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Absolute Längenmessungen bei Temperaturen bis hinunter zu 7 K

Besonders interessant für:
  • Weltraumtechnologie
  • Werkstoffproduzenten

Der PTB gelang es in einer Forschungskooperation, ihr Ultrapräzisionsinterferometer so weiterzuentwickeln, dass es auch bei kryogenen Temperaturen bis hinunter zu 7 K arbeitet und damit zur Messung der Längenausdehnung von Materialien speziell für Weltraumteleskope eingesetzt werden kann.

Der erweiterte Messpfad des Ultrapräzisionsinterferometers. A: Zweistufiger Pulsrohrkühler, speziell gebaut und angepasst von TransMIT. B: Erweiterter Messpfad zum Anschluss an das Ultrapräzisionsinterferometer. C: zu vermessende Maßverkörperungen (Probe in der Mitte) und Proben zur Aufnahme der Temperatursensoren (links und rechts).

Das Ultrapräzisionsinterferometer der PTB besteht aus einer Twyman-Green-Interferometer-Anordnung, die in einem evakuierbaren, temperierten Gehäuse untergebracht ist. Als Lichtquellen dienen drei Laser, deren Frequenzen jeweils auf Hyperfeinstrukturübergänge in Jod bzw. Rubidium stabilisiert sind. Da die entsprechenden Wellenlängen unter Vakuumbedingungen sehr genau bekannt sind, lassen sich mit dem Ultrapräzisionsinterferometer absolute Längen von endmaßähnlichen (prismatischen) Körpern bis 400 mm auf Subnanometer genau messen.

Um die thermische Ausdehnung, aber auch die zeitliche Stabilität von Materialien genau zu charakterisieren, wird das Interferometer üblicherweise als Ganzes mit einem innenliegenden Probekörper temperiert. Dabei ist jedoch der nutzbare Temperaturbereich auf 10 °C bis 50 °C beschränkt. Für die Konzeption moderner Weltraumteleskope ist hingegen das Verhalten spezieller Materialien bei kryogenen Temperaturen von besonderem Interesse.

Eine deutliche Vergrößerung des Temperaturbereichs hin zu kryogenen Temperaturen gelang der PTB in Zusammenarbeit mit dem TransMIT-Zentrum für Adaptive Kryotechnik und Sensorik im Rahmen eines von der ESA geförderten Projektes. Dazu wurde das Ultrapräzisionsinterferometer mit einem erweiterten Messpfad ausgestattet, der das Licht in ein externes Behältnis führt, in dem sich ein Probekörper separat temperieren lässt. Der speziell angepasste Kryostat basiert auf einem zweistufigen Pulsrohr-Kühler, der über flexible Kupferlitzen mit dem Probenbehältnis verbunden ist. Hierbei wird eine Temperatur der Proben bis zu 7 K erreicht.

Eine der größten Herausforderungen in diesem Projekt bestand in der Etablierung von Methoden zur Auswertung nichtstationärer Interferogramme, aus denen sich die absolute Länge von Probekörpern bis 50 mm im gesamten Temperaturbereich von 300 K bis 7 K auf ca. 1,5 nm genau bestimmen lässt. Die ersten Messungen wurden an Proben aus zwei verschiedenen Materialien durchgeführt, die als Substrate in Weltraumteleskopen in Frage kommen. In einem nächsten Schritt sollen die neu geschaffenen Möglichkeiten am Ultrapräzisionsinterferometer dazu benutzt werden, extrem genaue Standards zu definieren, die als Referenz für indirekte Messverfahren genutzt werden können.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Schödel, R.; Walkov, A.; Zenker, M.; Bartl, G.; Meeß, R.; Hagedorn, D.; Gaiser, C.; Thummes, G.; Heltzel, S.: A new Ultra Precision Interferometer for absolute length measurements down to cryogenic temperatures. Meas. Sci. Technol.,
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