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Wer einen Stecker in die Steckdose steckt, hat es meist mit einer Wechselspannung von 230 Volt zu tun. Achttausendmal höher ist die Spannung auf dem Freifeld der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Hier arbeitet ein Expertenteam mit Gleichspannungen bis zu 2 Millionen Volt. Die von ihnen entwickelte Messeinrichtung für derart hohe Spannungen ist weltweit einmalig und soll helfen, das Stromnetz der Zukunft fit zu machen für die Energiewende.

 

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Ein Symposium am 30. September im Institut Berlin der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) beleuchtet ein dunkles Kapitel in der Geschichte der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR). Während des nationalsozialistischen Herrschaftssystems sind auch Mitarbeiter der damaligen PTR Opfer antisemitischer, politischer und weltanschaulicher Verfolgung und Vertreibung geworden. Dieses öffentliche Symposium ist Teil eines Forschungsprojektes (bearbeitet von dem Wissenschaftshistoriker Prof. Dr. Dieter Hoffmann, Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte), das die Geschichte der Reichsanstalt und ihre Integration in das nationalsozialistische Herrschaftssystem zwischen 1933 und 1945 aufarbeitet.

 

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Qualitätsinfrastruktur – wer sie aufbaut, schafft für sein Land die notwendigen Rahmenbedingungen für einen fairen Handel und industrielle Entwicklung sowie für einen wirksamen Verbraucher-, Umwelt-, Klima- und Gesundheitsschutz. Im Auftrag des Bundesministeriums für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) unterstützt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) seit vielen Jahren den Aufbau von Qualitätsinfrastrukturen in Schwellen- und Entwicklungsländern. Im Mai 2020 haben BMZ und PTB eine neue Vereinbarung unterzeichnet, die den Auftrag der PTB deutlich ausbaut: Das Volumen für den Aufbau von Qualitätsinfrastruktur in Kooperationsländern der deutschen Entwicklungszusammenarbeit soll zukünftig jährlich mindestens 15 Millionen Euro betragen. „Die PTB ist auf dem Gebiet der Qualitätsinfrastruktur eine weltweit hoch angesehene Institution. Wir wollen mit der PTB auch in Zukunft eng und vertrauensvoll zusammenarbeiten....

 

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The German Research Foundation (DFG) will promote "Collaborative Research Center 1227 – Designed Quantum Material States" (DQ-mat) for four more years and provide roughly 9.2 million euros in funding. The DFG's senate announced this decision after its session on 28 May 2020. "The scientists working in the DQ-mat Collaborative Research Center have demonstrated their outstanding performance during the last four years. I am very pleased with this decision and would like to thank them for their great dedication. Once again, the DFG's vote shows that Leibniz University is also among the leading universities in Germany and beyond in the field of quantum optics," explains Prof. Volker Epping, the President of Leibniz University. In addition to Leibnitz University, the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig is involved in the Collaborative Research Center.

 

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Die EKG-Datenbank aus der PTB

 

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben in einem Artikel in der aktuellen-Ausgabe von Scientific Data, dem Datenjournal von Nature, die Beschreibung eines Datensatzes von 21837 10s-EKG-Signalen von 18885 Patienten veröffentlicht. Er ist damit der größte frei zugängliche Datensatz seiner Art und beispielsweise etwa 40-mal größer als die PTB Diagnostic Database, die bis jetzt häufig verwendet wurde. Er liefert maschinenlesbare Befunde und über 70 verschiedene EKG-Annotationen von bis zu zwei Kardiologinnen und Kardiologen. Der Datensatz ist öffentlich verfügbar bei PhysioNet (Opens external link in new windowhttps://www.physionet.org/content/ptb-xl) und im Scientific-Data-Artikel detailliert beschrieben. Der Datensatz wurde mit besonderem Hinblick auf die Verwendung zur Entwicklung von maschinellen Lernverfahren aufbereitet und zu deren besseren Vergleichbarkeit in...

 

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Seit acht Jahren erforschen Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), wie sich Störungen von Windkraftanlagen auf Einrichtungen der Flugsicherung verlässlich und realistisch abschätzen lassen. Die wissenschaftliche Aufgabe war messtechnisch komplex und das Vorgehen weltweit einmalig. Nun fließen die ermittelten Erkenntnisse in eine neue Prognose-Methode ein, welche in Zukunft die Zulassung von neuen Windenergieanlagen auf eine naturwissenschaftlich solide Basis stellt. Unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), dem Bundesaufsichtsamt für Flugsicherung (BAF) und der DFS Deutsche Flugsicherung GmbH soll die neue Berechnungsformel ab dem 1. Juni 2020 angewandt werden.

 

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Prof. Dr. Roman Schwartz

 

In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) steht ein Wechsel im Präsidium an – ein Wechsel, der zugleich Kontinuität verspricht. Der Halbleiter- und Festkörperphysiker Hon-Prof. Dr. Roman Schwartz scheidet altersbedingt aus dem Amt des Vizepräsidenten, das er vor sechs Jahren übernommen hatte, aus. Sein Nachfolger, Dr.-Ing. Prof. h. c. Frank Härtig, der ebenso wie Schwartz zuvor die PTB-Abteilung „Mechanik und Akustik“ für mehrere Jahre leitete, wird ab dem 1. Mai 2020 diese Aufgabe übernehmen. Für Roman Schwartz standen als Vizepräsident vor allem die „innenpolitischen Aspekte“ der PTB sowie, als weiterer thematischer Schwerpunkt, das gesetzliche Messwesen auf der Agenda. Schwartz bleibt der PTB allerdings auch im sogenannten Ruhestand für die kommenden Jahre im internationalen Netzwerk der Metrologie – als Präsident des Internationalen Komitees für das gesetzliche Messwesen (CIML) – verbunden. „Für die PTB und auch für mich...

 

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The Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) is sparing no effort in protecting its staff members from infection at work and curbing the spread of the coronavirus to the greatest extent possible. It is imperative that the exponential growth in the number of confirmed cases be interrupted; this will allow our healthcare system to provide the best possible medical treatment for all emergency cases on a long-term basis. At the same time, PTB must (and intends to) continue its fundamental research and service tasks as well as possible given the current constraints. All major state institutions – government agencies, trade, industry, education and research – are currently trying to pull off this balancing act. Only in this way can both society and the economy be “kept on life support” in the medium to long term. PTB has therefore imposed a multi-stage set of measures; its crisis management team will decide on an ongoing basis which of...

 

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Dort, wo üblicherweise gefräst, gespant und gebohrt wird, hat sich für den 17. März 2020 hoher Besuch zum Gespräch angekündigt. In der „Woche der beruflichen Bildung“ (vom 17.-24. März) schaut Niedersachsens Kultusminister Grant Hendrik Tonne auch in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) vorbei, um sich hier ganz gezielt über die Ausbildung der PTB zu informieren und um mit Auszubildenden ins Gespräch zu kommen. Begleitet wird er von Elke Büdenbender, der „First Lady Deutschlands“.

 

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Hardwarekomponenten eines Open-Source-Niedrigfeld-MR-Tomografen: Pulsgenerator, Hochfrequenzverstärker, Sende-/Empfangsumschalter mit Empfangsvorverstärker, Anregungsspule, Gradientenverstärker, x-, y- und z-Gradientenspulen für die räumliche Kodierung und MR-Magnete mit Einsätzen zur Feldhomogenisierung. Ein Kopfphantom dient zur Veranschaulichung der Dimensionen. Die Baupläne werden für alle frei zugänglich veröffentlicht und zur nicht-exklusiven (auch kommerziellen) Nutzung freigegeben.

 

Im Rahmen einer internationalen Kooperation arbeitet die PTB an der Entwicklung von kostengünstigen Magnetresonanztomografen (MRT) mit Veröffentlichung aller technologischen Details als Open-Source-Hardware (OSH). Mit solchen OSH-MRT konnten nun erste Aufnahmen gemacht werden.

 

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Schematische Darstellung der Floureszenzanregung einer Nanostruktur, die aus Atomen, verschiedener Elemente (A, B, C) zusammengesetzt ist. Bei Anregung mit einem Röntgenstrahl (E<sub>0</sub>) wird jeweils charakteristische Fluoreszenzstrahlung (E<sub>1</sub>, E<sub>2</sub>) emittiert.

 

In der PTB wurden Methoden zur elementspezifischen Rekonstruktion von periodisch nanostrukturierten Oberflächen optimiert, die für die Herstellung hochmoderner integrierter Schaltkreise verwendet werden. Durch die neuartige Analyse der Röntgenfluoreszenzstrahlung wird es möglich, die räumliche Verteilung von verschiedenen Atomen innerhalb der Nanostrukturen zu bestimmen.

 

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Berkovich-Spitze auf einem Silizium-AFM-Cantilever (großes Bild) zusammen mit den Idealabmessungen einer Berkovich-Spitze (oben links) und einer Seitenansicht der gefertigten Spitze (oben rechts). Der Öffnungswinkel beträgt (143 ± 0,5)<sup>o</sup>, was gut mit der Spitzendefinition der ISO-Norm übereinstimmt. Die effektive Spitzenhöhe <em>h</m> beträgt ca. 1&nbsp;μm und ist damit ausreichend für oberflächennahe, mechanische Messungen, z. B. zur Bestimmung des eindringtiefenabhängigen elektromechanischen Verhaltens nanoskaliger Halbleitermaterialien.

 

Der neuartige Picoindenter aus der PTB, der die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) als Eindringkörper verwendet, um Nanomaterialien dimensionell und mechanisch zu charakterisieren, wurde jetzt entscheidend erweitert: Im „Laboratory for Emerging Nanometrology“ (LENA) wurden mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) pyramidenförmige Berkovich-Spitzen auf AFM-Cantilevern hergestellt, die auch im Picoindenter zum Einsatz kommen können. Im Vergleich zu den herkömmlichen, konisch geformten AFM-Spitzen sind solche Eindringkörper mechanisch stabiler und ermöglichen langfristig schnelle dynamische Messungen sowie aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit auch elektrische Messungen.

 

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Schematische Darstellung der Molekül-basierten Einzelphotonenquelle für Anwendungen in der Quantenradiometrie, z. B. für die Kalibrierung eines Einzelphotonendetektors (1, SPAD) über einen Referenz-Detektor (2, analog). Der Wert von g<sup>(2)</sup>(0) = 0,08 bedeutet eine sehr niedrige Wahrscheinlichkeit, dass zwei Photonen gleichzeitig emittiert werden. DBT: Dibenzoterrylen.

 

Einzelphotonenquellen sind sogenannte nicht-klassische Lichtquellen. Anders als Laser oder Glühlampen senden sie das Licht nur als einzelne Quanten (Photonen) aus. Anwendungen dafür finden sich in vielen Bereichen der Quantentechnologie, z. B. in der Quantenabbildung, im Quantencomputing, in der Quantenschlüsselverteilung und in quantenverstärkten optischen Messungen. Außerdem sind sie ideal für bestimmte Bereiche der Radiometrie. Für diese Anwendungen wurde jetzt eine Quelle mit besonders hohem und spektral reinem Photonenfluss entwickelt.

 

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Schematisches Schaltbild (stark vereinfacht) einer Josephson-Impedanzmessbrücke kombiniert mit einem Quanten-Hall-Referenzwiderstand (QHR). Der Messstrom wird von zwei Stromquellen (links und rechts) eingespeist, die Spannungsmessung erfolgt quantenbasiert über zwei pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale (U<sub>1</sub> und U<sub>2</sub>). Nach Abgleich der Messbrücke durch Justierung der Spannungsverhältnisse und Phasenwinkel ist die durch den Detektor gemessene Spannung Null und damit das Verhältnis der Impedanzen des Prüflings (Z<sub>DUT</sub>) und des Quanten-Hall-Impedanznormals (Z<sub>QHR</sub>) gleich dem sehr genau bekannten Verhältnis der beiden Brückenspannungen U<sub>1</sub> und U<sub>2</sub>.

 

Die PTB untersucht im Rahmen eines europäischen Metrologieforschungsprojekts die Nutzbarkeit neuartiger Quanten-Hall-Widerstandsnormale auf der Materialbasis von Graphen für die Impedanzmetrologie. Die Arbeiten dienen der Entwicklung quantenbasierter Impedanzmessbrücken für vereinfachte Kalibrierungen elektrischer Wechselspannungsgrößen für den praxisnahen, flexiblen und effizienten Einsatz, zum Beispiel in Kalibrierlaboratorien oder in der Industrie. Erste Messungen zeigten bereits eine sehr gute Reproduzierbarkeit und belegen das Potenzial der neuen Methodik.

 

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Übersicht über die Inhalte der Datenbank. Jeder Eintrag entspricht einer Zeile in der Tabelle in zeitlicher Reihenfolge von oben nach unten. Schwarze Pixel zeigen vorhandene Werte an, fehlende Werte bleiben weiß.

 

Eine in der PTB entwickelte Datenbank liefert mehr als 20 000 EKG-Aufnahmen, maschinenlesbare Befunde und Anmerkungen von Kardiologen. Sie wurde vor allem für die Entwicklung maschineller Lernverfahren aufbereitet und ist zu deren besseren Vergleichbarkeit in Trainings- und Testabschnitte organisiert. Die Datenbank mit Namen PTB-XL ist bei PhysioNet öffentlich verfügbar.

 

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Der optische Inspektionskanal (gelb) ermöglicht die Detektion der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels, der sich am vertikalen Hubkolben (grau) ausbildet.

Zur Kalibrierung von kleinsten Durchflüssen (< 0,1 ml/min) wird in der PTB derzeit ein Kolbensystem zur volumetrischen Durchflussbestimmung aufgebaut, bei dem oberhalb der Dichtung des vertikal verfahrenen Kolbens eine Flüssigkeit mit geringem Dampfdruck eingebracht werden kann. Die bei diesem Messprozess üblicherweise entstehenden Unsicherheiten durch thermische Einträge werden minimiert. Ein optischer Kanal ermöglicht über die Detektion der Höhe des Flüssigkeitspegels in zwei Sichtfenstern zusätzlich das Aufspüren von Undichtigkeiten im System. (Technologieangebot 499)

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Sende- und Empfangsantenne zukünftiger Kommunikationssysteme im Millimeterwellen- und Terahertzfrequenzbereich müssen zielgerichtet aufeinander ausgerichtet werden, um miteinander kommunizieren zu können. Ein neues Konzept aus der PTB sieht vor, zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Drehfunkfeuer aus der terrestrischen Funknavigation zu kombinieren und für diesen neuen Anwendungsbereich zu miniaturisieren. Die PTB sucht einen Kooperationspartner zur Entwicklung dieser neuen Basistechnologie. (Technologieangebot 510)

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Die beiden faserbasierten Punktlichtquellen befinden sich auf dem bewegten Objekt. Der Bildsensor registriert das Interferenzmuster, dessen Orientierung den Rollwinkel angibt.

Die PTB hat ein kostengünstiges Verfahren entwickelt, um den Rollwinkel bei hochpräzisen Linearverstellern in der optischen Messtechnik oder der industriellen Fertigung besonders einfach zu messen. Es besteht aus nur zwei Single-Mode-Glasfasern sowie einem herkömmlichen Bildsensor und benötigt keine zusätzliche Optik. Die zwei fest zueinander positionierten Enden der Glasfasern befinden sich auf dem bewegten Objekt, der Bildsensor ist fest im Raum verankert. Die aus den Glasfasern emittierte Laserstrahlung erzeugt ein Interferenzmuster aus parallelen Streifen auf der Sensorfläche. Bei einer Rollbewegung des Objektes dreht sich somit auch das Interferenzmuster auf der Sensorfläche. Der Drehwinkel wird mittels Fourier-Analyse aus dem Streifenmuster berechnet. Der Messbereich von 360° kann mit einer Auflösung von wenigen Winkelsekunden, also etwa 0,001°, erfasst werden. Zudem ist das Verfahren unempfindlich gegenüber Nick- und...

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Auszeichnungen

Fabian Wolf

Der Mitarbeiter des QUEST-Institutes an der PTB wurde mit dem „Carl Zeiss Award for Young Researchers“ ausgezeichnet. Damit ehrt der Ernst-Abbe- Fonds im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft Wolfs Arbeit zu quantenverstärkten Messungen mit Fock-Zuständen der Bewegung von gefangenen Ionen.

Holger Großhans

Der Mitarbeiter des Fachbereichs 3.5 „Explosionsschutz in der Energietechnik“ erhält mit einem „ERC Starting Grant“ insgesamt 1,5 Millionen Euro Förderung für ein fünfjähriges Projekt, in dem es um die Verhinderung von Explosionen während des pneumatischen Pulvertransports geht. Das Projekt, an dem fünf Mitarbeiter beteiligt sein werden, hat zum Ziel, ein Open- Source-Tool zur Vorhersage, Evaluation und Begrenzung elektrostatischer Ladungen zu entwickeln.

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Dr.-Ing. Prof. h.c. Frank Härtig ist neuer Vizepräsident der PTB. Er löst damit Hon.-Prof. Dr. Roman Schwartz ab, der das Amt sechs Jahre lang innehatte. 

 

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