Wissenschaft

Am Elektronenspeicherring Metrology Light Source (MLS) der PTB in Berlin-Adlershof ist es erstmals gelungen, die dreidimensionale Verteilung von Elektronen in Molekülen durch Elektronenspektroskopie sichtbar zu machen. Dazu wurden auf einer Metalloberfläche angeordnete Moleküle mit kurzwelliger Synchrotronstrahlung bestrahlt und die Winkel- und Energieverteilung der über den photoelektrischen Effekt herausgelösten Elektronen gemessen. Das als Orbitaltomografie bezeichnete Verfahren wurde an der TU Graz und dem Forschungszentrum Jülich entwickelt und in Kooperation mit der PTB erstmals erfolgreich auf drei Dimensionen erweitert. Die Ergebnisse konnten insbesondere durch eine genaue radiometrische Charakterisierung der anregenden Strahlung erzielt und im Oktober 2015 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht werden.

Der Spektralbereich zwischen der Infrarotstrahlung und den Mikrowellen wurde noch vor wenigen Jahren in der Strahlungsmesstechnik als „THz-Lücke“ bezeichnet, weil für Frequenzen um 1 THz die Strahlungsmesstechnik kaum entwickelt war. Mit der sich abzeichnenden zunehmenden Bedeutung der THz-Strahlung für die Prozessüberwachung und Sicherheitstechnik hat die PTB in ihrer Arbeitsgruppe „THz-Radiometrie“ in den vergangenen Jahren systematisch die quantitative Messung von THz-Strahlung aufgebaut und als Kalibrierdienstleistung von 1 THz bis 5 THz an Kunden in der ganzen Welt weitergegeben.

Moderne Methoden der externen Strahlentherapie haben zum Ziel, die Bestrahlungsparameter so zu wählen, dass eine möglichst große Wirkung im Tumorgebiet erzielt und umliegendes, gesundes Gewebe optimal geschont wird. Diese Dosiskonformität im Zielgebiet wird erst durch den Einsatz bildgebender Verfahren möglich. Durch die Kombination eines Bestrahlungssystems mit einem bildgebenden Verfahren wie der Magnetresonanztomografie (MRT) wird es möglich, auf zeitliche Änderungen der Anatomie einzugehen. Diese Neuentwicklung kann die Erfolgschancen einer Strahlentherapie verbessern, z. B. bei der Bestrahlung von Tumoren, die sich aufgrund von Atmung oder Herzschlag stark bewegen. Die MR-geführte Strahlentherapie bringt aber auch eine Reihe neuer Herausforderungen mit sich. Ein konkretes Beispiel dafür stellt die Dosimetrie in kombinierten MR-Bestrahlungsgeräten dar.

Optische Atomuhren gelten als die Uhren der Zukunft. Bei ihnen werden die als „Pendel“ wirkenden Atome resonant mit optischer Strahlung angeregt. Im Vergleich zu Cäsiumatomuhren, auf denen die SI-Basiseinheit Sekunde zurzeit beruht, ist ihre Anregungsfrequenz deutlich höher. Somit hat ihr Taktgeber eine viel höhere Resonanzgüte. Das bewirkt eine erheblich größere Genauigkeit (kleinere Abweichung von der wahren Frequenz) sowie höhere Stabilität (kürzere notwendige Mittelungszeit für eine Messung). Auf beiden Gebieten haben optische Atomuhren der PTB derzeit die Nase vorn.

Wasserdampfmessungen zählen zu den wichtigsten, aber auch schwierigsten Messungen an Bord von Forschungsflugzeugen. Während der letzten fünf Jahre wurden an der PTB, teilweise in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich, zwei vollkommen neue Hygrometer-Gerätefamilien („SEALDH“ und „HAI“) entwickelt, die dank konsequenter metrologischer Rückführung zuverlässigere Messdaten versprechen.

Die Ausgangsspannung eines pulsgetriebenen ACJosephson- Spannungsnormals konnte durch die dreifache Stapelung von Josephson-Kontakten und durch die Serienschaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten auf einen Effektivwert von 1 V erhöht werden. Derartige Spannungsnormale ermöglichen die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet.

Seit der Neudefinition der SI-Basiseinheit Sekunde im Jahr 1967 sind die primären Caesium-Atomuhren, die die Zeiteinheit „Sekunde“ realisieren, in jeder Dekade um etwa eine Größenordnung genauer geworden. Neuerdings sind allerdings optische Atomuhren, bei denen statt des Mikrowellenübergangs im Caesium eine scharfe Linie im optischen Spektralbereich mit einem Laser abgefragt wird, den besten Caesium-Atomuhren hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Stabilität um Größenordnungen überlegen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, zu gegebener Zeit die SI-Sekunde über einen geeigneten optischen Übergang zu definieren.

Die direkte Darstellung der Basiseinheit Ampere im neuen SI erfolgt mit Quantenstromquellen, die einen mit einer Frequenz f getakteten Strom I einzelner Elektronen erzeugen: I = ef. Die PTB entwickelt eine sogenannte selbstreferenzierte Quantenstromquelle. Diese integrierte Quantenschaltung besteht aus in Serie geschalteten Halbleiter-Einzelelektronen- Stromquellen und metallischen Einzelelektronen- Detektoren möglichst hoher Bandbreite.

Für die Neudefinition und Realisierung des Kilogramms über Naturkonstanten verfolgt die PTB im Avogadroprojekt gegenüber den von einigen Ländern favorisierten Wattwaagenprojekten den Weg über das „Zählen“ von Atomen in Isotopenangereicherten Silizium-Einkristallen mithilfe der sogenannten X-Ray-Crystal-Density-Methode.

Dort, wo Wissenschaftler oft in kleinste Dimensionen abtauchen, werden künftig auch tonnenschwere Kolosse eine Rolle spielen: Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) will in ihrem zukünftigen Kompetenzzentrum Windenergie bis zu vier Meter große Zahnräder vermessen. Ziel ist es, eine Messtechnik zu entwickeln und bereitzustellen, die den Betrieb von immer größeren und leistungsfähigeren Windanlagen ermöglicht. Um dieses technische Neuland zu meistern, entsteht – mit 10 Millionen Euro vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert – auf dem PTB-Gelände in Braunschweig ein eigens für diesen Zweck konzipiertes Gebäude. Es wird ein Groß-Koordinatenmessgerät, mit dem immense Windanlagen-Bauteile gemessen werden können, beherbergen sowie Mess- und Kalibriereinrichtungen für sehr große Drehmomente. Zudem hält eine neue Windgeschwindigkeitsmesstechnik Einzug, um die Ertragsprognosen für hohe Windräder zu verbessern. Damit ist die PTB das...