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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Übereinstimmung der beiden Kugelinterferometer der PTB besser als 1σ

16.12.2019

Für die Kontinuität bei der Darstellung der SI-Basiseinheit Kilogramm auf der Grundlage der Planck-Konstanten hat das internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) zusammen mit dem beratenden Komitee für Masse (CCM) einen internationalen Ringvergleich initiiert, der zunächst fünfmal in einem Abstand von 2 Jahren wiederholt werden soll. Im Rahmen dieses Key Comparisons tritt auch das XCRD-Experiment an, um mit möglichst geringer Messunsicherheit eine hohe Reproduzierbarkeit der ersten Test-Realisierung [1] zu demonstrieren.

Für die Bestimmung der Volumina von Silicium-Kugeln existieren in der PTB zwei Fizeau Interferometer mit sphärischen Referenzflächen. Das Kugelinterferometer 2 unterscheidet sich hinsichtlich seiner optischen Komponenten deutlich vom Kugelinterferometer 1. Bislang war der Einsatz des Kugelinterferometers 2 aufgrund des sich unter der 1 kg Last verformenden Etalons eingeschränkt. Die Verformung konnte mit dem Einsatz von zwei neuen Bodenplatten von zuletzt 1 nm auf reproduzierbare 0.15 nm reduziert werden, sodass mit dem Beginn des Jahres 2019 Messungen im Kugelinterferometer 2 mit sehr kleiner Messunsicherheit möglich waren. Es wurden daher Vergleichsmessungen mit beiden Interferometern durchgeführt. Zwei Silicium-Kugeln natürlichen Isotopenverhältnisses, mit verschiedenen Durchmessern und mit unterschiedlicher Topografie, wurden nacheinander in beiden Interferometern gemessen und die Ergebnisse miteinander verglichen (Abb.1). Die gemessenen Topografien sind in der Mollweide-Projektion zwischen den beiden Interferometern nicht zu unterscheiden, und tatsächlich beträgt die relative Abweichung der Volumina nur 4.5 x 10-9 und 3.2 x 10-10 und befindet sich damit deutlich innerhalb der relativen Messunsicherheit von 7.0 x 10-9. Eine Überprüfung der Reproduzierbarkeit im Langzeitvergleich ist zwar noch ausstehend, aber aufgrund der guten Übereinstimmung wurde im Kugelinterferometer 2 mit ersten Messungen an isotopenangereicherten 28Si Kugeln begonnen. Dies ist wichtig, um der ansteigenden Zahl zu messender Kugeln gerecht zu werden und um die Messergebnisse der Volumina mit ihrer extrem geringen Messunsicherheit validieren zu können.



Abb. 1: Radius-Topografien von zwei natürlichen Silicium-Kugeln, links: Si-PTB-12-05 (pv = 16 nm, r(KI1) - r(KI2) = 0.005 nm) und rechts: Sinatkg06c (pv = 10 nm, r(KI1) - r(KI2) = 0.07 nm).

[1] M Stock et al 2018 Metrologia 55 T1

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