindlicher Lichtquellen,
die bei Entfernungsmessern der
nächsten Generation eingesetzt werden,
Ansprechpartner
Florian Pollinger
Fachbereich 5.4 Interferometrie an
Maßverkörperungen
Telefon: (0531) 592-5420
E-Mail: florian.pollinger@ptb.de
Verifizierung eines EDMs in der Entwicklungsphase auf der 600-m-Kalibrierbasis.
Die Pfeiler sind mit Zentrierungen ausgerüstet, die Temperatursensoren
mit weißen Schutzhauben versehen. Die Feuchtesensoren sind an
den Messhäuschen angebracht. Aus Laserschutzgründen ist der Zaun mit
blickdichter Folie verkleidet.
ist die Kalibrierbasis am ersten Pfeiler
mit einem klimatisierten Laborcontainer
ausgerüstet. Die Kalibrierbasis steht auch
Vermessungsingenieuren, Firmen und
Vermessungsämtern für eigene Messungen
zur Verfügung.
Wissenschaftliche Veröffentlichung
F. Pollinger, T. Meyer, J. Beyer, N.R.
Doloca, W. Schellin, W. Niemeier,
J. Jokela, P. Häkli, A. Abou-Zeid, K.
Meiners-Hagen: The upgraded PTB
600 m baseline: a high-accuracy reference
for the calibration and the development
of long distance measurement
devices. Measurement Science and
Technology 23, 094018 (2012)
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Nationales Metrologieinstitut

Mikro-Sensor für Nanokräfte
Besonders interessant für
• medizinische Forschung
• Mikro- und Nanotechnologie
Lizenzpartner gesucht
technologietransfer
Interferometer ermöglicht die Kalibrierung
der Auslenkung. Die Entwicklung
basiert auf einem mikroelektromechanischen
System (MEMS), das lithografisch
relativ einfach und kostengünstig hergestellt
werden kann.
Kleine Kräfte müssen gemessen werden,
wenn man etwa die Eigenschaften biologischer
Gewebeproben in der Medizin
oder neuer funktionaler Oberflächen untersucht.
Der neue PTB-Nanokraftsensor
besitzt ein Tastelement, dessen Auslenkung
über kapazitive Kammsensoren de-
tektiert wird. So können kleine Kräfte bis
zu 10 nN erfasst werden. Ein integriertes
Objekte an verdeckten Stellen messen
Besonders interessant für
• Koordinatenmesstechnik
• dimensionelle Messtechnik
Lizenzpartner gesucht
Für hochgenaue Messungen der Dimensionen
großer Objekte werden nachführbare
Laserinterferometer in Koordinatenmessgeräte
eingebunden. Dabei werden
die Messpunkte auf der Objektoberfläche
angetastet und ihre Position interferometrisch
bestimmt. Bei großen Objekten wie
z. B. Zahnrädern kann u. U. das Messob-
Ein Laserkonverter aus der PTB ermöglicht
erstmals die Erzeugung monochromatischer,
zeitlich kontinuierlicher,
intensiver Strahlung über einen weiten
Spektralbereich. Mittels einer optischen
jekt selbst den Strahl unterbrechen und
dann nicht vollständig gemessen werden.
Durch eine zusätzliche Messung, bei der
sich das Objekt nicht im Messvolumen
Kontinuierliche Strahlung aus Laserpulsen
Besonders interessant für
• Photovoltaik
• Spektroskopie
Lizenzpartner gesucht
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Sensors
Messprinzip des neuen Verfahrens
Vorrichtung wird dabei gepulste Strahlung
eines Lasers mit ausreichend hoher
Repetitionsrate (z. B. 80 MHz) zeitlich
homogenisiert. Am Konverterausgang
steht ein kontinuierlicher Lichtstrahl zur
Verfügung, der über den ganzen Wellenlängenbereich
der Quelle schmalbandig
bei hoher Brillanz durchstimmbar ist. Das
Verfahren ist sehr gut geeignet etwa für
die Kalibrierung von Solarzellen oder für
spektroskopische Anwendungen, z. B. in
der biologisch-medizinischen Analytik.
Ansprechpartner
Uwe Brand
Fachbereich 5.1 Oberflächenmesstechnik
Telefon: (0531) 592-5111
E-Mail: uwe.brand@ptb.de
befindet, werden zusätzliche Koordinaten
erfasst, in einer nachgeschalteten Berechnung
der Objektgeometrie berücksichtigt
und so systematische Fehler korrigiert.
Das Verfahren eignet sich auch zur genauen
Erfassung bzw. Positionierung bei
Manipulatoren wie Roboterarmen oder
Fertigungsmaschinen.
Ansprechpartner
Frank Härtig
Fachbereich 5.3 Koordinatenmesstechnik
Telefon: (0531) 592-5300
E-Mail: frank.haertig@ptb.de
Ansprechpartner
Stefan Winter
Fachbereich 4.1 Photometrie und
angewandte Radiometrie
Telefon: (0531) 592-4140
E-Mail: stefan.winter@ptb.de
Ansprechpartner in allen Fragen des Technologietransfers:
Bernhard Smandek, Telefon: (0531) 592-8303, E-Mail: bernhard.smandek@ptb.de,
www.technologietransfer.ptb.de
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin
Nationales Metrologieinstitut
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PTB-News, Heft 1 | 2013
verschiedenes
Auszeichnungen
Martin Thedens
Der Mitarbeiter
des Fachbereichs
3.5 Zünddurchschlagsprozesse
ist mit dem „IEC
1906 Award“
ausgezeichnet
worden, mit dem
die Internationale
Elektrotechnische
Kommission (IEC) besonders aktive Technische
Experten in den IEC-Gremien würdigt,
die sich bei der Bearbeitung aktueller Normungsprojekte
Verdienste erworben haben.
Termine
25.–26. April 2013
NanoScale 2013
10 th Seminar on Quantitaive Microscopy
(QM) and 6 th Seminar on Nanoscale Calibration
Standards and Methods. Dimensional
and related measurements in the micro and
nanometre range.
Ort: Paris, Frankreich
Ansprechpartnerin: Katrin Wolff
Telefon: (0531) 592-5101
E-Mail: katrin.wolff@ptb.de
15. Mai 2013
270. PTB-Seminar: Aktuelle Fortschritte
von Kalibrierverfahren im Nieder- und
Hochfrequenzbereich 2013
Ort: PTB Braunschweig
Ansprechpartner: Thorsten Schrader
Telefon: (0531) 592-2200
E-Mail: thorsten.schrader@ptb.de
29. Mai–2. Juni 2013
Jahreskonferenz der Deutschen Gesellschaft
für angewandte Optik
Ort: PTB Braunschweig
Ansprechpartnerin: Nadine Weber
Telefon: (0531) 592-4201
E-Mail: nadine.weber@ptb.de
5.–6. Juni 2013
TEMPERATUR 2013
271. PTB-Seminar: Verfahren und Geräte in
der Temperatur- und Feuchtemesstechnik
Ort: PTB Berlin, Hermann-von-Helmholtz-
Bau, Hörsaal.
Ansprechpartner: Jörg Hollandt
Telefon: (030) 3481-7369
E-Mail: joerg.hollandt@ptb.de:
Steffen Rudtsch
Telefon: (030) 3481-7650
E-Mail: steffen.rudtsch@ptb.de
8. Juni 2013
Lange Nacht der Wissenschaften Berlin
Ort: PTB Berlin, Metrology Light Source
(MLS), Adlershof
Ansprechpartnerin: Ulrike Kaps
Telefon: (0531) 592-9326
E-Mail: ulrike.kaps@ptb.de
18.–19. Juni 2013
269. PTB-Seminar: 13. BAM/PTB-Kolloquium
zu Fragen der chemischen und
physikalischen Sicherheitstechnik
Ort: PTB Braunschweig
Ansprechpartner: Thomas Stolz
Telefon: (0531) 592-3412
E-Mail: thomas.stolz@ptb.de
1.–5. Juli 2013
11 th International Symposium on Measurement
Technology and Intelligent Instruments
(ISMTII)
Ort: Aachen und PTB Braunschweig
Ansprechpartner: Harald Bosse
Telefon: (0531) 592-5010
E-Mail: harald.bosse@ptb.de
Die PTB auf Messen und
Tagungen
15.–16. April 2013
ZMP Zählen – Messen – Prüfen
Ort: Messe Leipzig
Die PTB stellt auf der den Fachkongress begleitenden
Ausstellung neue Messverfahren
im Hinblick auf die Energiewende und die
damit neu entstehenden Messstellen vor.
Ansprechpartnerin: Christine Haubold
Telefon: (0531) 592-3007
E-Mail: christine.haubold@ptb.de
13.–16. Mai 2013
LASER World of PHOTONICS
Ort: Messe München, Halle B2, Stand 361
(PTB), Stand 363 (UPOB)
Die PTB präsentiert auf der Messe neue
Projekte des Technologietransfers aus den
Bereichen Optik, Laser- und Messtechnik.
Ansprechpartnerin (PTB): Christine Haubold
Telefon: (0531) 592-3007
E-Mail: christine.haubold@ptb.de;
Ansprechpartner (UPOB): Heiko Klawitter
Telefon: (0531) 592-5131
E-Mail: heiko.klawitter@ptb.de
14.–17. Mai 2013
Control
Ort: Messe Stuttgart, Halle 1, Stand 1313
Die PTB stellt auf der internationalen Leitmesse
für Qualitätssicherung und Messtechnik
die neuesten Entwicklungen aus dem
Bereich der geometrischen und der Fertigungsmesstechnik
aus.
Ansprechpartnerin (PTB): Christine Haubold,
Telefon: (0531) 592-3007
E-Mail: christine.haubold@ptb.de
Ansprechpartner (PTB Technologietransfer):
Andreas Barthel
Telefon: (0531) 592-8307
E-Mail: andreas.barthel@ptb.de
Weitere Termine:
www.ptb.de > Presse / Aktuelles
Publikationen
Imke Frischmuth, Jens Simon (Hrsg.):
Metrologisches Lesebuch
Messkunst in der PTB – in der Vergangenheit,
in der Gegenwart und für die Zukunft.
(Sammelband der PTB-Mitteilungen des
Jahres 2012 anlässlich des 125-jährigen Jubiläums
der PTR/PTB). nw-Verlag Bremerhaven,
ISBN 978-3-86918-301-5
PTB-Mitteilungen Heft 1/2013
Themenschwerpunkt: Die PTR im Exil in
Thüringen
Weitere Informationen und Bezugsquellen:
www.ptb.de > Publikationen
Impressum
PTB-News 1/2013, deutsche Ausgabe, April 2013, ISSN 1611-1621
Die PTB-News erscheinen dreimal jährlich in einer deutschen und einer englischen Ausgabe und können kostenlos abonniert werden.
Abo-Formular: www.ptb.de >Publikationen > PTBnews > PTBnews abonnieren (html- und pdf-Fassung)
Herausgeber: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig und Berlin
Redakteure: Andreas Barthel, Ludger Koenders, Christian Lisdat, Dirk Ratschko, Mathias Richter, Hansjörg Scherer, Erika Schow,
Florian Schubert, Jens Simon (verantwortlich)
Layout: Volker Großmann, Alberto Parra del Riego (Konzept)
Redaktionsanschrift: Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, PTB, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig,
Telefon (0531) 592-3005, Telefax (0531) 592-3008, E-Mail ptbnews@ptb.de
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