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Forschungsnachrichten der Abteilung 7

Grundlagen der Metrologie

Femtosekunden-Röntgenpulse in Stanford charakterisiert

In Zusammenarbeit mit DESY (Hamburg) wurden an der Sub-Picosecond Pulse Source (SPPS) in Stanford ein Detektionssystem zum quantitativen Online-Nachweis von Femtosekunden-Röntgenpulsen erfolgreich getestet und dabei etwa 1 Million Photonen pro Puls bei einer Photonenenergie von 9,4 keV nachgewiesen. Das Gerät, das auf der Photoionisation von Gasen basiert, ist die Vorstufe transparenter Monitordetektoren für zukünftige Röntgen-Freie-Elektronen-Laser in Stanford (LCLS) und Hamburg (XFEL).
(A. A. Sorokin, M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

Multi-Photon-Anregung im VUV und EUV

Am neuen Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg wurden in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von DESY, der Universität Hamburg und des Ioffe-Instituts in St. Petersburg erstmals direkte Multi-Photon-Prozesse im Spektralbereich von VUV- und EUV-Strahlung beobachtet und quantitativ untersucht. Die Ergebnisse zeigen sowohl Analogien als auch klare Unterschiede zur Anregung mit optischen Ultrakurzzeit-Lasern.
(A. A. Sorokin, M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

Hochauflösende Spektrometrie im Spektralbereich weicher Röntgenstrahlung

Am Plangittermonochromator-Strahlrohr für Undulatorstrahlung der PTB bei BESSY II wurde eine aus sphärischem Gitter und CCD-Kamera bestehende Spektrometereinheit in Betrieb genommen. Sie dient zur Bestimmung atomarer Fundamentalparameter, die für die Quantifizierung der Röntgenfluoreszenzanalyse relevant sind.
(B. Beckhoff, FB 7.1, burkhard.beckhoff(at)ptb.de)

ISS-Instrument bei BESSY charakterisiert

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnikin Freiburg ist das ESA-Instrument SolACES im PTB-Labor bei BESSY erfolgreich charakterisiert worden. SolACES besteht aus vier Spektrometern und zwei Doppelionisationskammern und soll auf der internationalen Raumstation ISS für quantitative Untersuchungen der Sonnenstrahlung im Vakuum-UV-Spektralbereich eingesetzt werden, die eine wichtige Energiequelle für die Vorgänge insbesondere in der hohen Erdatmosphäre darstellt. (Ch. Laubis, A. Gottwald, M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

PTB-kalibierte Instrumente erfolgreich im All

Mit den VUV-Spektrometern EIS der Solar-B-Mission sowie MOSES und EUNIS auf Höhenforschungsraketen sind im Jahr 2006 gleich drei Instrumente der Sonnenforschung erfolgreich ins All gestartet, die zuvor von der PTB in Kooperation mit dem Rutherford Appleton Laboratory radiometrisch an das primäre Strahlernormal BESSY angeschlossen worden waren.
(W. Paustian, M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

Wellenlängenschieber als primäres Strahlernormal

Durch eine veränderte Elektronentrajektorie und den Betrieb des BAM-Wellenlängenschiebers im Elektronenspeicherring BESSY II bei 6 T statt der üblichen 7 T konnte eine horizontal homogene Intensitätsverteilung der emittierten Röntgenstrahlung erreicht werden. Damit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Nutzung des Wellenlängenschiebers als primäres Strahlernormal getan.  (R. Klein, FB 7.1, roman.klein(at)ptb.de)

Kalibrierung von IR-Strahlungsempfängern

An der neuen Messapparatur, die Strahlungsleistungen mit einem Kryoradiometer als Primärnormal bestimmt (PTB-Jahresbericht 2005), können IR-Strahlungsempfänger mit Hilfe abstimmbarer Diodenlaser jetzt in den Wellenlängenbereichen von 1260 nm bis 1344 nm und 1460 nm bis 1580 nm mit relativen Standardunsicherheiten von weniger als 0,05 % kalibriert werden. Diese Wellenlängenbereiche werden vor allem in der optischen Nachrichtentechnik, aber auch bei der „absolut“-radiometrischen Messung vergleichsweise niedriger Strahlungstemperaturen genutzt.
(P. Meindl, FB 7.2, peter.meindl@ptb.de)

Verbesserte Darstellung der Druckskala im Grob- und Feinvakuum

Mit Hilfe einer neuen Druckwaage konnte die Unsicherheit der Druckdarstellung zwischen 30 Pa und 1000 Pa um teilweise mehr als eine Größenordnung verbessert werden. Die Bestimmung des effektiven Querschnitts erfolgte am Quecksilbermanometer der PTB in der Arbeitsgruppe 3.23. Ein unterstützender Vergleich mit dem tschechischen Staatsinstitut zur Veranlassung des Eintrags in die BIPM-Datenbank wurde erfolgreich durchgeführt.
(Th. Bock, thomas.bock(at)ptb.de, K. Jousten, karl.jousten(at)ptb.de, FB 7.3)

Erste Untersuchungen zum Kernmagnetismus des Platinisotops 195Pt

Der Wechselwirkung zwischen elektronischen und kernmagnetischen Zuständen kommt bei der Suche nach neuen Speichermaterialien ein hohes Innovationspotenzial zu. Daher wurden am Modellsystem 195Pt umfangreiche Untersuchungen der elektronischen und kernmagnetischen Eigenschaften der Wechselfeldsuszeptibilität, der Wärmekapazität und der Kernspinresonanz bei Gleichgewichtstemperaturen bis unterhalb 500 µK und in Magnetfeldern bis zu 12 T durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind konsistent mit theoretischen Berechnungen, nach denen bei einer Temperatur von 1 µK kernmagnetische Ordnung auftreten sollte. Der experimentelle Nachweis dieses Phasenübergangs bei einer bisher noch nie erreichten Gleichgewichtstemperatur ist Gegenstand der gegenwärtigen Untersuchungen an der Mikrokelvinanlage MKA 3.
(P. Strehlow, FB 7.5, peter.strehlow(at)ptb.de)

Verbesserte Definition der Temperatur des Wassertripelpunktes

Die Einheit der Temperatur, das Kelvin, ist über die Temperatur des Wassertripelpunktes mit TTPW = 273,16 K definiert. Die als Normale verwendeten Wassertripelpunktzellen der Staatsinstitute wiesen aufgrund unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung beim jüngsten Schlüsselvergleich allerdings Temperaturunterschiede von bis zu 0,1 mK auf. Auf Empfehlung des CCT hat das CIPM deshalb die zu verwendende Isotopenzusammensetzung festgelegt. Damit wird zukünftig die Unsicherheit der Realisierung von TTPW halbiert.
(E. Tegeler, FB 7.4, erich.tegeler(at)ptb.de)

Neue Tieftemperaturskala PTB-2006

Aktuell existieren im Tieftemperaturbereich unterhalb von 1 K zwei überlappende, aber unterschiedliche Internationale Temperaturskalen: die ITS-90 und die PLTS-2000, wobei die ITS-90 deutliche Abweichungen von der thermodynamischen Temperaturskala aufweist. Basierend auf hochpräzisen 3He-Dampf- und Schmelzdruckmessungen sowie Rechnungen zur thermodynamischen Dampfdruckgleichung wurde eine neue 3He-Dampfdruckskala, die PTB-2006, für den Temperaturbereich von 0,65 K bis 3,2 K aufgestellt. Die PTB-2006 ist in Übereinstimmung mit der PLTS-2000 und behebt die thermodynamische Inkonsistenz des definierenden 3He-Dampfdruckpolynoms am unteren Ende der ITS-90.
(J. Engert, FB 7.4, jost.engert(at)ptb.de)

Metrologie für die Wirtschaft

Metrologie für die EUV-Lithographie

Reflektometrie mit Synchrotronstrahlung im Bereich des extremen UV (EUV) für die Entwicklung der EUV-Lithographie wurde auch im letzten Jahr bei BESSY II in enger Zusammenarbeit mit der Industrie in großem Umfang durchgeführt. Nach der erfolgreichen Installation von zwei EUV-α-Demo-Tools hat die PTB die Aufgabe, die Entwicklung verbesserter Schichtsysteme für die Optiken der nächsten Gerätegeneration messtechnisch zu unterstützen, Untersuchungen zur Lebensdauer der Optiken durchzuführen und EUV-Testmasken „at wavelength“ zu charakterisieren.
(F. Scholze, FB 7.1, frank.scholze(at)ptb.de)

Metrologie für EUV-Masken

Im Rahmen des BMBF-Projektes ABBILD wurde gemeinsam mit dem AMTC Dresden und dem Zuse-Institut Berlin sowie den PTB-Fachbereichen 4.2 und 8.4 die EUV-Scatterometrie als Methode zur Bestimmung von Linienbreiten auf EUV-Masken evaluiert. Erste Ergebnisse der erfolgreichen Rekonstruktion geometrischer Parameter aus scatterometrischen Messungen wurden gemeinsam auf Konferenzen präsentiert.
(F. Scholze, FB 7.1, frank.scholze(at)ptb.de)

Weiterentwicklung der referenzprobenfreien Röntgenfluoreszenzanalyse

Die referenzprobenfreie quantitative Röntgenfluoreszenzanalyse wurde dadurch erweitert, dass iterativ Ergebnisse der Quantifizierung in die Auswertung des gemessenen Spektrums einfließen. Die Nutzung absorptionskorrigierter Fluoreszenzlinienserien zur Spektrenevaluation führt zu deutlich verbesserter Nachweisempfindlichkeit und Quantifizierung für Elemente, deren Linien teilweise überlappen. 
(B. Beckhoff, FB 7.1, burkhard.beckhoff(at)ptb.de)

Polarisationsempfindliche Charakterisierung optischer Vakuum-UV-Komponenten

In einer Forschungskooperation mit dem Institut d'Optique in Orsay wurden im PTB-Labor bei BESSY neue Messverfahren zur polarisationsempfindlichen Charakterisierung optischer Komponenten entwickelt. Erste erfolgreiche Untersuchungen wurden an einer Reihe speziell beschichteter Spiegel bei der Lyman-alpha-Wellenlänge 121,6 nm durchgeführt.
(R. Thornagel, A. Gottwald, M. Richter, FB 7.1, mathias.richter(at)ptb.de)

Bestimmung des spektralen Emissionsgrads

Der spektrale Emissionsgrad von Oberflächen ist eine wichtige thermophysikalische Materialeigenschaft, deren genaue Kenntnis wesentliche Voraussetzung für die berührungslose Temperaturmessung mit Strahlungsthermometern und Thermografiekameras bis hin zur Simulation des Temperaturverhaltens von Weltraumexperimenten ist. Seit Sommer diesen Jahres kann der gerichtete spektrale Emissionsgrad im Spektralbereich von 4 µm bis 40 µm für Oberflächentemperaturen von 80 °C bis 250 °C durch Vergleich mit einem Hohlraumstrahler sehr hohen Emissionsgrads bestimmt werden. Erste Kundenkalibrierungen erfolgten an einem Tiegelmaterial aus einer Verbrennungskammer und an Autolacken zur Optimierung des Lacktrocknungsprozesses.
(C. Monte, FB 7.3, christian.monte(at)ptb.de, J. Hollandt, FB 7.3, joerg.hollandt(at)ptb.de)

Strahlungsthermometrie unter Vakuum

Die berührungslose Infrarot-(IR-)Temperaturmessung unter Vakuum erlangt zunehmende Bedeutung für weltraumgestützte Klimabeobachtungen und industrielle Prozesssteuerung und -überwachung. Ein neuer Vakuum-IR-Kalibriermessplatz erlaubt die Charakterisierung von IR-Strahlern und ­Empfängersystemen mit Schwarzkörperstrahlung über einen Temperaturbereich von -173 °C bis 170 °C bei reduziertem Wärmestrahlungshintergrund (LN2-Schirmung). Damit besteht nun die Möglichkeit, unter Vakuum industrielle Strahlungsthermometer und weltraumgestützte IR-Instrumentierungen auf die Internationale Temperaturskala (ITS-90) zurückführen.
(B. Gutschwager, FB 7.3, berndt.gutschwager(at)ptb.de, J. Hollandt, FB 7.3, joerg.hollandt(at)ptb.de)

Rahmenvereinbarung mit der OSRAM GmbH zur Hochtemperaturmessung

Entscheidend für Lebensdauer und Lichtausbeute von Entladungslampen ist die wahre Temperatur der Wolframkathoden, die stark von der Oberflächenstruktur abhängt und weit über 2000 °C liegen kann. Zu ihrer berührungslosen Messung mit Strahlungsthermometrie ist die Kenntnis des Emissionsgrads notwendig, dessen Bestimmung bei so hohen Temperaturen großen messtechnischen Aufwand erfordert. Zur Lösung dieser Aufgabe haben die OSRAM GmbH und die PTB eine Rahmenvereinbarung abgeschlossen. In einem ersten Teilprojekt wird die PTB den spektralen Emissionsgrad von Wolfram bei Temperaturen von 1000 °C bis 2800 °C an Prüfkörpern bestimmen, die von der OSRAM GmbH speziell gefertigt werden.
(K. Anhalt, FB 7.3, Klaus.Anhalt(at)ptb.de, J. Hartmann, FB 7.3, Dr.J.Hartmann(at)ptb.de)

Entwicklung von Hochtemperatur-Fixpunkten für Berührungsthermometer

Ziel einer Zusammenarbeit der metrologischen Staatsinstitute LNE (Frankreich), NPL (Großbritannien) und der PTB im Rahmen eines EUROMET-Projektes ist die Entwicklung robuster Hochtemperatur-Fixpunkte auf der Basis von eutektischen Metall-Kohlenstoff-Verbindungen zur Kalibrierung von Berührungsthermometern im Temperaturbereich oberhalb von 1100 °C. Um die spezifischen Erfahrungen der einzelnen Partner optimal zu nutzen, wurde ein auf 12 Monate angelegtes iMERA-Quick-Start-Projekt durchgeführt. Die PTB war aufgrund ihrer herausragenden Erfahrung auf dem Gebiet der Thermoelementthermometrie federführend zuständig für die Konstruktion und Untersuchung von Pt/Pd-Thermoelementen. 
(F. Edler, FB 7.4, frank.edler(at)ptb.de)

Untersuchung von Wärmeleitungsvakuummetern für den DKD

Für die Arbeitsgruppe Vakuummessgeräte des DKD-Fachausschusses Druck und Vakuum wurde eine umfangreiche Untersuchung der wesentlichen metrologischen Eigenschaften verschiedener Typen von Wärmeleitungsvakuummetern durchgeführt (Wiederholbarkeit, Langzeitstabilität, Gasartabhängigkeit, Temperaturverhalten, Verhalten bei schnellen Druckänderungen). Grund waren die bei Überwachungsbesuchen oft festgestellten unzureichenden Messunsicherheitsbudgets (MUB) dieser Messgeräte. Mit der Untersuchung ist es nun möglich, ein belastbares MUB aufzustellen.
(K. Jousten, FB 7.3, karl.jousten(at)ptb.de)

Extrem hohe Bandbreite mit gekühlter SQUID Elektronik

Die Bandbreite von SQUID-Sensorsystemen, die mit einer bei Raumtemperatur betriebenen Elektronik arbeiten, ist in geschlossener Flussregelschleife durch die Signallaufzeiten auf den Verbindungsleitungen zwischen dem gekühlten Sensorchip und der Elektronikeinheit begrenzt. Mit der derzeit schnellsten kommerziellen SQUID-Elektronik XXF-1, die von der PTB gemeinsam mit der Firma Magnicon entwickelt wurde, wird eine Bandbreite von 20 MHz erreicht. In diesem Jahr wurde eine SQUID-Elektronik aufgebaut, die in unmittelbarer Nähe des SQUIDs in flüssigem Helium betrieben werden kann. Mit dieser konnte in Verbindung mit einem PTB-Stromsensor eine Bandbreite von 350 MHz erfolgreich demonstriert werden.
(Th. Schurig, FB 7.5, thomas.schurig(at)ptb.de)

Neuartige magnetische Fluktuations-Rauschthermometer

In Kooperation mit der Universität Heidelberg entwickeln die Fachbereiche 7.4 und 7.5 neuartige Rauschthermometer für den Tieftemperaturbereich. Bei diesen SQUID-basierten Rauschthermometern werden die Fluktuationen des magnetischen Feldes gemessen, die von thermisch bedingten Rauschströmen in einem metallischen Leiter verursacht werden. Das verwendete SQUID-Design kombiniert hohe Empfindlichkeit mit Robustheit gegenüber externen Störungen. Die physikalischen Grundlagen der Thermometer werden eingehend mit dem Ziel untersucht, die Geräte für den praktischen Einsatz bei externen Anwendern tauglich zu machen. 
(Th. Schurig, FB 7.5, thomas.schurig(at)ptb.de)

Neufassung der Norm DIN EN IEC 60751 für industrielle Platinwiderstandsthermometer

Die Arbeitsgruppe „Temperature Sensors“ der International Electrotechnical Commission IEC hat unter Vorsitz der PTB eine Neufassung der grundlegenden Norm IEC 60751 zu industriellen Widerstandsthermometern erarbeitet. Hierbei wurden neue Genauigkeitsklassen und teilweise neue Prüfverfahren eingeführt, bei denen erstmals auch die Unsicherheit der Prüfung berücksichtigt wird. Durch die Neufassung wird die Wettbewerbsfähigkeit der Hersteller hochwertiger Thermometer und Sensoren gestärkt.
(E. Tegeler, FB 7.4, erich.tegeler(at)ptb.de)

Fachtagung TEMPERATUR 2006

Am 16. und 17. Mai 2006 wurde die Tagung TEMPERATUR 2006 im Hermann-von-Helmholtz-Bau der PTB Berlin durch die Fachbereiche 7.3 und 7.4 ausgerichtet. Die TEMPERATUR hat sich im deutschsprachigen Raum als die nationale Tagung zu Verfahren und Geräten der Temperatur- und Gasfeuchtemessung etabliert; sie wurde nach 1998 und 2003 zum dritten Mal in Folge durch die PTB in Berlin organisiert. Die große Zahl von 160 Teilnehmern aus fünf Ländern zeigt die Aktualität der Fragestellungen und das anhaltend große Interesse aus Industrie und Forschung. Unterstrichen wurde dies durch den hohen Anteil von Teilnehmern aus der Industrie (über 50 %), insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen, aber auch aus DKD-Kalibrierlaboratorien, bei denen die Tagung große Bedeutung für die fachliche Fortbildung hat. 
(J. Hollandt, FB 7.3, joerg.hollandt(at)ptb.de, S. Rudtsch, FB 7.4, steffen.rudtsch(at)ptb.de)

Internationale Angelegenheiten

Workshop zu Fortschritten bei der Bestimmung der Boltzmann-Konstante

Zur Neudefinition der SI-Basiseinheit Kelvin wird derzeit die Boltzmann-Konstante in einem internationalen Forschungsverbund neu bestimmt. Die Partner aus dem US-amerikanischen Staatsinstitut NIST, dem französischen LNE-INM/CNAM, dem italienischen INRiM, der PTB und den Universitäten Paris Nord, Neapel und Mailand sowie mehr als 20 weitere Experten trafen sich im Oktober 2006 zu einem Erfahrungsaustausch im Rahmen eines PTB-Seminars. Der bisher erzielte Fortschritt lässt erwarten, dass bis zur Neufestlegung des Zahlenwerts durch die CODATA-Kommission zum Jahresende 2010 genügend neue Ergebnisse vorliegen werden, um die Neudefinition des Kelvin in Angriff nehmen zu können. 
(B. Fellmuth, FB 7.4, bernd.fellmuth(at)ptb.de)

Task Group des CCT empfiehlt Neudefinition des Kelvin

Die internationale Arbeitsgruppe der Meterkonvention zur Neudefinition des Kelvin traf sich in der PTB Berlin, um die Alternativen und Auswirkungen der geplanten Änderung zu diskutieren. Bei sehr tiefen und sehr hohen Temperaturen werden längerfristig einfachere Temperaturmessungen erwartet, während im industriell wichtigen mittleren Temperaturbereich keine kosten- bzw. zeitintensiven Änderungen der gegenwärtigen Kalibrierpraxis auftreten werden. Die Empfehlung T-3 (2005) „Creation of a mise en pratique for the definition of the kelvin“ des Beratenden Komitees für Thermometrie (CCT) eröffnet die Möglichkeit, zukünftig andere Darstellungen der Temperaturskala neben der ITS-90 zu benutzen, beispielsweise die direkte radiometrische Messung hoher thermodynamischer Temperaturen. Der lang gehegte Traum der Thermometriker, das Zusammenwachsen von thermodynamischen und internationalen Temperaturen, würde dadurch in Erfüllung gehen. Die Task Group wird ihre positive Empfehlung zur Neudefinition des Kelvin im März 2007 dem CCT zur Annahme vorlegen.
(J. Fischer, FB 7.4, joachim.fischer@ptb.de)

Pilotvergleich für spektrale Empfindlichkeit im EUV

Gemeinsam mit dem NIST (USA) und dem NMIJ (Japan) wurde im Rahmen des CCPR ein Pilotvergleich der spektralen Empfindlichkeit von Halbleiterphotodioden im Spektralbereich von 11,5 nm bis 20 nm (im extremen UV, EUV) begonnen. Die PTB fungiert als Pilotlabor. Der Vergleich soll im Laufe des Jahres 2007 abgeschlossen werden.
(F. Scholze, FB 7.1, frank.scholze(at)ptb.de)

VAMAS-Projekt zur Schichtdickenbestimmung

Gemeinsam mit den japanischen Staatsinstituten NMIJ und NIMS und weiteren 17 Institutionen und Geräteherstellern nimmt die PTB an einem VAMAS-Projekt im Bereich der Röntgenreflektometrie teil. Die Organisation VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials & Standards) koordiniert auf vielen Gebieten die Forschung mit dem Ziel der Normung. Hier geht es um die Schichtdickenbestimmung an Schichtsystemen im Dickenbereich unter 10 nm. Die PTB setzt hierzu in ihrem Laboratorium bei BESSY II monochromatisierte Synchrotronstrahlung ein.
(M. Krumrey, FB 7.1, michael.krumrey(at)ptb.de)