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Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Kugelinterferometer: Wiederholungsmessungen über anderthalb Jahrzehnte zeigen bemerkenswerte Reproduzierbarkeiten

01.12.2015

Vor 15 Jahren sind mit dem damals neu entwickelten Kugelinterferometer zwei Siliziumkugeln für die Rückführung der Dichte hinsichtlich ihres Volumens kalibriert worden. Seitdem wurde das Interferometer im Rahmen der Anstrengungen zur Neubestimmung der Einheit Kilogramm kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Damit einher ging unter anderem der Austausch zentraler Komponenten wie Optiken und Bewegungsapparatur und im Laufe der Zeit mehrfache Neujustierungen des gesamten optischen Strahlengangs.

Insbesondere der Wechsel zu anderen Referenzobjektiven stellt eine drastische Änderung am optischen System dar. So hatten zwar die ursprünglichen Objektive kleinere Formabweichungen von unter 20 nm, waren allerdings nicht für den Einsatz im Vakuum konzipiert, was einen wesentlichen Einfluss auf die Wellenfronteigenschaften bewirkt. Für die Nachfolgeobjektive, die auch heute noch im Einsatz sind, ist der Vakuumeinsatz berücksichtigt worden; allerdings betragen die Formabweichungen der Referenzflächen zwischen 30 und 60 nm.

Nicht zu vernachlässigen ist auch der langjährige Erfahrungsgewinn, was die Genauigkeit der Justierprozedur angeht. So beinhalten die alten Messdaten im direkten Vergleich noch deutliche Abweichungen, die sich mit heutigem Kenntnisstand bei der Justierung des Interferometers minimieren ließen.

Im Rahmen einer Rekalibrierung wurden nun die zwei erwähnten Siliziumkugeln erneut im Kugelinterferometer gemessen. Trotz der erheblich unterschiedlichen experimentellen Grundvoraussetzungen zwischen damals und heute konnten die Werte des mittleren Durchmessers für die zwei Kugeln in der Neubestimmung auf etwa 10-9 reproduziert werden und liegen damit eine Größenordnung unter den bislang angegebenen Unsicherheiten. 


Abb. 1 Reproduzierbarkeit der Durchmesserbestimmungen am Kugelinterferometer. Links die Siliziumkugel Si1, rechts Si2, wobei jeweils links das Messergebnis samt Unsicherheit vom Jahr 2001, rechts das des Jahres 2015 dargestellt ist.

   
Abb. 2 Formabweichungen zweier Siliziumkugeln zur Dichterückführung. Die Farbskala umfasst eine Radiendynamik von rund 100 nm.

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