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Gruppenfoto mit (von links) Prof. Lutz Trahms (PTB), Prof. Johanna Wanka, (hinter Frau Wanka und kaum zu sehen: Prof. Dr. Bernd Hamm, Direktor der Klinik für Radiologie der Charité), Eva Braun, Steffen Krach, Prof. Matthias Taupitz (Charité), Prof. Joachim Ullrich (Präsident der PTB) (Foto: PTB, Marvin Rust)

Einen Film vom Blutfluss im schlagenden Herzen zu drehen – die neue Technik des Magnetic Particle Imaging (MPI) macht es möglich. Das gänzlich neue Verfahren kann magnetische Eisenoxid-Nanopartikel mit hoher Empfindlichkeit und in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung im Körper nachweisen und so zum Beispiel Herz-Kreislauf-Probleme oder Tumore aufspüren helfen. An der Charité – Universitätsmedizin Berlin wurde jetzt ein in Deutschland entwickeltes MPI-Gerät eingeweiht, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen einer Großgeräteinitiative mit knapp 4 Millionen Euro gefördert worden ist. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist bei dem Projekt als Kooperationspartnerin beteiligt und sorgt für die messtechnische Charakterisierung der Nanopartikel. 

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Uhrenvergleiche zwischen Atomuhren mit Caesium und Ytterbium bestätigen die Konstanz einer Naturkonstante: des Massenverhältnisses von Proton und Elektron. (Abb.: PTB)

Sind Naturkonstanten wirklich konstant? Neue Untersuchungen in der PTB zeigen: Eine wichtige Naturkonstante, nämlich das Massenverhältnis von Proton zu Elektron, kann sich selbst über das Alter unseres Sonnensystems von etwa 5 Milliarden Jahren hochgerechnet nur maximal um einen millionstel Teil verändert haben. Bisher galt die allenfalls noch mögliche Änderung als doppelt so hoch. PTB-Physiker verglichen dazu über 7 Jahre hinweg Caesium- und Ytterbium-Atomuhren miteinander.

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Screenshot der App TrackYourDose

Vielflieger können seit neuestem über die App TrackYourDose ihre persönliche Strahlungsbelastung auf Flugreisen überwachen. Hinter der App steht die intensive Forschungstätigkeit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Seit 1997 untersucht die PTB die kosmische Strahlung in typischen Reiseflughöhen und hat auf dieser Basis mathematische Modelle für die Berechnung der Strahlungsdosis entwickelt. Durch die Lizenzierung dieser mathematischen Modelle an das Start-Up-Unternehmen esooka ist das Monitoring der eigenen Strahlenbelastung auf Flugreisen nunmehr einem breiten Publikum zugänglich. Für Vielflieger und andere Interessierte steht eine entsprechende App im Apple-Store seit Ende 2014 zur Verfügung.

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Schema des Satellitenvergleichs der optischen Strontium-Gitteruhren der PTB in Braunschweig und des NICT in Tokio. Die Pfeile repräsentieren den Up- (rot) und Down-Link des Zweiwegverfahrens, das Störungen sehr gut unterdrückt.

Interkontinentale Vergleiche von Atomuhren sind derzeit nur mithilfe von Satelliten möglich. Das bei den verwendeten Methoden vorhandene Messrauschen bestimmt dabei die erforderliche Messzeit. Für den Vergleich der optischen Strontium-Gitteruhren der PTB und des japanischen Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Tokio wurde jetzt eine neue, vom NICT entwickelte Methode mit verbesserter Stabilität verwendet.

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Aus dem aus Russland gelieferten polykristallinen Material hat das Institut für Kristallzüchtung, Berlin, einen hochreinen <sup>28</sup>Silizium-Einkristall gezogen. Er besitzt eine Isotopenreinheit von 99,998 %. Hieraus fertigt die PTB nahezu perfekte Kugeln und wird aus deren Analyse die Avogadro- und die Planck-Konstante bestimmen.

Im neuen Einheitensystem gehören die Avogadro-Konstante und das Planck’sche Wirkungsquantum zu den wesentlichen Eckpfeilern. Die Messungen dieser Konstanten wurden im internationalen Avogadroprojekt vorangetrieben und basieren auf dem Zählen von Atomen in Kugeln aus reinem Silizium. Nachdem vor einigen Monaten von russischen Vertragspartnern neues, nahezu isotopenreines Ausgangsmaterial geliefert wurde, konnte das Berliner Leibniz-Institut für Kristallzüchtung daraus einen Einkristall züchten, der jetzt in die PTB geliefert wurde. In der PTB erfolgen nun die Produktion der Kugeln und alle anschließenden Messungen. Das erklärte Ziel ist die Bestimmung der Avogadro-Konstanten mit einer relativen Unsicherheit von 1 ∙ 10–8 oder besser.

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Die Abbildung zeigt ein Interferometer: Der Durchmesser der in der Mitte liegenden Siliziumkugel wird äußerst exakt gemessen − ein Zwischenschritt auf dem Weg zu einer neuen Kilogramm-Definition.

Es ist Dampf unterm Kessel. Im internationalen Wettstreit um die genaueste Definition für das Kilogramm haben die Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt nicht nur das Rezept in der Tasche, sondern auch alle Zutaten beisammen: Sie haben eine komplexe Kette aus vielen Fertigungs- und Analyseschritten aufgebaut, um über das Zählen von Atomen in einer Siliziumkugel zwei Naturkonstanten genau festzulegen − die Avogadro-Konstante und das Planck’sche Wirkungsquantum. Dies sind die Eckpfeiler einer neuen Kilogramm-Definition. Die neuen Fertigkeiten und Messverfahren, die in den vergangenen Monaten und Jahren unter anderem auch im Rahmen des internationalen Avogadro-Projekts entwickelt wurden, müssen sich nun in der Praxis beweisen: Im März erhält die PTB einen Kristall aus hochreinem Silizium-28, aus dem zwei Kugeln gefertigt und anschließend analysiert werden. Die dabei ermittelten Werte für die Avogadro- und die...

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Im neuen Internationalen Einheitensystem (SI) werden sieben Naturkonstanten als definierende Bezugsgrößen festgelegt. (Grafik: PTB)

Die Sekunde und der Meter sind als Streber schon vorgeprescht. Das Kilogramm, das Ampere und die anderen aus der Klasse der physikalischen Basiseinheiten versuchen nun den Anschluss zu schaffen. So könnte man ausdrücken, was sich gerade in der Welt der Metrologie, in der Welt des Messens, tut. Das Internationale Einheitensystem steht vor einer grundlegenden Neudefinition: Naturkonstanten sollen in Zukunft für alle sieben Basiseinheiten und für alle abgeleiteten Einheiten als definierende Bezugsgrößen dienen. Anfällige Objekte wie das Ur-Kilogramm oder völlig unpraktische Formulierungen wie für die elektrische Stromstärke werden dann ausgedient haben. Die experimentellen Vorbereitungen für diese neuen Definitionen laufen weltweit – und speziell in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) – auf Hochtouren. Auf der nächsten Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2018 soll diese neue Ära dann voraussichtlich offiziell...

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Im Mai 2014 ist die zweite Edition der internationalen Normenreihe IEC 61331 publiziert worden, die unter maßgeblicher Beteiligung und Federführung der PTB entstanden ist. Diese aus drei einzelnen Normen bestehende Reihe definiert Anforderungen, Prüfprozeduren und Kennzeichnungen für Strahlenschutzkleidungen und Abschirmungen. Neu ist, dass nun auch bleifreie Schutzmaterialien durch ein verbessertes Prüfverfahren adäquat berücksichtigt sind. Der Anwendungsbereich der Normen wurde auf Gammastrahlung von Radionukliden erweitert. Erstmalig wurden auch Strahlenschutzbrillen mit einbezogen. Die Anwendung dieser Normen bedeutet eine erhebliche Verbesserung des Strahlenschutzes des Personals und der Patienten in der medizinischen Röntgendiagnostik und der Nuklearmedizin.

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Im Rahmen eines EMRP-Vorhabens mit dem Titel „Metrology for radiological early warning networks in Europe“ (ENV57-MetroERM) arbeiten seit Juni 2014 insgesamt 16 Institutionen in Europa an einer Harmonisierung der radiologischen Daten aus den heutigen radiologischen Frühwarnsystemen, indem Standardverfahren und -methoden definiert werden sollen, um genauere Informationen aus den Messdaten ableiten zu können.  Zudem ist geplant, neue Detektoren und Messsysteme zu entwickeln und zu erproben. Einzelheiten in englischer Sprache sind auf folgender Webseite zu finden: www.earlywarning-emrp.eu

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