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Fertigung von Siliziumkugeln für das Avogadroprojekt

Nachricht des Jahres im PTB-Jahresbericht 2014

30.12.2014

Im Rahmen des Avogadroprojektes zeigten Messungen an den beiden im Australian Centre for Precision Optics gefertigten 28Si-Kugeln Kontaminationen der Oberflächen mit Kupfer und Nickel. In der Folge musste die Messunsicherheit für das Kugelvolumen erhöht werden. Die resultierende Gesamtunsicherheit für die Avogadro-Konstante betrug 3 ∙ 10–8. Da dieser Unsicherheitswert für die geplante Neudefinition des Kilogramms noch nicht hinreichend ist, wurde beschlossen, eine Verbesserung der Form und der Oberflächeneigenschaften der Kugeln durch eine Nachbearbeitung in der PTB zu realisieren. Auch die Fertigung weiterer Siliziumkugeln für das Projekt soll in Zukunft hier durchgeführt werden. In der Arbeitsgruppe „Fertigungstechnologie“ wurden daher neuartige mehrstufige Verfahren entwickelt, mit denen deterministisch und reproduzierbar vom Rohling bis zum Finishing die gewünschten Eigenschaften erreicht werden können.

Die verschiedenen Entwicklungsstufen bei der Fertigung einer Siliziumkugel

Im Rahmen des Avogadroprojektes zeigten Messungen an den beiden im Australian Centre for Precision Optics gefertigten 28Si-Kugeln Kontaminationen der Oberflächen mit Kupfer und Nickel. In der Folge musste die Messunsicherheit für das Kugelvolumen erhöht werden. Die resultierende Gesamtunsicherheit für die Avogadro-Konstante betrug 3 ∙ 10–8. Da dieser Unsicherheitswert für die geplante Neudefinition des Kilogramms noch nicht hinreichend ist, wurde beschlossen, eine Verbesserung der Form und der Oberflächeneigenschaften der Kugeln durch eine Nachbearbeitung in der PTB zu realisieren. Auch die Fertigung weiterer Siliziumkugeln für das Projekt soll in Zukunft hier durchgeführt werden. In der Arbeitsgruppe „Fertigungstechnologie“ wurden daher neuartige mehrstufige Verfahren entwickelt, mit denen deterministisch und reproduzierbar vom Rohling bis zum Finishing die gewünschten Eigenschaften erreicht werden können.

Mit der bereits erreichten und den zu erwartenden Verbesserungen bei Form- und Oberflächenqualität der in der PTB gefertigten Siliziumkugeln rückt eine relative Gesamtmessunsicherheit für die Bestimmung der Avogadro-Konstante von kleiner 2 ∙ 10–8 in greifbare Nähe.