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Forschungsnachrichten der Abteilung 5 |
Erste Rauschmessung an einer Prototyp-Messeinrichtung zur Realisierung eines Nanonewton-Kraftnormals
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Eine neuartige Nanokraftmesseinrichtung für horizontale Kräfte kleiner als 10-5 N wurde entwickelt und als Prototyp aufgebaut. Das Messprinzip basiert auf einer Pendelscheibe mit elektrostatischer Steifigkeitsreduzierung und einer elektrostatischen Kraftkompensation (s. Jahresbericht 2006). Zur Reduzierung der thermischen Drift sowie des seismischen Rauschens besteht die neue Einrichtung aus zwei identischen Messkanälen. Beide Kanäle basieren auf einer leitenden Pendelscheibe, die zwischen zwei Platten aufgehängt wurde. Sie bilden jeweils zusammen zwei Plattenkondensatoren. Zwischen die parallelen Platten und die Pendelscheibe wird eine Gleichspannung angelegt, mit deren Hilfe man die Steifigkeit im Bereich von 1·10-1 N/m bis hinunter zu 10-3 N/m einstellen kann. Jede dieser parallelen Platten besteht aus vier Ringsegmenten. Jedes dieser Segmente kann als kapazitiver Sensor für die präzise, parallele Ausrichtung der Platten relativ zur Pendelscheibe benutzt werden. Ein neuartiger Algorithmus für digitale Signale zur optimalen Stabilisierung der Pendelposition wurde entwickelt. Regelkreise, bestehend aus interferometrischer Messung der Auslenkung und elektrostatischer Kompensierung wurden aufgebaut. Die Differenz zwischen den Kompensationsspannungen des Messscheibenpendels und des Referenzscheibenpendels wird verwendet, um die anliegende Kraft zu bestimmen. In ersten Messungen an Luft über einen Zeitraum von 40 h wurde für jedes Scheibenpendel ein Rauschpegel mit σ < 3·10-12 N (σ: Standardabweichung, Tiefpassfilter 10-2 Hz) ermittelt. Die Messeinrichtung wurde auf einem optischen Tisch mit einer neuartigen, selbst entwickelten aktiven Neigungsstabilisierung aufgebaut. Die Standardabweichung der Neigung des Tisches mit Neigungsstabilisierung war kleiner als 10-8 rad in einem Zeitraum von 40 h und damit um einen Faktor Tausend kleiner als ohne Stabilisierung.
Damit sind zwei wichtige Voraussetzungen für die Realisierung einer Nanokraftmesseinrichtung erfüllt.
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Abb. 1: Experimentieraufbau zur Realisierung einer Nanokraftmesseinrichtung.
Links: Gesamtaufbau auf optischem Tisch; rechts: Mess- und Referenzpendel mit optischer Detektion |
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Ansprechpartner: |
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© Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Erstellt am: 07.01.2008, letzte Änderung: 08.01.2008, D. Schulz |
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