news2013.1 - PTB
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news2013.1 - PTB
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news<br />
Wissenschaftliches Nachrichtenblatt<br />
12013<br />
Die <strong>PTB</strong>-News sind das wissenschaftliche<br />
Nachrichtenblatt der Physikalisch-Technischen<br />
Bundesanstalt (<strong>PTB</strong>). Sie richten<br />
sich an Kooperationspartner der <strong>PTB</strong> in<br />
Wirtschaft, Wissenschaft und an alle anderen<br />
Interessenten.<br />
Forschungsnachrichten<br />
Mini-Sensor misst Magnetfelder<br />
des Gehirns<br />
Hochempfindliche Magnetfeldmessungen<br />
sind jetzt bei Raumtemperatur<br />
möglich 2<br />
Kräfte dynamisch kalibrierbar<br />
Rückgeführte dynamische Kalibrierung<br />
von Kraftaufnehmern 3<br />
Genaue Windgeschwindigkeitsmessungen<br />
Rückgeführtes Doppler-Lidar-System<br />
zur Windpotenzialanalyse und Leistungskurvenvermessung<br />
von Windenergieanlagen<br />
4<br />
Ungestörte Anregung mit gepulstem<br />
Licht<br />
Neues Verfahren zur Laseranregung<br />
in optischen Atomuhren 5<br />
Großer Detektor für kleine<br />
Teilchen<br />
Vakuumtauglicher Röntgendetektor ermöglicht<br />
Messungen bei niedrigen Photonenenergien<br />
Besonders interessant für<br />
• dimensionelle Nanometrologie<br />
• Medizin<br />
• Biotechnologie<br />
In Kooperation mit der <strong>PTB</strong> hat die<br />
Schweizer Firma Dectris hat eine vakuumtaugliche<br />
Version ihres Röntgendetektors<br />
Pilatus entwickelt, mit dem<br />
auch Photonenenergien unterhalb von<br />
5 keV erreicht werden können. Damit<br />
lassen sich beispielsweise Experimente<br />
zur Größenbestimmung von Nanopartikeln<br />
mit Röntgenkleinwinkelstreuung<br />
(Small Angle X-ray Scattering,<br />
SAXS) auch an den Absorptionskanten<br />
der leichten Elemente Calcium, Schwefel,<br />
Phosphor oder Silizium mit hoher<br />
Dynamik und Ortsauflösung durchführen.<br />
Insbesondere ist dies für die<br />
Untersuchung biologischer Proben von<br />
Bedeutung.<br />
Durch SAXS mit Synchrotronstrahlung<br />
werden im <strong>PTB</strong>-Labor am Elektronenspeicherring<br />
BESSY II die Größe von<br />
Nanopartikeln oder die dimensionellen<br />
Parameter von nanostrukturierten<br />
Oberflächen bestimmt. Mit dem neuen<br />
Detektor haben sich die Messmöglichkeiten<br />
insbesondere bei schwach streuenden<br />
Proben und bei elementspezifischen Untersuchungen<br />
entscheidend verbessert.<br />
Eingesetzt wird dies zum Beispiel im<br />
Rahmen von Projekten des Europäischen<br />
Metrologie-Forschungsprogramms<br />
EMRP, bei denen komplexe biologische<br />
Nanoobjekte und Nanopartikel in<br />
komplexen biologischen Matrices durch<br />
SAXS-Messungen mit Synchrotronstrahlung<br />
dimensionell charakterisiert<br />
Eine Basis für lange Strecken<br />
600-m-Pfeilerstrecke der <strong>PTB</strong> zur Kalibrierbasis<br />
für geodätische optische<br />
Entfernungsmesser ausgebaut 6<br />
Technologietransfer<br />
Mikro-Sensor für Nanokräfte 7<br />
Objekte an verdeckten Stellen<br />
messen 7<br />
Kontinuierliche Strahlung aus<br />
Laserpulsen 7<br />
Verschiedenes<br />
Auszeichnungen, Termine,<br />
Die <strong>PTB</strong> auf Messen und Tagungen,<br />
Publikationen 8<br />
Röntgenkleinwinkelstreubild einer multilamellaren Liposom-Probe, aufgenommen bei einer<br />
Photonenenergie von 3 keV mit einem vakuumtauglichen Pilatus-Detektor am FCM-Strahlrohr<br />
der <strong>PTB</strong> bei BESSY II.<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
Nationales Metrologieinstitut<br />
1
<strong>PTB</strong>-News, Heft 1 | 2013<br />
werden. Einer der Schwerpunkte liegt dabei<br />
zurzeit auf Mikrovesikeln, die in allen<br />
Körperflüssigkeiten vorhanden sind. Mediziner,<br />
beispielsweise am Amsterdam<br />
Medical Center, das an einem der Projekte<br />
maßgeblich beteiligt ist, wollen die<br />
Größenverteilung der Mikrovesikel zur<br />
Früherkennung von Krankheiten nutzen.<br />
Die apparative Weiterentwicklung des<br />
Hybrid-Pixel-Detektors Pilatus betrifft<br />
vor allem die räumliche Trennung der<br />
Detektormodule mit insgesamt einer<br />
Million Pixel, die sich nun in Vakuum<br />
befinden, und einem Teil der hochkomplexen<br />
Detektorelektronik, der u. a. aus<br />
Gründen der Kühlung an Luft betrieben<br />
werden muss. Der Betrieb der Detektormodule<br />
im Vakuum erlaubt das<br />
Experimentieren mit Röntgenstrahlung<br />
auch bei niedriger Photonenenergie,<br />
die an Luft zu stark absorbiert würde.<br />
Das weltweit erste Gerät eines vakuumkompatiblen<br />
Pilatus-Detektors, der aus<br />
10 Modulen besteht und bei einer Pixelgröße<br />
von 172 µm eine Gesamtfläche von<br />
17 cm × 18 cm aufweist, wurde im Juni<br />
2012 erfolgreich im <strong>PTB</strong>-Labor bei BES-<br />
SYII in Betrieb genommen. In Zusammenarbeit<br />
mit dem Helmholtz-Zentrum<br />
Berlin und dem Zentrum für Naturwissenschaften<br />
der ungarischen Akademie<br />
der Wissenschaften konnten dabei am<br />
Vierkristall-Monochromator-Strahlrohr<br />
(Four Crystal Monochromator, FCM)<br />
im <strong>PTB</strong>-Labor bei BESSY II erste SAXS-<br />
Bilder von einer multilamellaren Liposom-Probe<br />
bei einer Photonenenergie<br />
von 3 keV aufgenommen werden. Liposomen<br />
sind Membranvesikel aus Lipa-<br />
Doppelschichten mit Strukturgrößen im<br />
Nanometerbereich, die in den Bereichen<br />
Medizin, Pharmakologie, Biotechnologie<br />
und Kosmetik von Bedeutung sind. In<br />
Zukunft soll der Detektor auch für Weit-<br />
winkelstreuung (WAXS), Kleinwinkelstreuung<br />
in Reflexion unter streifendem<br />
Einfall (GISAXS) und andere Röntgentechniken<br />
eingesetzt werden. <br />
Ansprechpartner<br />
Michael Krumrey<br />
Fachbereich 7.1 Radiometrie mit<br />
Synchrotronstrahlung<br />
Telefon: (030) 3481-7110<br />
E-Mail: michael.krumrey@ptb.de<br />
Wissenschaftliche Veröffentlichung<br />
T. Donath, S. Brandstetter, L. Cibik,<br />
S. Commichau, P. Hofer, M. Krumrey,<br />
B. Lüthi, S. Marggraf, P. Müller,<br />
M. Schneebeli, C. Schulze-Briese,<br />
J. Wernecke: Characterization of the<br />
PILATUS photon-counting pixel detector<br />
from 1.75 keV to 60 keV.<br />
J. Phys. Conf. Ser. 425, 062001 (2013)<br />
Mini-Sensor misst Magnetfelder des<br />
Gehirns<br />
Hochempfindliche Magnetfeldmessungen sind jetzt bei Raumtemperatur möglich<br />
Besonders interessant für<br />
• Neurologen<br />
• Anwender therapeutischer<br />
magnetischer Nanopartikel<br />
Die winzigen Magnetfelder des menschlichen<br />
Gehirns stellen höchste Anforderungen<br />
an die Messtechnik. Deshalb<br />
wurden für ihre Messung bisher ausschließlich<br />
die (auch an der <strong>PTB</strong> mitentwickelten)<br />
SQUIDs verwendet. Ein am<br />
amerikanischen NIST entwickelter Sensor<br />
von der Größe eines Würfelzuckers<br />
kommt ohne Supraleitung aus und kann<br />
dennoch winzige Magnetfelder messen.<br />
Mit einem erfolgreichen Test in den<br />
weltweit einzigartigen Messeinrichtungen<br />
der <strong>PTB</strong> wurde jetzt die Praxistauglichkeit<br />
des neuen Sensortyps bewiesen.<br />
SQUIDs (Superconducting Quantum<br />
Interference Devices) sind die zurzeit<br />
empfindlichsten Magnetfeldsensoren. Sie<br />
brauchen jedoch eine aufwendige Kühlung<br />
in einem Kryogefäß, das regelmäßig<br />
mit flüssigem Helium<br />
gefüllt werden<br />
muss. Doch<br />
schon jetzt macht<br />
die weltweite Verknappung<br />
der Heliumressourcen<br />
den Nutzern der<br />
SQUID-Messtechnik<br />
zunehmend<br />
Sorgen. Außerdem<br />
sind die SQUIDs<br />
in einer festen<br />
Anordnung im<br />
thermisch isolierten<br />
Inneren eines<br />
Kryogefäßes montiert.<br />
Gerade für<br />
biomedizinische Anwendungen wären<br />
aber kleine, handliche Sensoren ideal, die<br />
flexibel am Kopf angebracht werden können.<br />
Eine typische Anwendung ist das sogenannte<br />
MEG (Magnetenzephalogramm),<br />
bei dem die sehr schwachen Magnetfelder<br />
gemessen werden, die das Gehirn bei<br />
Vier im Bereich der motorischen und sensorischen Gehirnareale auf den<br />
Kopf eines Probanden geklebte CSAM-Magnetfeldsensoren. Die würfelförmigen<br />
Sensoren sind ähnlich einfach zu handhaben wie Elektroden. Kleines<br />
Bild: Dimension des Sensors und der zur lokalen Modulation des Feldes auf<br />
den Sensor aufgebrachten Spule (in der Aufsicht auf den Würfel).<br />
der Arbeit erzeugt. Die Aufnahme eines<br />
solchen MEG ist beispielsweise für die<br />
Diagnostik der Epilepsie oder in der neurologischen<br />
Grundlagenforschung von<br />
Bedeutung. Ein anderes Beispiel ist die<br />
Messung der Felder von magnetischen<br />
Nanopartikeln, die Patienten zu therapeutischen<br />
Zwecken verabreicht wurden<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
2<br />
Nationales Metrologieinstitut
Forschungsnachrichten<br />
und deren Verteilung im Körper genau<br />
kontrolliert werden muss.<br />
Für solche Anwendungen eignet sich<br />
der neue, bei Raumtemperatur arbeitende<br />
Sensortyp, der am amerikanischen<br />
NIST entwickelt wurde. Das sogenannte<br />
Chip-scale Atomic Magnetometer<br />
(CSAM) besteht im Wesentlichen aus einer<br />
mit Rubidiumgas gefüllten Zelle und<br />
einer Mikrooptik. Die Wechselwirkung<br />
des Elektronenspins der Rubidium-Atome<br />
mit einem Magnetfeld dient als hochempfindliches<br />
Maß für die Feldstärke.<br />
Die Sensoren, die nicht größer sind als<br />
ein Zuckerwürfel, lassen sich wie Elektroden<br />
beliebig auf der Haut des Patienten<br />
positionieren. Dieser Sensortyp wurde<br />
jetzt im „magnetisch ruhigsten Raum<br />
der Erde“ der <strong>PTB</strong> in Berlin auf seine<br />
Praxistauglichkeit getestet. Im Vergleich<br />
mit dem „Goldstandard“, den SQUIDs,<br />
hat er ein um den Faktor 5 bis 10 höheres<br />
Rauschen. Dies wird aber durch den<br />
verringerten Abstand zwischen Sensor<br />
und Quelle kompensiert. Außerdem ist<br />
er wesentlich vielseitiger einsetzbar. Man<br />
kann davon ausgehen, dass der neue Sensortyp<br />
viele neue Anwendungen hochempfindlicher<br />
magnetischer Messtechnik<br />
erschließt – möglicherweise nicht nur<br />
für biomagnetische Untersuchungen. <br />
Kräfte jetzt dynamisch kalibrierbar<br />
Ansprechpartner<br />
Tilmann Sander-Thömmes<br />
Fachbereich 8.2 Biosignale<br />
Telefon (030) 3481-7436<br />
E-Mail:<br />
tilmann.sander-thoemmes@ptb.de<br />
Wissenschaftliche Veröffentlichung<br />
T. Sander-Thömmes, J. Preusser, R.<br />
Mhaskar, J. Kitching, L. Trahms, S.<br />
Knappe: Magnetoencephalography<br />
with a chip-scale atomic magnetometer.<br />
Biomedical Optics Express 3,<br />
981–990 (2012)<br />
Rückgeführte dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern mithilfe von<br />
sinusförmiger Anregung<br />
Besonders interessant für<br />
• Materialprüfmaschinenhersteller<br />
• Automobil-, Flugzeug-Industrie<br />
Dynamische Kräfte, wie sie etwa bei<br />
dynamischen Tests mit Materialprüfmaschinen<br />
auftreten, lassen sich mit<br />
bisherigen Messmethoden leider nur<br />
unzulänglich messen. Ein in der <strong>PTB</strong><br />
entwickeltes Verfahren macht erstmals<br />
rückgeführte Kalibrierungen von dynamischen,<br />
also zeit- und frequenzabhängigen<br />
Messungen in einem Frequenzbereich<br />
von 40 Hz bis 2 kHz mit Kräften<br />
bis zu 2 kN möglich.<br />
Industrielle Anwendungen benötigen<br />
dynamische Kraftkalibrierungen, beispielsweise<br />
für Materialprüfmaschinen<br />
oder Teststände in der Automobil- und<br />
Flugzeugindustrie. Während es für die<br />
statische Kalibrierung von Kraftaufnehmern<br />
seit einigen Jahrzehnten sehr<br />
präzise Verfahren gibt, mit denen eine<br />
rückgeführte Kalibrierung mittels Direktbelastungsmaschinen<br />
durchgeführt<br />
werden kann, ist die dynamische Kalibrierung<br />
solcher Kraftaufnehmer noch<br />
nicht so weit entwickelt.<br />
Bei der neuen Methode aus der <strong>PTB</strong><br />
werden im Grunde dieselben Gesetzmäßigkeiten<br />
genutzt wie bei der statischen<br />
Kalibrierung: Man erzeugt die Kraft<br />
Messanordnung zur dynamischen Kalibrierung von Kraftaufnehmern. Ein mit einer Zusatzmasse<br />
versehener Kraftaufnehmer wird mittels eines „Shakers“ sinusförmig angeregt. Die Beschleunigung der<br />
Zusatzmasse wird mittels eines Laser-Scanning-Vibrometers gemessen.<br />
durch Auflegen von Massescheiben.<br />
Gemäß dem Newton‘schen Gesetz ist<br />
Kraft = Masse × Beschleunigung, wobei<br />
hierbei die Fallbeschleunigung wirkt.<br />
Die dynamische Kalibrierung wird<br />
möglich, indem der Kraftaufnehmer auf<br />
einem elektrodynamischen Schwingerreger<br />
(Shaker) zu sinusförmigen<br />
Schwingungen angeregt wird. Die Auslenkungsamplitude<br />
des Shakers ist im<br />
Wesentlichen abhängig von der Frequenz<br />
und liegt im Bereich von einigen<br />
Mikrometern bis Zentimetern. Der zu<br />
kalibrierende Kraftaufnehmer wird mit<br />
einer Zusatzmasse versehen und deren<br />
Beschleunigung dann mit einem Laservibrometer<br />
gemessen. Das Produkt aus<br />
Beschleunigung und Masse ist gleich<br />
der wirkenden dynamischen Kraft. Das<br />
Kalibrierergebnis ist die dynamische<br />
Sensitivität als Quotient aus dem elektrischen<br />
Signal des Kraftaufnehmers<br />
und der dynamischen Kraft als Funktion<br />
der Frequenz. Durch Verwendung<br />
eines Laser-Scanning-Vibrometers kann<br />
die Beschleunigung nicht nur an einem<br />
Punkt, sondern auf der ganzen Oberfläche<br />
der Zusatzmasse gemessen werden.<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
Nationales Metrologieinstitut<br />
3
<strong>PTB</strong>-News, Heft 1 | 2013<br />
Dadurch ist es möglich, gewisse parasitäre<br />
Einflüsse wie eventuelle Taumelbewegungen<br />
der Zusatzmasse zu erkennen<br />
und in die Unsicherheitsangaben einzubeziehen.<br />
Mit diesem Verfahren können<br />
unterhalb der Resonanzfrequenz der<br />
Messanordnung, die von der Größe der<br />
Zusatzmasse abhängt, relative Messunsicherheiten<br />
von 0,5 % bis 1,0 %,<br />
darüber von einigen Prozent erreicht<br />
werden. Das Verfahren wird seit Kurzem<br />
als Dienstleistung der <strong>PTB</strong> angeboten. <br />
Ansprechpartner<br />
Christian Schlegel<br />
Fachbereich 1.2 Festkörpermechanik<br />
Telefon: (0531) 592-1230<br />
E-Mail: christian.schlegel@ptb.de<br />
Wissenschaftliche Veröffentlichung<br />
Chr. Schlegel, G. Kieckenap, B. Glöckner,<br />
A. Buß, R. Kumme: Traceable periodic<br />
force calibration, Metrologia 49, 224–235<br />
(2012)<br />
Genaue Windgeschwindigkeitsmessungen<br />
Rückgeführtes Doppler-Lidar-System zur Windpotenzialanalyse und<br />
Leistungskurvenvermessung von Windenergieanlagen<br />
Besonderes Interessant für<br />
• die Windenergiebranche<br />
Messvolumen<br />
Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit<br />
von Windparks werden Windpotenzialanalysen<br />
durchgeführt, die bislang<br />
auf der Messung von Windgeschwindigkeiten<br />
mithilfe von Messmasten<br />
beruhen. Ein in der <strong>PTB</strong> entwickeltes<br />
Doppler-Lidar-System zur rückgeführten<br />
bodengestützten laseroptischen<br />
Windgeschwindigkeitsmessung könnte<br />
in Zukunft aufwendig zu errichtende<br />
Messmasten überflüssig machen.<br />
Wesentliche Grundlage bei der Planung<br />
von Windparks sind Windpotenzialanalysen<br />
zur Bewertung der Windverhältnisse<br />
am beabsichtigten Standort.<br />
Zusammen mit der vermessenen Leistungskurve<br />
der dort aufzustellenden<br />
Windkraftanlagen kann die im Jahresmittel<br />
zu erwartende produzierte elektrische<br />
Energie berechnet werden. Dies ist<br />
unerlässlich zur Beurteilung der Rentabilität<br />
eines Windparks.<br />
Sowohl für Windpotenzialanalysen<br />
als auch für Leistungskurvenvermessungen<br />
ist es nötig, die Windgeschwindigkeitsprofile<br />
in Höhe der Rotorblätter<br />
zu erfassen. Dies geschieht bislang mit<br />
rückgeführten, also von akkreditierten<br />
Kalibrierlaboratorien kalibrierten Anemometern,<br />
die an Messmasten montiert<br />
sind. Da Windenergieanlagen tendenziell<br />
immer höher werden, wächst auch<br />
der Aufwand für den Bau dieser Masten<br />
beträchtlich. Daher wird zurzeit untersucht,<br />
ob stattdessen auch wirtschaftli-<br />
Messvolumina<br />
Links: Konventionelles Wind-Lidar-System, das den Windvektor durch Messung einzelner Geschwindigkeitskomponenten<br />
über unterschiedliche, ausgedehnte Messvolumina anhand der Dopplerverschiebung<br />
des Streulichts bestimmt. Rechts: <strong>PTB</strong>-Konzept mit räumlich getrennten Empfängern (RX) und<br />
Sender (TX), das eine vektorielle Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem definierten<br />
Messvolumen ermöglicht.<br />
chere Fernmessverfahren auf Basis von<br />
Doppler-Lidar-Systemen eingesetzt werden<br />
können. In der Windenergiebranche<br />
publizierte Untersuchungsergebnisse<br />
weisen auf vielversprechende Möglichkeiten<br />
der Lidar-Technik hin. Doch fehlen<br />
noch geeignete Verfahren zur messtechnischen<br />
Rückführung.<br />
Die in der Windenergiebranche eingesetzten<br />
Wind-Lidar-Systeme enthalten<br />
üblicherweise eine gemeinsame Sende-/<br />
Empfangsoptik (Abbildung links), sodass<br />
Sende- und Empfangsstrahl übereinander<br />
liegen (monostatisch, monoaxial). Bei<br />
diesem Verfahren wird die Strömungsge-<br />
schwindigkeitskomponente in Strahlrichtung<br />
mit einer Höhenauflösung von<br />
ca. 20 m gemessen, wobei der Strahl zur<br />
vollständigen Erfassung des Geschwindigkeitsvektors<br />
in verschiedene Richtungen<br />
geschwenkt wird. Für den geplanten<br />
Einsatzzweck wäre jedoch eine bessere<br />
Höhenauflösung wünschenswert. Außerdem<br />
können in unebenem Gelände<br />
Strömungsinhomogenitäten über den<br />
Schwenkbereich des Strahls zu Verfälschungen<br />
des Messergebnisses führen.<br />
Die Folge sind Messabweichungen von<br />
bis zu 10 %, die eine Rückführung von<br />
Lidar-Windgeschwindigkeitsmessungen<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
Nationales Metrologieinstitut<br />
4
Forschungsnachrichten<br />
bisher noch nicht mit der geforderten<br />
Messunsicherheit zulassen.<br />
Das in der <strong>PTB</strong> entwickelte bistatische<br />
Doppler-Lidar-System mit räumlich<br />
getrennten Sende- und Empfangseinrichtungen<br />
(Abbildung rechts) erlaubt<br />
räumliche Auflösungen im Kubikzentimeterbereich<br />
und die vektorielle Erfassung<br />
der Geschwindigkeit an einem<br />
einzelnen Messort. Dieses System kann<br />
sowohl zum Einmessen eines konventionellen<br />
Systems im jeweiligen Gelände<br />
als auch für die Erstellung rückgeführter<br />
Windpotenzialanalysen und Leistungskurven<br />
genutzt werden. <br />
Ansprechpartner<br />
Michael Eggert<br />
Fachbereich 1.4<br />
Strömungsmesstechnik/Gase<br />
Telefon: (0531) 592-1317<br />
E-Mail: michael.eggert@ptb.de<br />
Wissenschaftliche Veröffentlichung<br />
M. Eggert, H. Müller, H. Többen: Doppler-<br />
Lidar-Transfernormal zur Windgeschwindigkeitsmessung:<br />
Aktueller Entwicklungsstand.<br />
20. Fachtagung „Lasermethoden<br />
in der Strömungsmesstechnik“,<br />
S.10/1–10/6 (2012)<br />
Ungestörte Anregung mit gepulstem Licht<br />
<strong>PTB</strong> präsentiert neues Verfahren zur Laseranregung in optischen Atomuhren<br />
Besonders interessant für<br />
• Entwickler optischer Atomuhren<br />
• Quanten-Informationsverarbeitung<br />
Erstmals wurde in der <strong>PTB</strong> ein bisher<br />
nur theoretisch vorhergesagtes Verfahren<br />
experimentell bestätigt, mit dem<br />
sich sogenannte „Lichtverschiebungen“<br />
vermeiden und somit die optische Ytterbium-Atomuhr<br />
der <strong>PTB</strong> zukünftig noch<br />
genauer machen lässt. Darüber hinaus<br />
wird die hier untersuchte „Hyper“-<br />
Ramsey-Anregung für viele Anwendungen<br />
hilfreich sein, bei denen es auf<br />
eine präzise kontrollierte Wechselwirkung<br />
zwischen Atomen und Laserlicht<br />
ankommt.<br />
Sehr genaue Information über die innere<br />
Struktur von Atomen und Molekülen<br />
erhält man durch Anregung mit resonantem<br />
Laserlicht. Leider kann eben jenes<br />
Laserlicht – sofern es intensiv ist – zu<br />
messbaren Veränderungen innerhalb der<br />
Atomhülle führen. Bei dieser „Lichtverschiebung“<br />
wird die Lage der atomaren<br />
Energieniveaus verändert; das Ausmaß<br />
hängt von der Intensität und Wellenlänge<br />
des verwendeten Lasers ab. Ist man an<br />
den Eigenschaften des Atoms als einem<br />
ungestörten Quantenobjekt interessiert,<br />
so muss man diese Verschiebung vermeiden<br />
oder korrigieren.<br />
Bei der sogenannten „Hyper“-Ramsey-<br />
Anregung sorgt eine Folge von Laserpulsen<br />
mit einem speziellen Muster von<br />
Frequenz- und Phasensprüngen dafür,<br />
dass die ungestörte atomare Übergangsfrequenz<br />
direkt wiedergegeben werden kann.<br />
Dies war kürzlich in<br />
einer Zusammenarbeit<br />
von russischen,<br />
amerikanischen<br />
und <strong>PTB</strong>-Wissenschaftlern<br />
theoretisch<br />
gezeigt worden.<br />
Die experimentelle<br />
Realisierung der<br />
„Hyper“-Ramsey-<br />
Anregung gelang<br />
jetzt in der <strong>PTB</strong> an<br />
einem atomaren<br />
Übergang, der es<br />
erlaubt, sehr kleine<br />
Frequenzänderungen<br />
nachzuweisen,<br />
und der gleichzeitig<br />
eine große Lichtverschiebung<br />
aufweist, da zu seiner Anregung<br />
eine hohe Laserintensität benötigt wird. Es<br />
handelt sich um einen elektrischen Oktupolübergang<br />
im Yb + -Ion, der in der <strong>PTB</strong><br />
als Basis einer optischen Uhr untersucht<br />
wird. Das Experiment konnte die theoretischen<br />
Vorhersagen über die Vorteile der<br />
„Hyper“-Ramsey-Anregung bestätigen<br />
und erreichte eine zehntausendfache Unterdrückung<br />
der Lichtverschiebung.<br />
Kombiniert man die gegenwärtig maximal<br />
erreichbare spektrale Auflösung mit<br />
einer optimierten Experimentsteuerung,<br />
lässt sich der Beitrag der Lichtverschiebung<br />
zur systematischen Unsicherheit der<br />
Ytterbiumuhr auf unter 10 –17 reduzieren;<br />
die Uhr wird also deutlich genauer. Darüber<br />
hinaus dürfte die neue Methode<br />
auch für andere Untersuchungen interessant<br />
sein, bei denen es auf eine präzise<br />
kontrollierte Wechselwirkung zwischen<br />
Ein spezielles Muster der Frequenz des Anregungslichtes mit definierten<br />
Phasensprüngen erlaubt in der Yb + -Einzelionenuhr die Unterdrückung der<br />
Lichtverschiebung und damit eine höhere Genauigkeit.<br />
Atomen und Laserlicht ankommt, etwa auf<br />
dem Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung.<br />
<br />
Ansprechpartner<br />
Ekkehard Peik<br />
Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz<br />
Telefon: (0531) 592-4400<br />
E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de<br />
Wissenschaftliche Veröffentlichung<br />
N. Huntemann, B. Lipphardt,<br />
M. Okhapkin, Chr. Tamm, E. Peik,<br />
A.V. Taichenachev, V.I. Yudin: Generalized<br />
Ramsey excitation scheme with<br />
suppressed light shift. Phys. Rev. Lett.<br />
109, 213002 (2012)<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
Nationales Metrologieinstitut<br />
5
<strong>PTB</strong>-News, Heft 1 | 2013<br />
Eine Basis für lange Strecken<br />
600-m-Pfeilerstrecke der <strong>PTB</strong> zur Kalibrierbasis für geodätische optische Entfernungsmesser<br />
ausgebaut<br />
Besonders interessant für<br />
• Hersteller von geodätischer<br />
entfernungsmesstechnik<br />
• Institute für Ingenieurgeodäsie<br />
• Ingenieurbüros<br />
• Vermessungsämter<br />
Elektrooptische Distanzmesser können<br />
auf einer neu ausgestatteten Kalibrierbasis<br />
der <strong>PTB</strong> mit geringer Unsicherheit<br />
für Anwendungen unter Umgebungsbedingungen<br />
kalibriert werden.<br />
Die mit umfassender Umweltsensorik,<br />
klimatisiertem Labor und Laserschutzmaßnahmen<br />
ausgestatte Strecke bietet<br />
zudem Nutzern die Möglichkeit, geodätische<br />
Messtechnik bereits im Entwicklungsstadium<br />
zu verifizieren und<br />
zu optimieren.<br />
Erdrutschgefährdete Gebiete, mögliche<br />
zukünftige nukleare Endlager, aber<br />
auch Regionen mit geowissenschaftlich<br />
interessanten tektonischen Eigenschaften<br />
werden weltweit mithilfe von geodätischen<br />
Netzwerken auf Positions-/<br />
Lageveränderungen überwacht, wobei<br />
häufig Änderungen von wenigen zehntel<br />
Millimetern pro Jahr detektiert werden<br />
sollen. Aber auch im klassischen Vermessungswesen,<br />
z. B. zur Katasterarbeit in<br />
wertvollen Innenstadtlagen, werden zunehmend<br />
entsprechende Anforderungen<br />
an die Genauigkeit der Messung gestellt.<br />
Dafür werden insbesondere elektrooptische<br />
Distanzmesser (EDM) verwendet,<br />
zu deren Verifizierung und Rückführung<br />
üblicherweise Referenzstrecken dienen.<br />
Bei den geforderten Genauigkeiten müssen<br />
diverse Einflussfaktoren auf die bei<br />
optischen Distanzmessungen verwendete<br />
Größe, die Ausbreitungsgeschwindigkeit<br />
des Lichts, genau kontrolliert werden,<br />
etwa Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchte.<br />
Damit beispielsweise bei einer<br />
Messung über eintausend Meter eine<br />
Genauigkeit von 1 mm erreicht werden<br />
kann, muss die mittlere Temperatur entlang<br />
der gesamten zu prüfenden Messstrecke<br />
mit einer Genauigkeit von 1 K<br />
bekannt sein.<br />
Die von der <strong>PTB</strong><br />
entwickelte, weltweit<br />
einmalige<br />
Kalibrierbasis ermöglicht<br />
erstmals<br />
entsprechende Genauigkeiten.<br />
Die<br />
aus den 1970er<br />
Jahren stammende<br />
600-m-Pfeilerstrecke<br />
der <strong>PTB</strong><br />
wurde mit einem<br />
umfangreichen<br />
kalibrierten Sensornetzwerk<br />
ausgerüstet.<br />
60 Temperatursensoren,<br />
6 Feuchtesensoren<br />
sowie mindestens<br />
2 Drucksensoren<br />
ermöglichen es,<br />
die effektiven Parameter<br />
entlang<br />
des Strahlenweges<br />
alle 30 Sekunden<br />
mit geringen Unsicherheiten<br />
neu<br />
zu bestimmen.<br />
Auf der Strecke<br />
können die wichtigen<br />
Korrekturfaktoren<br />
eines<br />
EDMs unter optimalen<br />
Bedingungen rückführbar mit<br />
erweiterten Unsicherheiten von 61 µm<br />
für die Offsetkorrektur bzw. 8,2 ∙ 10 –7 für<br />
die Maßstabskorrektion ermittelt werden.<br />
Zur Aufnahme empfindlicher Lichtquellen,<br />
die bei Entfernungsmessern der<br />
nächsten Generation eingesetzt werden,<br />
Ansprechpartner<br />
Florian Pollinger<br />
Fachbereich 5.4 Interferometrie an<br />
Maßverkörperungen<br />
Telefon: (0531) 592-5420<br />
E-Mail: florian.pollinger@ptb.de<br />
Verifizierung eines EDMs in der Entwicklungsphase auf der 600-m-Kalibrierbasis.<br />
Die Pfeiler sind mit Zentrierungen ausgerüstet, die Temperatursensoren<br />
mit weißen Schutzhauben versehen. Die Feuchtesensoren sind an<br />
den Messhäuschen angebracht. Aus Laserschutzgründen ist der Zaun mit<br />
blickdichter Folie verkleidet.<br />
ist die Kalibrierbasis am ersten Pfeiler<br />
mit einem klimatisierten Laborcontainer<br />
ausgerüstet. Die Kalibrierbasis steht auch<br />
Vermessungsingenieuren, Firmen und<br />
Vermessungsämtern für eigene Messungen<br />
zur Verfügung. <br />
Wissenschaftliche Veröffentlichung<br />
F. Pollinger, T. Meyer, J. Beyer, N.R.<br />
Doloca, W. Schellin, W. Niemeier,<br />
J. Jokela, P. Häkli, A. Abou-Zeid, K.<br />
Meiners-Hagen: The upgraded <strong>PTB</strong><br />
600 m baseline: a high-accuracy reference<br />
for the calibration and the development<br />
of long distance measurement<br />
devices. Measurement Science and<br />
Technology 23, 094018 (2012)<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
6<br />
Nationales Metrologieinstitut
Mikro-Sensor für Nanokräfte<br />
Besonders interessant für<br />
• medizinische Forschung<br />
• Mikro- und Nanotechnologie<br />
Lizenzpartner gesucht<br />
technologietransfer<br />
Interferometer ermöglicht die Kalibrierung<br />
der Auslenkung. Die Entwicklung<br />
basiert auf einem mikroelektromechanischen<br />
System (MEMS), das lithografisch<br />
relativ einfach und kostengünstig hergestellt<br />
werden kann. <br />
Kleine Kräfte müssen gemessen werden,<br />
wenn man etwa die Eigenschaften biologischer<br />
Gewebeproben in der Medizin<br />
oder neuer funktionaler Oberflächen untersucht.<br />
Der neue <strong>PTB</strong>-Nanokraftsensor<br />
besitzt ein Tastelement, dessen Auslenkung<br />
über kapazitive Kammsensoren de-<br />
tektiert wird. So können kleine Kräfte bis<br />
zu 10 nN erfasst werden. Ein integriertes<br />
Objekte an verdeckten Stellen messen<br />
Besonders interessant für<br />
• Koordinatenmesstechnik<br />
• dimensionelle Messtechnik<br />
Lizenzpartner gesucht<br />
Für hochgenaue Messungen der Dimensionen<br />
großer Objekte werden nachführbare<br />
Laserinterferometer in Koordinatenmessgeräte<br />
eingebunden. Dabei werden<br />
die Messpunkte auf der Objektoberfläche<br />
angetastet und ihre Position interferometrisch<br />
bestimmt. Bei großen Objekten wie<br />
z. B. Zahnrädern kann u. U. das Messob-<br />
Ein Laserkonverter aus der <strong>PTB</strong> ermöglicht<br />
erstmals die Erzeugung monochromatischer,<br />
zeitlich kontinuierlicher,<br />
intensiver Strahlung über einen weiten<br />
Spektralbereich. Mittels einer optischen<br />
jekt selbst den Strahl unterbrechen und<br />
dann nicht vollständig gemessen werden.<br />
Durch eine zusätzliche Messung, bei der<br />
sich das Objekt nicht im Messvolumen<br />
Kontinuierliche Strahlung aus Laserpulsen<br />
Besonders interessant für<br />
• Photovoltaik<br />
• Spektroskopie<br />
Lizenzpartner gesucht<br />
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Sensors<br />
Messprinzip des neuen Verfahrens<br />
Vorrichtung wird dabei gepulste Strahlung<br />
eines Lasers mit ausreichend hoher<br />
Repetitionsrate (z. B. 80 MHz) zeitlich<br />
homogenisiert. Am Konverterausgang<br />
steht ein kontinuierlicher Lichtstrahl zur<br />
Verfügung, der über den ganzen Wellenlängenbereich<br />
der Quelle schmalbandig<br />
bei hoher Brillanz durchstimmbar ist. Das<br />
Verfahren ist sehr gut geeignet etwa für<br />
die Kalibrierung von Solarzellen oder für<br />
spektroskopische Anwendungen, z. B. in<br />
der biologisch-medizinischen Analytik. <br />
Ansprechpartner<br />
Uwe Brand<br />
Fachbereich 5.1 Oberflächenmesstechnik<br />
Telefon: (0531) 592-5111<br />
E-Mail: uwe.brand@ptb.de<br />
befindet, werden zusätzliche Koordinaten<br />
erfasst, in einer nachgeschalteten Berechnung<br />
der Objektgeometrie berücksichtigt<br />
und so systematische Fehler korrigiert.<br />
Das Verfahren eignet sich auch zur genauen<br />
Erfassung bzw. Positionierung bei<br />
Manipulatoren wie Roboterarmen oder<br />
Fertigungsmaschinen. <br />
Ansprechpartner<br />
Frank Härtig<br />
Fachbereich 5.3 Koordinatenmesstechnik<br />
Telefon: (0531) 592-5300<br />
E-Mail: frank.haertig@ptb.de<br />
Ansprechpartner<br />
Stefan Winter<br />
Fachbereich 4.1 Photometrie und<br />
angewandte Radiometrie<br />
Telefon: (0531) 592-4140<br />
E-Mail: stefan.winter@ptb.de<br />
Ansprechpartner in allen Fragen des Technologietransfers:<br />
Bernhard Smandek, Telefon: (0531) 592-8303, E-Mail: bernhard.smandek@ptb.de,<br />
www.technologietransfer.ptb.de<br />
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin<br />
Nationales Metrologieinstitut<br />
7
<strong>PTB</strong>-News, Heft 1 | 2013<br />
verschiedenes<br />
Auszeichnungen<br />
Martin Thedens<br />
Der Mitarbeiter<br />
des Fachbereichs<br />
3.5 Zünddurchschlagsprozesse<br />
ist mit dem „IEC<br />
1906 Award“<br />
ausgezeichnet<br />
worden, mit dem<br />
die Internationale<br />
Elektrotechnische<br />
Kommission (IEC) besonders aktive Technische<br />
Experten in den IEC-Gremien würdigt,<br />
die sich bei der Bearbeitung aktueller Normungsprojekte<br />
Verdienste erworben haben.<br />
Termine<br />
25.–26. April 2013<br />
NanoScale 2013<br />
10 th Seminar on Quantitaive Microscopy<br />
(QM) and 6 th Seminar on Nanoscale Calibration<br />
Standards and Methods. Dimensional<br />
and related measurements in the micro and<br />
nanometre range.<br />
Ort: Paris, Frankreich<br />
Ansprechpartnerin: Katrin Wolff<br />
Telefon: (0531) 592-5101<br />
E-Mail: katrin.wolff@ptb.de<br />
15. Mai 2013<br />
270. <strong>PTB</strong>-Seminar: Aktuelle Fortschritte<br />
von Kalibrierverfahren im Nieder- und<br />
Hochfrequenzbereich 2013<br />
Ort: <strong>PTB</strong> Braunschweig<br />
Ansprechpartner: Thorsten Schrader<br />
Telefon: (0531) 592-2200<br />
E-Mail: thorsten.schrader@ptb.de<br />
29. Mai–2. Juni 2013<br />
Jahreskonferenz der Deutschen Gesellschaft<br />
für angewandte Optik<br />
Ort: <strong>PTB</strong> Braunschweig<br />
Ansprechpartnerin: Nadine Weber<br />
Telefon: (0531) 592-4201<br />
E-Mail: nadine.weber@ptb.de<br />
5.–6. Juni 2013<br />
TEMPERATUR 2013<br />
271. <strong>PTB</strong>-Seminar: Verfahren und Geräte in<br />
der Temperatur- und Feuchtemesstechnik<br />
Ort: <strong>PTB</strong> Berlin, Hermann-von-Helmholtz-<br />
Bau, Hörsaal.<br />
Ansprechpartner: Jörg Hollandt<br />
Telefon: (030) 3481-7369<br />
E-Mail: joerg.hollandt@ptb.de:<br />
Steffen Rudtsch<br />
Telefon: (030) 3481-7650<br />
E-Mail: steffen.rudtsch@ptb.de<br />
8. Juni 2013<br />
Lange Nacht der Wissenschaften Berlin<br />
Ort: <strong>PTB</strong> Berlin, Metrology Light Source<br />
(MLS), Adlershof<br />
Ansprechpartnerin: Ulrike Kaps<br />
Telefon: (0531) 592-9326<br />
E-Mail: ulrike.kaps@ptb.de<br />
18.–19. Juni 2013<br />
269. <strong>PTB</strong>-Seminar: 13. BAM/<strong>PTB</strong>-Kolloquium<br />
zu Fragen der chemischen und<br />
physikalischen Sicherheitstechnik<br />
Ort: <strong>PTB</strong> Braunschweig<br />
Ansprechpartner: Thomas Stolz<br />
Telefon: (0531) 592-3412<br />
E-Mail: thomas.stolz@ptb.de<br />
1.–5. Juli 2013<br />
11 th International Symposium on Measurement<br />
Technology and Intelligent Instruments<br />
(ISMTII)<br />
Ort: Aachen und <strong>PTB</strong> Braunschweig<br />
Ansprechpartner: Harald Bosse<br />
Telefon: (0531) 592-5010<br />
E-Mail: harald.bosse@ptb.de<br />
Die <strong>PTB</strong> auf Messen und<br />
Tagungen<br />
15.–16. April 2013<br />
ZMP Zählen – Messen – Prüfen<br />
Ort: Messe Leipzig<br />
Die <strong>PTB</strong> stellt auf der den Fachkongress begleitenden<br />
Ausstellung neue Messverfahren<br />
im Hinblick auf die Energiewende und die<br />
damit neu entstehenden Messstellen vor.<br />
Ansprechpartnerin: Christine Haubold<br />
Telefon: (0531) 592-3007<br />
E-Mail: christine.haubold@ptb.de<br />
13.–16. Mai 2013<br />
LASER World of PHOTONICS<br />
Ort: Messe München, Halle B2, Stand 361<br />
(<strong>PTB</strong>), Stand 363 (UPOB)<br />
Die <strong>PTB</strong> präsentiert auf der Messe neue<br />
Projekte des Technologietransfers aus den<br />
Bereichen Optik, Laser- und Messtechnik.<br />
Ansprechpartnerin (<strong>PTB</strong>): Christine Haubold<br />
Telefon: (0531) 592-3007<br />
E-Mail: christine.haubold@ptb.de;<br />
Ansprechpartner (UPOB): Heiko Klawitter<br />
Telefon: (0531) 592-5131<br />
E-Mail: heiko.klawitter@ptb.de<br />
14.–17. Mai 2013<br />
Control<br />
Ort: Messe Stuttgart, Halle 1, Stand 1313<br />
Die <strong>PTB</strong> stellt auf der internationalen Leitmesse<br />
für Qualitätssicherung und Messtechnik<br />
die neuesten Entwicklungen aus dem<br />
Bereich der geometrischen und der Fertigungsmesstechnik<br />
aus.<br />
Ansprechpartnerin (<strong>PTB</strong>): Christine Haubold,<br />
Telefon: (0531) 592-3007<br />
E-Mail: christine.haubold@ptb.de<br />
Ansprechpartner (<strong>PTB</strong> Technologietransfer):<br />
Andreas Barthel<br />
Telefon: (0531) 592-8307<br />
E-Mail: andreas.barthel@ptb.de<br />
Weitere Termine:<br />
www.ptb.de > Presse / Aktuelles<br />
Publikationen<br />
Imke Frischmuth, Jens Simon (Hrsg.):<br />
Metrologisches Lesebuch<br />
Messkunst in der <strong>PTB</strong> – in der Vergangenheit,<br />
in der Gegenwart und für die Zukunft.<br />
(Sammelband der <strong>PTB</strong>-Mitteilungen des<br />
Jahres 2012 anlässlich des 125-jährigen Jubiläums<br />
der PTR/<strong>PTB</strong>). nw-Verlag Bremerhaven,<br />
ISBN 978-3-86918-301-5<br />
<strong>PTB</strong>-Mitteilungen Heft 1/2013<br />
Themenschwerpunkt: Die PTR im Exil in<br />
Thüringen<br />
Weitere Informationen und Bezugsquellen:<br />
www.ptb.de > Publikationen<br />
Impressum<br />
<strong>PTB</strong>-News 1/2013, deutsche Ausgabe, April 2013, ISSN 1611-1621<br />
Die <strong>PTB</strong>-News erscheinen dreimal jährlich in einer deutschen und einer englischen Ausgabe und können kostenlos abonniert werden.<br />
Abo-Formular: www.ptb.de >Publikationen > <strong>PTB</strong>news > <strong>PTB</strong>news abonnieren (html- und pdf-Fassung)<br />
Herausgeber: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (<strong>PTB</strong>), Braunschweig und Berlin<br />
Redakteure: Andreas Barthel, Ludger Koenders, Christian Lisdat, Dirk Ratschko, Mathias Richter, Hansjörg Scherer, Erika Schow,<br />
Florian Schubert, Jens Simon (verantwortlich)<br />
Layout: Volker Großmann, Alberto Parra del Riego (Konzept)<br />
Redaktionsanschrift: Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, <strong>PTB</strong>, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig,<br />
Telefon (0531) 592-3005, Telefax (0531) 592-3008, E-Mail ptbnews@ptb.de<br />
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