Logo PTB

Forschungsnachrichten der Abteilung 7

Grundlagen der Metrologie

Messungen im Vakuum-UV für die Sonnenforschung

Im PTB-Laboratorium am Elektronenspeicherring BESSY II wurde die Charakterisierung von Raumfahrtinstrumenten für die Sonnenbeobachtung im Vakuum-UV-Spektralbereich in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und dem Rutherford Appleton Laboratory mit umfangreichen Messungen für die Missionen LYRA, SWAP (ESA) und MOSES (NASA) fortgesetzt. Außerdem demonstrierte eine Rekalibrierung der SUMER-Kalibrierquelle die hohe Langzeitstabilität und Verlässlichkeit von Transferstrahlernormalen auf der Basis von Hohlkathodenplasmen. (M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

Erste Experimente mit Femtosekunden-Laserstrahlung im Vakuum-UV

Am weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser (FEL) für kurzwellige Vakumm-UV-Strahlung, der am 3. August 2005 am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg durch den Bundeskanzler offiziell in Betrieb genommen wurde, konnten im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen PTB, DESY und Ioffe-Institut (St. Petersburg) bereits Messungen zur FEL-Photonendiagnostik sowie erste erfolgreiche Experimente zur nichtlinearen Wechselwirkung von Femtosekunden-Laserstrahlung im Vakuum-UV mit Materie durchgeführt werden. (M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

Referenzprobenfreie Röntgenfluoreszenzanalyse für die Schichtdickenbestimmung von Nanometerschichten

Die auf atomare Fundamentalparameter gestützte Quantifizierung der referenzprobenfreien Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) von Schichten im Nanometerbereich wurde mithilfe der Röntgenreflektometrie experimentell validiert sowie für die Nutzung von L-Fluoreszenzlinien erweitert. Referenzprobenfreie RFA kann vorteilhaft eingesetzt werden bei sehr dünnen oder inhomogenen Schichten sowie bei Schichten, die mehrere Elemente beinhalten. (B. Beckhoff, FB 7.1, burkhard.beckhoff(at)ptb.de)

Resonante Ramanstreuung von Röntgenstrahlung

Die Streuquerschnitte der resonanten Ramanstreuung an Silicium und Nickel wurden für monochromatische Röntgenstrahlung mit geringen Unsicherheiten absolut bestimmt. Damit ist in der referenzprobenfreien Röntgenfluoreszenzanalyse eine verbesserte Quantifizierung des spektralen Untergrundes möglich, der durch resonante Ramanstreuung an relevanten Matrix- oder Substratelementen hervorgerufen wird. (B. Beckhoff, FB 7.1, burkhard.beckhoff(at)ptb.de)

Oxiddickenbestimmung auf einer Silicium-Kugel

Für das von der PTB mit internationaler Beteiligung durchgeführte Avogadro-Projekt zur Neudefinition der Masseneinheit ist u. a. die Dicke der Oxidschicht an der Oberfläche von Bedeutung. Mit Röntgenreflektometrie bei Photonenenergien in der Nähe der Sauerstoff-Absorptionskante war eine Bestimmung der Dicke auch auf der stark gekrümmten Kugeloberfläche möglich. (M. Krumrey, FB 7.1, michael.krumrey(at)ptb.de)

Metrologie im Wasserfenster

Für das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) wurden fokussierende Spiegel für den Wellenlängenbereich um 3 nm vermessen. Mit Reflexionsgraden von bis zu 15 % bei senkrechtem Einfall hat das IOF hier eine weltweit führende Stellung und ist zur Weiterentwicklung auf die Messtechnik der PTB angewiesen. (F. Scholze, FB 7.1, frank.scholze(at)ptb.de)

7-T-Wellenlängenschieber als primäres Strahlernormal?

Erste Messungen zur Nutzung des supraleitenden 7-T-Wellenlängenschiebers im Elektronenspeicherring BESSY II als berechenbare Strahlungsquelle im Bereich der harten Röntgenstrahlung wurden durchgeführt. Insbesondere wurde die horizontale Intensitätsverteilung spektral aufgelöst untersucht. (R. Klein, FB 7.1, roman.klein(at)ptb.de)

Verbesserte Kalibrierung von Strahlungsempfängern

Mit einer neuen Messanlage, die ein Kryoradiometer als Primärnormal für Strahlungsleistungsmessungen und verschiedene Strahlungsquellen nutzt, können Strahlungsempfänger im UV und IR mit verringerten Standardunsicherheiten von 0,1 % bis 0,2 % kalibriert werden. Im UV wird dafür die intensive Strahlung eines Argon-Bogenplasmas eingesetzt. Im IR kann mit einem abstimmbaren Diodenlaser in einem begrenzten Spektralbereich um 1500 nm sogar eine Unsicherheit von 0,05 % erreicht werden. (L. Werner, FB 7.2, lutz.werner(at)ptb.de)

Messung elektrischer Feldstärken mit Zweiphotonenspektroskopie an atomarem Wasserstoff

In einer Niederdruckzelle, in der ein elektrisch geheizter Wolframdraht für Moleküldissoziation sorgt und gleichzeitig ein elektrisches Feld erzeugt, wurde der Zweiphotonenübergang 1s → 3s/3d des Wasserstoffatoms dopplerfrei angeregt. Das Absorptionsspektrum beim Durchstimmen des Pulslasers wurde optogalvanisch und mithilfe der Hα-Fluoreszenz gemessen. Aufgrund des Stark-Effekts zeigt es verschiedene Linienkomponenten, aus deren Frequenzabstand elektrische Feldstärken bis hinab zu 50 V/cm bestimmt werden können. (A. Steiger, FB 7.2, andreas.steiger(at)ptb.de)

Partialdruckmessung mit Laserabsorptionsspektroskopie

Im Prinzip kann die Strahlungsabsorption in einer Spektrallinie einer bestimmten Molekülart für ein Primärverfahren zur Partialdruckmessung genutzt werden, weil sie proportional zur Dichte bzw. zum Partialdruck dieser Spezies ist. Dass auf diese Weise tatsächlich rückführbare Messungen mit geringen Unsicherheiten durchgeführt werden können, ist erstmals mit Absorptionsmessungen von durchstimmbarer Diodenlaserstrahlung an einer Herriott-Vielfachreflexionszelle für CO2 in N2 demonstriert worden. Für die Partialdruckmessung wurde eine erweiterte relative Unsicherheit (k = 2) von 1,5 % (bei 1 % relativer Unsicherheit der Linienstärke) erreicht und durch Messungen an gravimetrisch präparierten Gasgemischen der PTB und der BAM bestätigt. (K. Jousten, FB 7.3, karl.jousten(at)ptb.de)

Experimentelle Bestätigung von Monte-Carlo-Simulationen der Dichteverteilung in einer UHV-Kammer

Dichteinhomogenitäten in Kalibrierkammern für Vakuummessgeräte führen zu ortsabhängigen Korrekturen des Kalibrierdrucks. Die geringen Inhomogenitäten (einige 10-3) in Vakuumprimärnormalen können durch Monte-Carlo-Simulationen berechnet werden. Zum ersten Mal wurden solche durch Simulationen ermittelten Dichteunterschiede auch experimentell nachgewiesen und mit einer Standardunsicherheit von 0,05% bestätigt. (K. Jousten, FB 7.3, karl.jousten(at)ptb.de und T. Bock, FB 7.3, thomas.bock(at)ptb.de)

Reduzierung der Offsetschwankungen von Gasreibungsvakuummetern durch Schwingungsisolation

Um die Rauschgrenze kommerzieller Gasreibungsvakuummeter zu bestimmen, wurden diese auf einer schwingungsgedämpften Vorrichtung betrieben. Die Rausch- und Messgrenze ließ sich bis hinab zu 1/30 des Wertes bei ungedämpfter Anbringung senken. überraschenderweise hing die Größe der Reduzierung vom magnetischen Aufhängekopf ab. Der Schluß liegt nahe, dass Inhomogenitäten im Magnetfeld eine wesentliche Ursache für die Messgrenze sind. (K. Jousten, FB 7.3, karl.jousten(at)ptb.de und T. Bock, FB 7.3, thomas.bock(at)ptb.de)

Neudefinition des Wasserstoff-Fixpunktes

Die Definition des Wasserstofftripelpunktes (T = 13,8 K) wurde vom Beratenden Komitee für Thermometrie (CCT) durch Festlegung der Isotopenzusammensetzung präzisiert und damit die Unsicherheit seiner Darstellung um eine Größenordnung verringert. Die Neudefinition wurde möglich, weil von der PTB koordinierte Untersuchungen, an denen sich die acht führenden metrologischen Institute beteiligten, einen ausreichend genauen Wert für die Abhängigkeit der Tripelpunkttemperatur vom Deuteriumgehalt lieferten. (B. Fellmuth, FB 7.4, bernd.fellmuth(at)ptb.de)

Neue Methodik für die Fixpunktdarstellung

Bei der Darstellung der Temperaturfixpunkte der ITS-90 resultiert die dominierende Unsicherheitskomponente meistens aus dem Einfluss von Verunreinigungen der Fixpunktmaterialien. Bisher gab es keine abgestimmte, zuverlässige Methode zur Abschätzung dieser Komponente. Jetzt hat das Beratende Komitee für Thermometrie (CCT) dafür generell Methoden empfohlen, die die PTB auf der Basis von kristallographischen und umfangreichen experimentellen Daten vorgeschlagen hatte. (B. Fellmuth, FB 7.4, bernd.fellmuth(at)ptb.de)

Abschluss des EU-Projekts HIMERT

Ein von der PTB organisierter Workshop schloss im April 2005 das EU-Projekt "Novel metal-carbon eutectic fixed-points for radiation thermometry, radiometry and thermocouples" ab. Als Ergebnis des Forschungsprojekts stehen nun stabile und reproduzierbare Hochtemperaturfixpunte für Temperaturen bis 2800 K kurzfristig zur Verfügung, deren thermodynamische Schmelztemperaturen mit Unsicherheiten unter 0,5 K erstmals von der PTB bestimmt wurden. (J. Hartmann, FB 7.3, dr.j.hartmann(at)ptb.de)

Mikrokelvinanlage erreicht Temperaturen unter 25 µK

Mit der erfolgreichen Erprobung der Mikrokelvinanlage MKA 3 besteht nun die Möglichkeit, das Verhalten kondensierter Materie bei Temperaturen unter 50 µK und in hohen Magnetfeldern bis zu 9 T zu untersuchen. Durch thermodynamisch optimierte Entmagnetisierung konnten bereits Festkörpertemperaturen unter 25 µK gemessen und in einem Restfeld von 20 mT für mehrere Tage aufrecht erhalten werden. Die zuverlässige Messung der Temperatur stützt sich auf die thermodynamische Berechnung sowohl des Prozesses der Kernspinkühlung als auch der Pt-NMR-Thermometrie. (P. Strehlow, FB 7.5, peter.strehlow(at)ptb.de)

äquivalenz von dynamischem und statischem Wägeverfahren

Die Darstellung und Weitergabe der Skale für Volumen(-strom) im Temperaturbereich von 3 °C bis 90 °C für Volumenströme bis 1000 m³/h erfolgte bisher auf der Basis des statischen Wägeverfahrens. Bei der neuen gravimetrischen Normalmessanlage des Fachbereichs 7.6 Wärme wurde weltweit erstmals das dynamische Wägeverfahren bei großen Volumenströmen als zweite unabhängige Methode zur Skalenvalidierung eingesetzt. Mehrere Versuchsreihen belegen die äquivalenz beider Messverfahren. Damit kann die projektierte erweiterte relative Unsicherheit von 4·10-4 Skalendarstellung sicher erreicht werden. (T. Lederer, FB 7.6, thomas.lederer(at)ptb.de)

Metrologie für die Wirtschaft

Metrologie für die EUV-Lithographie

Die umfangreiche Unterstützung der europäischen Halbleiterindustrie bei der Entwicklung der Halbleiter-Lithographie mit Strahlung einer Wellenlänge von 13,5 nm im extremen UV (EUV) wurde fortgesetzt und erweitert. Im Rahmen einer Auftragsforschung für die CZ-SMT AG wurde der Reflexionsgrad von Mo/Si-Multilayerspiegeln für ein EUVL-α-Tool vermessen. Am Messplatz für ortsauflösende Reflektometrie, wo das Strahlprofil durch den Einbau einer weiteren Blende verbessert und genauer charakterisiert wurde, wurden Messungen an Spiegeln aus der Belichtungsoptik des EUVL-α-Tool durchgeführt. (F. Scholze, FB 7.1, frank.scholze(at)ptb.de)

Intermediate-Focus-Monitor kalibriert

Ein von der Firma Jenoptik (jetzt Xtreme) entwickelter Monitor zur Charakterisierung des "intermediate focus" in EUV-Steppern, der eine sehr hohe Bestrahlungsstärke aufweist, wurde kalibriert. (R. Klein, FB 7.1, roman.klein(at)ptb.de)

Ausgasverhalten von Materialien unter EUV-Bestrahlung

Verschiedenste Materialien, die in einem EUV-Stepper zum Einsatz kommen, wurden in Zusammenarbeit mit TNO/TPD und der Carl Zeiss SMT AG auf ihre Vakuumtauglichkeit bei EUV-Bestrahlung untersucht. (R. Klein, FB 7.1, roman.klein(at)ptb.de)

EUV-Scatterometrie für die Charakterisierung von Masken

Im Rahmen des BMBF-Projektes ABBILD werden gemeinsam mit den Fachbereichen 4.2 und 5.2 scatterometrische Verfahren im EUV-Spektralbereich für die Untersuchung sowohl von "klassischen" Cr/Quarz-Masken als auch von EUV-Masken entwickelt und evaluiert. (F. Scholze, FB 7.1, frank.scholze(at)ptb.de)

The evitherm Society gegründet

Das virtuelle Institut für thermische Metrologie (evitherm) wird über die von der europäischen Union geförderte Projektlaufzeit hinaus als rechtlich selbständiges "Non-profit"-Unternehmen weitergeführt. Die PTB stellt einen der beiden Vizepräsidenten, der sich vor allem um die Anforderungen und Anfragen aus der Industrie kümmert und das Informationsangebot im evitherm-Internetportal (www.evitherm.org) verbessert. (J. Fischer, FB 7.4, joachim.fischer@ptb.de)

Kalibrierung von Temperaturmessbrücken

Durch eine Zusammenarbeit der Fachbereiche 2.1 Gleichstrom und Niederfrequenz und 7.4 Temperatur wurde mittels verschiedener induktiver Spannungsteiler und eines Hamon-Widerstandsnetzwerks gezeigt, dass mit AC-Temperaturmessbrücken Messunsicherheiten von weniger als 5·10-8 erreicht werden können. Weiterhin ist es nunmehr möglich, auch DC-Temperaturmessbrücken mit höchster Genauigkeit zu kalibrieren. (S. Rudtsch, FB 7.4, steffen.rudtsch(at)ptb.de)

Unsicherheit der Kennlinien von Thermometern

Die Unsicherheit von Thermometerkennlinien zwischen den Kalibrierpunkten ist schwierig zu bestimmen und wird von vielen Staatsinstituten deshalb nicht angegeben. Die PTB hat jetzt ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem diese Unsicherheit bestimmt werden kann. In Diskussionen zeigte sich, dass bisher viele Institute die Unsicherheiten zu optimistisch abgeschätzt haben, da nur die Fortpflanzung der Unsicherheit von den Kalibrierpunkten berücksichtigt wurde, während zusätzliche Beiträge ignoriert wurden. (E. Tegeler, FB 7.4, erich.tegeler(at)ptb.de)

SQUID-Verstärker für messtechnische Anwendungen

Die PTB arbeitet seit mehreren Jahren mit verschiedenen Kooperationspartnern an der Entwicklung rauscharmer SQUID-Verstärker. Die jüngste SQUID-Stromsensorfamilie PTB-C3 umfasst Stromsensoren mit Einzel-SQUIDs, extrem rauscharme zweistufige SQUID-Anordnungen sowie SQUID-Arrays mit hoher Dynamik, bei denen besonderer Wert auf hohe Störunempfindlichkeit gelegt wurde. Die von der PTB in Kooperation mit der Firma Magnicon im letzten Jahr entwickelte schnelle SQUID-Elektronik XXF-1 ist insbesondere auch für den Betrieb der zweistufigen SQUID-Verstärker und der SQUID-Arrays ausgelegt. (Th. Schurig, FB 7.5, thomas.schurig(at)ptb.de)

Metrologie für die Gesellschaft

Fieberthermometer werden global

Die Ende 2003 mit dem Teil 5 über Infrarot-Ohrthermometer abgeschlossene Europäische Normenreihe EN12470 "Klinische Fieberthermometer" wird jetzt global. In einer gemeinsam von PTB und NIST geleiteten Arbeitsgruppe des ISO TC121 SC3 und der IEC TC/SC 62 D wurde jetzt der Startschuss für die Formulierung einer weltweit gültigen ISO/IEC-Norm für klinische Fieberthermometer gegeben. (J. Hartmann, FB 7.3, dr.j.hartmann(at)ptb.de)

Internationale Angelegenheiten

Qualitäts-Audits bei Staatsinstituten

Das CIPM-MRA zur gegenseitigen Anerkennung von Kalibrierungen fordert von allen Staatsinstituten den Betrieb eines Qualitätsmanagementsystems. In die Begutachtung des fachlichen Teils dieses Systems sind häufig Experten anderer Staatsinstitute eingebunden. Als gefragte Experten führten Mitarbeiter des Fachbereichs Temperatur Begutachtungen in Fachlaboratorien des INMETRO (Brasilien), NPL (Indien), INTI (Argentinien), GUM (Polen), metas (Schweiz) und VMT/VMC (Litauen) durch. (J. Fischer, FB 7.4, joachim.fischer@ptb.de)