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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 2 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. Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut 3
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