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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Interferometrie an Kugeln

Arbeitsgruppe 5.41

Profil

Aufgaben

Aufgabe der AG 5.41 ist die präzise Bestimmung des Volumens von Siliziumkugeln (Masse 1 kg, Durchmesser etwa 93,6 mm). Die Einheit der Masse wird in der PTB nach der neuen Definition des Kilogramms rückführbar dargestellt, indem das Volumen von Präzisionskugeln bestimmt wird. Diese sind aus Einkristallen aus Isotopen-angereichertem Silizium mit Rundheitsabweichungen <100 nm hergestellt worden. In der Arbeitsgruppe wurden dazu zwei Fizeau-Interferometer mit sphärischen Referenzflächen entwickelt, mit denen das Volumen aus einer Vielzahl von interferometrisch bestimmten Durchmessern ermittelt wird. Aus den Positionen der gemessenen Subaperturen und deren Überlappung kann mit einem speziell für diese Anwendung entwickelten Stitching-Algorithmus die Topografie der Kugeln dargestellt werden. Siliziumkugeln höchster Präzision werden im Wissenschaftlichen Gerätebau Opens external link in new windowhttps://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt5/fb-55.html der PTB hergestellt; Kugeln aus natürlichem Isotopenverhältnis können aus kommerzieller Fertigung Opens external link in new windowhttps://www.hauser-optik.de/de/ bezogen werden.

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Forschung/Entwicklung

Forschung/Entwicklung

Bei den Forschungsarbeiten an den Kugelinterferometern werden im wesentlichen zwei Hauptziele verfolgt. Für die Realisierung des Kilogramms wird eine relative Messunsicherheit des Volumens unter 1·10-8 angestrebt, woraus sich ein beträchtlicher messtechnische Aufwand ableitet. Der dominierende Beitrag im Messunsicherheitsbudget ist die Bestimmung der Temperatur von Kugel und Referenzoptik. Dazu dienen absolut messende Pt25-Temperatursensoren sowie relativ messende Thermoelemente im Inneren der Interferometer. Beide Systeme werden durch Plausibilitätsmessungen überwacht und in regelmäßigen Zyklen rückführbar kalibriert. Ein weiterer Beitrag im Unsicherheitsbudget sind Intensität und Frequenz der benutzten Laserstrahlung, die daher durch geeignete Verfahren stabilisiert werden. Um den Einfluss der Abweichung des realen Justierzustands zum idealen optischen Design abzuschätzen, werden mit einem selbst entwickelten Strahlverfolgungsprogramm Simulationen der optischen Strahlführung durchgeführt. Dabei sind experimentelle Untersuchungen zur Wellenfrontaberration an Kugeln mit signifikanten Abweichungen von der idealen Form (PV>350 nm) von aktuellem Interesse. Einen weiteren Schwerpunkt der Forschungsarbeiten bildet die Messung von Kugeln geringeren Durchmessers. Hier steht die Bestimmung von Radiustopografien im Vordergrund. Kugeln mit Durchmessern von etwa 30 mm (und geplant hinunter bis 3 mm) erfordern neue Konzepte der mechanischen Handhabbarkeit und Miniaturisierung von Antrieben und Justierelementen. Eine Weiterentwicklung der Kugelinterferometer kann mit angepassten Kugelauflagen sowie Bewegungsmechanismen erreicht werden. Eine weitere Entwicklung wird durch die Modifizierung eines beidseitig antastenden Interferometers der AG 5.43 Opens external link in new windowhttps://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt5/fb-54/ag-543.html untersucht. Sind Kugeln dieser Durchmesserklasse hinreichend charakterisiert, können diese als Referenzobjekte für die KoordinatenmesstechnikOpens external link in new window https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt5/fb-53.html verwendet werden und dort zu einer reduzierten Messunsicherheit führen.

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Dienstleistungen

Dienstleistungen

Messungen mit den Kugelinterferometern zur Bestimmung des Kugelvolumens und/oder der Topographie können mit Kugeln mit Durchmessern zwischen 89 und 94 mm durchgeführt werden. Dabei sollte die Rauigkeit unter 1 nm und die Formabweichung unter 1 µm liegen. Für den mittleren Durchmesser werden Unsicherheiten von 0,6 nm erreicht. Für lokal aufgelöste Radienbestimmungen liegt - begrenzt durch die Präzision der Positionierbarkeit - die Unsicherheit bei 1,5 nm. Sollen topografische Untersuchungen durchgeführt werden, ist eine (Laser-)Markierung der Kugel sinnvoll. Geringstmögliche Unsicherheiten werden z. Zt. für Kugeln aus Silizium und Quarz erreicht. Für andere Materialien kann die relative Messunsicherheit deutlich ansteigen, da i.d.R. der optische Phasensprung nicht genau genug bekannt ist. Die Messung des Kugelvolumens wird neben dem Beitrag zur Darstellung der Einheit Kilogramm zur Rückführung der Dichtemessungen der PTB verwendet https://www.ptb.de/cms/de/ptb/fachabteilungen/abt1/fb-11/ag-113.html.

 

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