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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Erste absolute Längenmessungen bei tiefen Temperaturen

01.12.2011


Ähnlich wie das Präzisionsinterferometer [1] bezeichnet das Ultrapräzisionsinterferometer eine Vielzahl von Geräten in deren Mittelpunkt eine Twyman-Green Interferometeranordnung steht und die in einem evakuierbaren, temperierten Gehäuse untergebracht sind. Als Lichtquellen dienen drei Laser, deren Frequenzen jeweils auf Hyperfeinstrukturlinien von Jod- bzw. Rubidium-Molekülen stabilisiert sind. Dies ist eine der Grundvoraussetzungen für hochgenaue interferentielle Längenmessungen. Mit dem Ultrapräzisionsinterferometer lassen sich absolute Längen von Endmaß-ähnlichen (prismatischen) Körpern bis 400 mm sub-nm genau messen, da die Wellenlänge des Lichtes unter Vakuumbedingungen sehr genau bekannt ist (Vakuumwellenlänge). Dies erlaubt extrem genaue Messungen zur thermischen Ausdehnung aber auch zur Langzeitstabilität von Materialen. Hierzu wird üblicherweise das Interferometer als Ganzes, d.h. zusammen mit dem innenliegenden Probekörper, in einem Temperaturbereich von 10 °C bis 50 °C temperiert [2].

Eine deutliche Vergrößerung des nutzbaren Temperaturbereichs hin zu kryogenen Temperaturen ist Gegenstand eines von der ESA geförderten Projektes. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Bereichen der PTB (Wiss. Gerätebau FB 5.5, Temperatur FB 7.4) und einem externen Partner (TransMIT-Zentrum für Adaptive Kryotechnik und Sensorik) ist es gelungen, dieses Ziel zu erreichen. Hierbei wurde das Ultrapräzisionsinterferometer mit einem erweiterten Messpfad ausgestattet, der das Licht aus dem Interferometer in ein separates Behältnis führt, in dem sich ein Probekörper separat temperieren lässt (siehe Bild 1). Zunächst wurde ein Prototyp aufgebaut, der auf Kühlung mit flüssigem Stickstoff basiert. Mit diesem System ist es weltweit erstmalig gelungen, die absolute Länge von Maßverkörperungen bei Temperaturen bis hinunter zu 80 K zu messen (Beispiel siehe Bild 2). Hierbei beträgt die Abweichung der Datenpunkte von einem Polynom-Fit 4. Grades stets nur wenige Nanometer.

Der finale erweiterte Messpfad wird von einem Kryostat bis unter 10 K gekühlt. Dieser Kryostat basiert der auf der Pulsrohr-Kühler Technologie bei der die Verwendung von flüssigem Helium entfällt. Hier ist die Aufnahme erster Interferogramme bereits gelungen.

Im Mittelpunkt der laufenden Untersuchungen zur absoluten Länge von Probekörpern von Raumtemperatur bis zu kryogenen Temperaturen stehen Materialien, die für den Bau von Weltraumteleskopen von Bedeutung sind.

[1]        R. Schödel: Ultra high accuracy thermal expansion measurements with PTB’s Precision Interferometer. Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 084003.

[2]        Das neu aufgebaute Ultrapräzisionsinterferometer. R. Schödel, A. Walkov, PTB-Mitteilungen: 120 (2010), 1, ISSN 0030-834X.


Bild 1: Schematische Ansicht des erweiterten Messpfades, der an das „klassische“ Ultrapräzisionsinterferometer angeflanscht wird.


Bild 2: Die absolute Länge eines Probekörpers gemessen bei verschiedenen Temperaturen (Datenpunkte), Polynom-Fit 4. Grades und Abweichung vom Fit (Residuen).

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