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Weltrekorde bei zwei optischen Atomuhren Die Ytterbium-Einzelionenuhr der PTB ist weltweit die genaueste Uhr ihrer Art die Strontiumuhr die stabilste optische Uhr uumlberhaupt

Mit zwei verschiedenen optischen Atom-uhren die zurzeit bei Genauigkeit bzw Stabilitaumlt weltweit an der Spitze liegen ist die PTB gut geruumlstet fuumlr zukuumlnftige Aufgaben etwa in der Grundlagenphy-sik wo solche Uhren fuumlr die Suche nach moumlglichen Aumlnderungen von Fundamen-talkonstanten gebraucht werden

Besonders interessant fuumlrbull Entwickler optischer Atomuhrenbull Geodaumlsiebull Grundlagenforschung

Optische Atomuhren gelten als die Uh-ren der Zukunft Bei ihnen werden die als bdquoPendelldquo wirkenden Ato-me resonant mit optischer Strah-lung angeregt Im Vergleich zu Cauml-s iu matomu h ren (1010 Hz) auf de-nen die SI-Basis-einheit Sekunde zurzeit beruht ist ihre Anregungs-frequenz (1014 bis 1015 Hz) deutlich houmlher Somit weist ihr Taktgeber eine viel houmlhere Guumlte auf wodurch man erheblich groumlszligere Genauigkeit (d h kleinere Abwei-chung von der wahren Frequenz) und houmlhere Stabi-litaumlt erreicht (also

die notwendige Mittelungszeit fuumlr eine Messung verkuumlrzt) Auf beiden Gebieten haben optische Atomuhren der PTB der-zeit die Nase vorn

Die Ytterbiumuhr der PTB ist rund hundertmal genauer als die besten Cauml-siumuhren und derzeit die genaueste Einzelionenuhr der Welt Bei ihrer Ent-wicklung haben sich die PTB-Forscher einige besondere atomphysikalische Ei-genschaften von Yb+ zunutze gemacht Dieses Ion hat zwei Referenzuumlbergaumlnge mit denen sich eine optische Uhr reali-sieren laumlsst Die eigentliche Grundlage fuumlr die Uhr ist die Anregung in den so-genannten F72-Zustand der durch seine

Die PTB-News liefern dreimal im Jahr aktuelle Nachrichten aus dem vielfaumlltigen Spektrum der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ndash aus der Grundlagen-forschung dem gesetzlichen Messwesen und den diversen PTB-Aktivitaumlten fuumlr die Wirtschaft

FORSCHUNGSNACHRICHTEN

Ultrastabile Materialien genau untersuchtThermische Ausdehnung bei tie-fen Temperaturen fuumlr zukuumlnftige Weltraummissionen gemessen 3

Durchbruch Erstmals quantenge-naue Wechselspannung mit 1 Volt erzieltPulsgetriebenes AC-Josephson-Span-nungsnormal mit effektiven Ausgangs-spannungen bis 1 Volt fuumlr die Erzeugung beliebiger Wellenformen houmlchster Guumlte 4

Magnetfeldsensor misst Herzschlag von Ungeborenen Beruumlhrungslose Herzschlaguumlberwa-chung waumlhrend der Schwangerschaft 5

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnorma-len unter definierten Raumwinkeln 6

TECHNOLOGIETRANSFER

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale 7

Verbesserte Laser-Doppler- Anemometrie 7

Charakterisierung magnetischer Nanopartikel 7

VERSCHIEDENES

Auszeichnungen Neue Theorie-Profes-sur Kompetenzzentrum Windenergie Neuer Zusammenklang NAGA EMRP und EMPIR 8

Messung des Einflusses der thermischen Umgebungsstrahlung auf die Fre-quenz des gespeicherten Ions in der Ytterbiumuhr Der bdquoUhrenlaserldquo (blauer Strahl) regt das gespeicherte Ion (gelb) mit einer speziellen Pulssequenz an Die Resonanzfrequenz des Ions wird durch Infrarotstrahlung verscho-ben (hier durch einen Infrarotlaser roter Strahl) Dies laumlsst sich mithilfe des Uhrenlasers messen

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22016

newsWissenschaftliches Nachrichtenblatt

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PTB-News Heft 2 | 2016

Ansprechpartner StrontiumuhrSoumlren DoumlrscherFachbereich 43 Quantenoptik und Laumlngeneinheit(0531) 592-4322soerendoerscherptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungA Al-Masoudi S Doumlrscher S Haumlfner U Sterr C Lisdat Noise and instability of an optical lattice clock Phys Rev A 92 063814 (2015)

Ansprechpartner YtterbiumuhrChristian TammFachbereich 44 Optische Frequenznormale(0531) 592-4415christiantammptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungN Huntemann C Sanner B Lipphardt C Tamm E Peik Single ion atomic clock with 3 10ndash18 uncertainty Phys Rev Lett 116 063001 (2016)

extrem lange natuumlrliche Lebensdauer (ca 6 Jahre) eine aumluszligerst schmale Resonanz liefert Aufgrund der besonderen elektro-nischen Struktur des F-Zustands sind die Verschiebungen der Resonanzfrequenz durch elektrische und magnetische Fel-der auszligergewoumlhnlich klein Der andere Referenzuumlbergang (zum D32-Zustand) zeigt groumlszligere Frequenzverschiebungen und dient deshalb als empfindlicher bdquoSensorldquo zur Optimierung und Kontrolle der Betriebsbedingungen

Entscheidend fuumlr den letzten Genau-igkeitssprung war die Kombination von zwei Maszlignahmen Zum einen wurde fuumlr die Anregung des Referenzuumlbergangs ein spezielles Verfahren entwickelt in dem die vom Anregungslaser verursachte bdquoLichtverschiebungldquo der atomaren Re-sonanzfrequenz separat gemessen wird Diese Information wird dann verwendet um die Anregung des Referenzuumlbergangs gegen die Lichtverschiebung und ihre moumlgliche Variation zu immunisieren Zum anderen wurde die von der thermi-schen Infrarotstrahlung der Umgebung induzierte Frequenzverschiebung (die fuumlr den F-Zustand von Yb+ ohnehin re-lativ klein ist) mit einer Unsicherheit von nur 3 bestimmt

Eine weitere besondere Eigenschaft des F-Zustands von Yb+ ist die empfindliche Abhaumlngigkeit der Zustandsenergie vom Wert der Feinstrukturkonstante (der elementaren Naturkonstante der elektro-magnetischen Wechselwirkung) und von Verletzungen der Lorentz-Invarianz fuumlr Photonen oder Elektronen wie sie in ei-nigen gegenwaumlrtig diskutierten Theorien zur Vereinheitlichung der fundamenta-len Wechselwirkungen erwartet werden Vergleiche zwischen Yb+-Uhren und mit anderen hochgenauen optischen Uhren wie z B der Strontiumuhr sind derzeit wahrscheinlich der erfolgversprechends-te Weg Theorien aus diesem Bereich der bdquoNew Physicsldquo im Labor zu uumlberpruumlfen

Im Gegensatz zu Ionenuhren verwen-det eine Strontiumatomuhr ein Gas neu-traler Atome das durch Laserkuumlhlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgebremst wird Anschlie-szligend wird ein extrem schmaler Uumlbergang zwischen langlebigen Eigenzustaumlnden der Atome angeregt um die Frequenz des Anregungslasers auf jene der Atome zu stabilisieren Die gleichzeitige Abfrage vieler Atome fuumlhrt zu einem besonders hohen Signal-zu-Rausch-Verhaumlltnis und

somit einer houmlheren Stabilitaumlt Da nach jedem Vergleich von Laser- und atomarer Frequenz erneut eine Atomwolke praumlpa-riert werden muss kommt es jedoch zu Unterbrechungen bei der Beobachtung der Laserfrequenz Der Laser selbst dient daher als bdquoSchwungradldquo und wird meist auf eine Eigenfrequenz eines optischen Resonators vorstabilisiert der die La-serfrequenz uumlber kurze Zeitraumlume stabil haumllt

Fuumlr die Strontiumuhr der PTB wurde einer der frequenzstabilsten Resonatoren der Welt konstruiert Aufgrund der gro-szligen Laumlnge von 48 cm und dank ausge-kluumlgelter thermischer und mechanischer Isolation gegenuumlber seiner Umgebung erreicht er eine relative Frequenzinstabi-litaumlt von nur 8 10ndash17 Bei einer Analyse der einzelnen Beitraumlge zum Rauschen der detektierten Anregungswahrscheinlich-keit zeigte es sich dass die Uhr bereits ab 130 Atomen das physikalisch beding-

te fundamentale Quantenprojektions-rauschlimit erreicht

Ein auf den gewonnen Daten beru-hendes Modell fuumlr das Rauschen wurde um den bekannten Einfluss des Laserfre-quenzrauschens ergaumlnzt und seine Vor-hersage durch einen Selbstvergleich der Uhr experimentell uumlberpruumlft So lieszlig sich fuumlr den normalen Betrieb eine relative Instabilitaumlt von 16 10ndash16 τ12 als Funk-tion der Mittelungsdauer τ in Sekunden ableiten Dies ist der beste bislang fuumlr eine Atomuhr publizierte Wert Es ist zu erwarten dass die zukuumlnftige Reduzie-rung der relativen Gesamtmessunsicher-heit der Strontiumuhr auf wenige 10ndash18 dadurch erheblich vereinfacht wird

Neben den Tests der bdquogroszligen Fragenldquo in der Grundlagenphysik ergeben sich moumlgliche Anwendungen houmlchstpraumlziser Uhren in der Geodaumlsie wo sie eine direk-te und genauere Messung des Gravitati-onspotenzials der Erde ermoumlglichen

Rauschbeitraumlge der Strontiumgitteruhr als Funktion der Atomanzahl Das vorhergesagte Gesamtrau-schen bei unterdruumlcktem Frequenzrauschen des Abfragelasers (gruumlne Linie) wird durch experimentelle Daten (gruumlne Kreise) bestaumltigt Das Quantenprojektionsrauschen (blaue Linie) dominiert bereits ab geringen Atomzahlen

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

AnsprechpartnerReneacute SchoumldelFachbereich 54 Interferometrie an Maszligverkoumlrperungen(0531) 592-5400 reneschoedelptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungT Middelmann A Walkov G Bartl R Schoumldel Thermal expansion coef-ficient of single-crystal silicon from 7 K to 293 K Phys Rev B 92 174113 (2015)

Besonders interessant fuumlrbull Weltraumforschungbull Halbleiterphsyikbull Materialforschung

Weltraumteleskope wie das Infrarot-Observatorium Herschel der Europauml-ischen Raumfahrtorganisation ESA beobachten Strahlung im fernen In-frarot Dabei ist die Kuumlhlung ihrer Instrumente unerlaumlsslich damit sie nicht selbst stoumlrende Infrarotstrahlung emittieren Die Spiegel dieser Teles-kope die bei Temperaturen unterhalb von ndash190degC zum Einsatz kommen werden aus speziellen ultrastabilen Keramiken hergestellt In einem Ko-operationsprojekt mit der ESA hat die PTB die thermische Ausdehnung der verwendeten Materialien sowie von einkristallinem Silizium sehr genau gemessen Die Untersuchungen nuumltzen zukuumlnftigen Weltraummissionen zei-gen aber auch dass die bisher verwen-deten Werte fuumlr einkristallines Silizium als Referenzmaterial korrigiert werden muumlssen

Weltraumteleskope koumlnnen vom Welt-raum aus Spektralbereiche untersuchen die von der Erde aus nicht zugaumlnglich sind Wie entscheidend es fuumlr den Bau solcher Teleskope ist das thermische Ausdehnungsverhalten der verwende-ten Materialien genau zu kennen wurde bei der Herschel-Mission deutlich als die vorab durchgefuumlhrten Simulationen letztlich nicht mit den gefertigten Spie-geln uumlbereinstimmten Zwar wurden die Unstimmigkeiten nicht erst im Weltraum entdeckt aber sie fuumlhrten zu unnoumltigen Verzoumlgerungen Um derartige Uumlberra-schungen zu vermeiden waren genauere Untersuchungen der verwendeten Mate-

rialien erforderlich Im Rahmen des ESA-Projektes un-tersuchten die PTB-Wissenschaftler die Laumlngenausdehnung der speziellen ultrastabilen Ke-ramiken wie etwa Siliziumkarbid in einem Tempera-turbereich von ndash266 degC bis +20 degC mit Nanometer-Genauigkeit In weiten Teilen dieses Temperaturbereichs entspricht die er-reichte Genauig-keit einer relativen L auml ngenauml nder u ng von etwa einem Milliardstel pro Grad Celsius

Das eingesetzte Ultrapraumlzisionsinterferometer der PTB gilt als weltweit einzigartig Um Messun-gen mit aumlhnlicher Genauigkeit auch in anderen Instituten und mit weniger Auf-wand durchfuumlhren zu koumlnnen werden uumlblicherweise Referenzmaterialien mit genau bekannter thermischer Ausdeh-nung als Vergleich herangezogen Ein solches Referenzmaterial einkristallines Silizium ist in dem Projekt ebenfalls un-tersucht worden Dabei zeigten sich in einem weiten Temperaturbereich signifi-kante Abweichungen von den bisherigen Referenzwerten fuumlr kristallines Silizium

Die Ergebnisse sind von Bedeu-tung fuumlr weitere bereits geplante Weltraumteleskope Durch geschicktes Vermeiden jeglicher Strahlungswaumlr-me werden beim James-Webb-Welt-raumteleskop Einsatztemperaturen un-

terhalb von ndash220 degC herrschen Beim Infrarot-Weltraumteleskop fuumlr Kosmo-logie und Astrophysik (SPICA) koumlnnten die Temperaturen sogar noch darunter liegen

Ultrastabile Materialien genau untersuchtThermische Ausdehnung bei tiefen Temperaturen fuumlr zukuumlnftige Weltraummissionen gemessen

Das Weltraumteleskop Herschel (2009ndash2013) ermoumlglichte faszinierende Einblicke in die Entstehung von Sternen (Abb ESA)

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerOliver KielerFachbereich 24 Quantenelektronik(0531) 592-1623oliverkielerptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungR Behr O Kieler J Lee S Bauer L Palafox J Kohlmann Direct com-parison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter Metrologia 52 528ndash537 (2015)

Durchbruch Erstmals quantengenaue Wechselspannung mit 1 Volt erzieltPulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal mit effektiven Ausgangsspannungen bis 1 Volt fuumlr die Erzeugung beliebiger Wellenformen houmlchster Guumlte

Besonders interessant fuumlrbull Metrologieinstitutebull Kalibrierlaboratorienbull Hersteller von elektrischen Praumlzisionsmessgeraumlten

In der PTB konnte die Ausgangs-spannung eines pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals durch Verwendung dreifach gestapelter Jo-sephson-Kontakte und durch Serien-schaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten signifikant erhoumlht werden Lagen zuvor erzielte maximale Ausgangsspannungen bei etwa 300 mV Effektivwert so wurde nun erstmals der fuumlr metrologische Anwen-dungen wichtige Richtwert von 1 Volt erreicht Ein Praumlzisionsvergleich mit ei-nem AC-Quantenvoltmeter zeigte bei ei-ner Frequenz von 250 Hz eine exzellente Uumlbereinstimmung von (35 plusmn 117) nVV Die erzielte Erhoumlhung der Effektivspan-nung eroumlffnet eine Reihe von neuen An-wendungsmoumlglichkeiten

mit hoher Fertigungsausbeute hergestellt Auf einem Chip mit den Abmessungen 10 mm 10 mm sind zwei Schaltungen mit insgesamt 18 000 Josephson-Kontak-ten integriert (siehe Bild) Die Kombinati-on von acht JAWS-Schaltungen (also vier

Chips) ergab eine Serienschaltung von insgesamt 63 000 Josephson-Kontakten Durch Bestrahlung dieser JAWS-Schal-tungen mit einem Pulssignal im GHz-Frequenzbereich werden Sinuswellen erzeugt Die erzielte Ausgangsspannung betrug 1 Volt und wies eine herausragen-de spektrale Reinheit auf (Signal-Rausch-Verhaumlltnis besser als 120 dB)

Ein ebenfalls an der PTB entwickeltes AC-Quantenvoltmeter (siehe auch PTB-News 20132) diente dazu die Genau-igkeit der so erzeugten Sinuswellen zu uumlberpruumlfen Weltweit erstmalig wurde damit ein direkter Vergleich zweier unter-schiedlicher Josephson-Spannungsnor-male bei 1 Volt uumlber den Frequenzbereich von 30 Hz bis 15 kHz durchgefuumlhrt Die bdquoQuantengenauigkeitldquo des neuen pulsge-triebenen 1 Volt-JAWS-Systems lieszlig sich mit einer exzellenten Uumlbereinstimmung

von (35 plusmn 117) nVV bei einer Frequenz von 250 Hz nachweisen

Die erzeugbare Effektivspannung von 1 Volt eroumlffnet fuumlr die Zukunft eine Viel-zahl von neuen Anwendungsmoumlglichkei-ten des JAWS im Bereich der elektrischen

Wechselspannungsmetrologie zum Beispiel fuumlr die Kalibrierung von Mess-geraumlten Analog-Digital- bzw Digital-Analog-Umsetzern AC-DC-Normalen Spannungsteilern oder Impedanznorma-len

Pulsgetriebene AC-Josephson-Span-nungsnormale ermoumlglichen die Erzeu-gung spektral reiner beliebiger Wel-lenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthe-sizer (JAWS) bezeichnet Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Jo-sephson-Kontakte wie sie im Reinraum-zentrum der PTB hergestellt werden In dem von der PTB weiterentwickelten komplexen Mehrlagen-Duumlnnschichtpro-zess wird eine dreilagige Schichtfolge (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) verwendet deren mittlere sehr duumlnne normalleitende Schicht aus NbxSi1-x die beiden supraleitenden Nb-Schichten schwach koppelt Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abschei-debedingungen koumlnnen Schichten wohl-definierter Dicke gefertigt werden Auf diese Weise wurden Stapel von jeweils drei Josephson-Kontakten ndash d h vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten in Serie ndash

Oben links Chip mit zwei JAWS-Schaltungen (mit insgesamt 18 000 integrierten Josephson-Kontak-ten) Mitte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer JAWS-Schaltung Oben rechts und unten links Detailvergroumlszligerungen der Schaltung

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

Magnetfeldsensor misst Herzschlag von Ungeborenen Beruumlhrungslose Herzschlaguumlberwachung waumlhrend der Schwangerschaft

Besonders interessant fuumlrbull Kardiologenbull Praumlnataldiagnostik

Mit optischen Magnetfeldsensoren haben Forscher der PTB am Bauch einer schwangeren Frau die magneti-schen Signale gemessen die durch die Herzaktivitaumlt ihres ungeborenen Kin-des entstehen Sie konnten zeigen dass die gemeinsam mit dem US-amerikani-schen National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelte Technik so verlaumlsslich misst wie andere Methoden und daruumlber hinaus zusaumltz-liche Informationen liefern kann So lassen sich foumltale Herzfehler fruumlhzeitig diagnostizieren

Um Herzrhythmusstoumlrungen schon bei ungeborenen Babys zu entdecken wer-den deren Herzschlaumlge unter anderem mithilfe von Elektrokardiografiegeraumlten (EKG) uumlberwacht Dabei werden Elek-troden auf der Haut der Mutter platziert Doch die elektrischen Signale des Kindes werden durch die umgebende schuumltzen-de Schicht (bdquoKaumlseschmiereldquo) gedaumlmpft und koumlnnen von denen der Mutter uumlber-lagert werden Magnetfeldsensoren hin-gegen haben den Vorteil Herzsignale weit vollstaumlndiger zu erfassen Zudem be-noumltigen sie keinen elektrischen Kontakt mit der Haut

Aus diesem Grund hat das deutsch-amerikanische Wissenschaftlerteam auf μOPMs (microfabricated optically-pum-ped magnetometers) zuruumlckgegriffen Optische Magnetometer basieren darauf dass Atome die einen Elektronenspin besitzen in Magnetfeldern mit einer ge-nau bekannten Frequenz praumlzedieren Bei Alkaliatomen wie dem in μOPMs verwendeten Rubidium kann man in der Gasphase durch optisches Pumpen eine

makroskopische Polarisation des Elek-tronenspins erreichen In diesem Zu-stand ist der Atomdampf optisch trans-parent Wird ein Magnetfeld angelegt so geht die Transparenz durch das Praumlze-dieren der Elektronenspins verloren die gemessene Absorptionsaumlnderung ist ein Maszlig fuumlr die angelegte Feldstaumlrke

Der Prototyp den die Forscher entwi-ckelt haben besteht aus drei Gurten die uumlber den Oberkoumlrper der Schwangeren gespannt werden Sie tragen eine flexib-le Anordnung von 25 μOPM-Sensoren Mit einem Abstand von etwa 45 mm zur Haut messen diese ohne direkten Haut-kontakt die magnetischen Signale die durch die Herzschlaumlge von Mutter und Kind entstehen Der Gurt unter der Brust der Mutter dient dazu ihren Herzschlag separat zu ermitteln Er wird von der Gesamtmessung abgezogen um nur das schwaumlchere Signal des Kinderherzens zu ermitteln

Die Messungen sind ein Schritt in Richtung zu einem bedienungsfreundli-chen und aussagekraumlftigen Herzschlag-

messer fuumlr Foumlten der zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Schwangerschaft direkt am Koumlrper der Mutter angebracht wer-den kann

AnsprechpartnerTilmann Sander-ThoumlmmesFachbereich 82 Biosignale (030) 3481-7436tilmannsander-thoemmesptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungO Alem T H Sander R Mhaskar J LeBlanc H Eswaran U Steinhoff Y Okada J Kitching L Trahms S Knappe Fetal magnetocardiography measurements with an array of micro-fabricated optically pumped magneto-meters Phys Med Biol 60 4797ndash4811 (2015)

Die gemessene Feldverteilung des Herzens der Mutter (links) und des Foumltus (rechts) Rote Isofeldlinien bezeichnen die Gebiete mit einem positiven Vorzeichen des magnetischen Feldes blaue die mit nega-tivem Vorzeichen Die Positionen der Herzen sind nur schematisch zu verstehen da ihre exakte Lage in dieser Testmessung nicht bestimmt wurde Beide Herzschlagsignale wurden gleichzeitig gemessen und dann mit einem mathematischen Algorithmus separiert

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerinAnnette RoumlttgerFachbereich 61 Radioaktivitaumlt(0531) 592-6130annetteroettgerptbde

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnormalen unter definierten Raumwinkeln

Bislang wird die metrologische Cha-rakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivitaumlt offener Al-phateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden Derartige Ak-tivitaumltsnormale koumlnnen ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden Zur Cha-rakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel ndash eine Absolutmethode ndash verwendet Aktuell werden relati-ve Standard-Messunsicherheiten von 03 erreicht

wird mit einem digitalen Radiografie-system gemessen Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet in die die Abmes-sungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitaumltsverteilung eingehen Die Messeinrichtung enthaumllt energiedispersive Detektorsysteme Aus den gemessenen Impulshoumlhenverteilun-gen koumlnnen dann mit geeigneten Rech-nerprogrammen Informationen uumlber die Guumlte der Quelle bezuumlglich des Energie-verlustes der Alphateilchen in der Quelle und uumlber die Radionuklidzusammenset-zung gewonnen werden

Derzeit werden die bestehenden Appa-raturen weiterentwickelt sowie das Ener-gieaufloumlsungsvermoumlgen der Detektorsys-teme optimiert Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicher-heit Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Laumlngen-

messungen Durch eine Vergroumlszligerung der Apparatur laumlsst sich die relative Un-sicherheit dieser Laumlngenmessungen deut-lich reduzieren Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Groumlszlige des Detektors begrenzt Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgroumlszlige von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Flaumlche beinhalten und so die Verringerung der Messunsi-cherheit ermoumlglichen Daneben wird die neue Apparatur Maszlignahmen zur Re-

duzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellen-wechsel ermoumlglichen Damit eroumlffnet sich

die Moumlglichkeit im Bereich der kurzlebigen Nu-klide neben der Aktivitaumlt auch die Halbwertszeiten zu bestimmen Generelles Ziel ist hierbei nicht nur die Weiterga-be des Becquerels fuumlr alphastrah-lende Nuklide mit kleinstmoumlglichen Unsicherheiten zu erreichen sondern auch gleichzeitig

in der Lage zu sein radioaktive Verun-reinigungen zu erkennen und Isotopen-gemische zu analysieren Dafuumlr sind eine verbesserte spektrometrische Aufloumlsung und komplexe Auswertealgorithmen er-forderlich

Besonders interessant fuumlrbull Strahlenschutzbull Halbleiterindustriebull Radionuklid-Industriebull Metrologieinstitute

Emissionsraten und Aktivitaumlten ra-dioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden uumlber die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffen-den Alphateilchen bestimmt Diese Art der Aktivitaumltsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne dass zur Bestimmung aller notwendigen Kali-brierfaktoren nur Messungen notwendig sind die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen Das sind in diesem Falle Zeit- und Laumlngenmessun-gen

Die erreichbare Messunsicherheit fuumlr eine Aktivitaumltsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich be-stimmt durch die Genauigkeit mit wel-cher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann Fuumlr dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Ak-tivitaumltsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberflaumlche notwendig Sie

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel Rechts im Bild der gegenwaumlrtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor Im Messbetrieb befindet sich der Detektor buumlndig an der Austrittsoumlffnung des Blendensystems In der linken Bildhaumllfte der zukuumlnftige Detektor Das zu-gehoumlrige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befindet sich im Bau

Impulshoumlhenspektrum (Ereignisse uumlber Kanaumllen) in logarithmischer Darstel-lung einer Americium-241-Quelle Man sieht die Zuordnung der einzelnen Uumlbergaumlnge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7) aber auch die Verunreinigung durch Pu-238 Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18)

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Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

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TECHNOLOGIETRANSFER

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

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PTB-News Heft 2 | 2016

Ansprechpartner StrontiumuhrSoumlren DoumlrscherFachbereich 43 Quantenoptik und Laumlngeneinheit(0531) 592-4322soerendoerscherptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungA Al-Masoudi S Doumlrscher S Haumlfner U Sterr C Lisdat Noise and instability of an optical lattice clock Phys Rev A 92 063814 (2015)

Ansprechpartner YtterbiumuhrChristian TammFachbereich 44 Optische Frequenznormale(0531) 592-4415christiantammptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungN Huntemann C Sanner B Lipphardt C Tamm E Peik Single ion atomic clock with 3 10ndash18 uncertainty Phys Rev Lett 116 063001 (2016)

extrem lange natuumlrliche Lebensdauer (ca 6 Jahre) eine aumluszligerst schmale Resonanz liefert Aufgrund der besonderen elektro-nischen Struktur des F-Zustands sind die Verschiebungen der Resonanzfrequenz durch elektrische und magnetische Fel-der auszligergewoumlhnlich klein Der andere Referenzuumlbergang (zum D32-Zustand) zeigt groumlszligere Frequenzverschiebungen und dient deshalb als empfindlicher bdquoSensorldquo zur Optimierung und Kontrolle der Betriebsbedingungen

Entscheidend fuumlr den letzten Genau-igkeitssprung war die Kombination von zwei Maszlignahmen Zum einen wurde fuumlr die Anregung des Referenzuumlbergangs ein spezielles Verfahren entwickelt in dem die vom Anregungslaser verursachte bdquoLichtverschiebungldquo der atomaren Re-sonanzfrequenz separat gemessen wird Diese Information wird dann verwendet um die Anregung des Referenzuumlbergangs gegen die Lichtverschiebung und ihre moumlgliche Variation zu immunisieren Zum anderen wurde die von der thermi-schen Infrarotstrahlung der Umgebung induzierte Frequenzverschiebung (die fuumlr den F-Zustand von Yb+ ohnehin re-lativ klein ist) mit einer Unsicherheit von nur 3 bestimmt

Eine weitere besondere Eigenschaft des F-Zustands von Yb+ ist die empfindliche Abhaumlngigkeit der Zustandsenergie vom Wert der Feinstrukturkonstante (der elementaren Naturkonstante der elektro-magnetischen Wechselwirkung) und von Verletzungen der Lorentz-Invarianz fuumlr Photonen oder Elektronen wie sie in ei-nigen gegenwaumlrtig diskutierten Theorien zur Vereinheitlichung der fundamenta-len Wechselwirkungen erwartet werden Vergleiche zwischen Yb+-Uhren und mit anderen hochgenauen optischen Uhren wie z B der Strontiumuhr sind derzeit wahrscheinlich der erfolgversprechends-te Weg Theorien aus diesem Bereich der bdquoNew Physicsldquo im Labor zu uumlberpruumlfen

Im Gegensatz zu Ionenuhren verwen-det eine Strontiumatomuhr ein Gas neu-traler Atome das durch Laserkuumlhlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgebremst wird Anschlie-szligend wird ein extrem schmaler Uumlbergang zwischen langlebigen Eigenzustaumlnden der Atome angeregt um die Frequenz des Anregungslasers auf jene der Atome zu stabilisieren Die gleichzeitige Abfrage vieler Atome fuumlhrt zu einem besonders hohen Signal-zu-Rausch-Verhaumlltnis und

somit einer houmlheren Stabilitaumlt Da nach jedem Vergleich von Laser- und atomarer Frequenz erneut eine Atomwolke praumlpa-riert werden muss kommt es jedoch zu Unterbrechungen bei der Beobachtung der Laserfrequenz Der Laser selbst dient daher als bdquoSchwungradldquo und wird meist auf eine Eigenfrequenz eines optischen Resonators vorstabilisiert der die La-serfrequenz uumlber kurze Zeitraumlume stabil haumllt

Fuumlr die Strontiumuhr der PTB wurde einer der frequenzstabilsten Resonatoren der Welt konstruiert Aufgrund der gro-szligen Laumlnge von 48 cm und dank ausge-kluumlgelter thermischer und mechanischer Isolation gegenuumlber seiner Umgebung erreicht er eine relative Frequenzinstabi-litaumlt von nur 8 10ndash17 Bei einer Analyse der einzelnen Beitraumlge zum Rauschen der detektierten Anregungswahrscheinlich-keit zeigte es sich dass die Uhr bereits ab 130 Atomen das physikalisch beding-

te fundamentale Quantenprojektions-rauschlimit erreicht

Ein auf den gewonnen Daten beru-hendes Modell fuumlr das Rauschen wurde um den bekannten Einfluss des Laserfre-quenzrauschens ergaumlnzt und seine Vor-hersage durch einen Selbstvergleich der Uhr experimentell uumlberpruumlft So lieszlig sich fuumlr den normalen Betrieb eine relative Instabilitaumlt von 16 10ndash16 τ12 als Funk-tion der Mittelungsdauer τ in Sekunden ableiten Dies ist der beste bislang fuumlr eine Atomuhr publizierte Wert Es ist zu erwarten dass die zukuumlnftige Reduzie-rung der relativen Gesamtmessunsicher-heit der Strontiumuhr auf wenige 10ndash18 dadurch erheblich vereinfacht wird

Neben den Tests der bdquogroszligen Fragenldquo in der Grundlagenphysik ergeben sich moumlgliche Anwendungen houmlchstpraumlziser Uhren in der Geodaumlsie wo sie eine direk-te und genauere Messung des Gravitati-onspotenzials der Erde ermoumlglichen

Rauschbeitraumlge der Strontiumgitteruhr als Funktion der Atomanzahl Das vorhergesagte Gesamtrau-schen bei unterdruumlcktem Frequenzrauschen des Abfragelasers (gruumlne Linie) wird durch experimentelle Daten (gruumlne Kreise) bestaumltigt Das Quantenprojektionsrauschen (blaue Linie) dominiert bereits ab geringen Atomzahlen

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

AnsprechpartnerReneacute SchoumldelFachbereich 54 Interferometrie an Maszligverkoumlrperungen(0531) 592-5400 reneschoedelptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungT Middelmann A Walkov G Bartl R Schoumldel Thermal expansion coef-ficient of single-crystal silicon from 7 K to 293 K Phys Rev B 92 174113 (2015)

Besonders interessant fuumlrbull Weltraumforschungbull Halbleiterphsyikbull Materialforschung

Weltraumteleskope wie das Infrarot-Observatorium Herschel der Europauml-ischen Raumfahrtorganisation ESA beobachten Strahlung im fernen In-frarot Dabei ist die Kuumlhlung ihrer Instrumente unerlaumlsslich damit sie nicht selbst stoumlrende Infrarotstrahlung emittieren Die Spiegel dieser Teles-kope die bei Temperaturen unterhalb von ndash190degC zum Einsatz kommen werden aus speziellen ultrastabilen Keramiken hergestellt In einem Ko-operationsprojekt mit der ESA hat die PTB die thermische Ausdehnung der verwendeten Materialien sowie von einkristallinem Silizium sehr genau gemessen Die Untersuchungen nuumltzen zukuumlnftigen Weltraummissionen zei-gen aber auch dass die bisher verwen-deten Werte fuumlr einkristallines Silizium als Referenzmaterial korrigiert werden muumlssen

Weltraumteleskope koumlnnen vom Welt-raum aus Spektralbereiche untersuchen die von der Erde aus nicht zugaumlnglich sind Wie entscheidend es fuumlr den Bau solcher Teleskope ist das thermische Ausdehnungsverhalten der verwende-ten Materialien genau zu kennen wurde bei der Herschel-Mission deutlich als die vorab durchgefuumlhrten Simulationen letztlich nicht mit den gefertigten Spie-geln uumlbereinstimmten Zwar wurden die Unstimmigkeiten nicht erst im Weltraum entdeckt aber sie fuumlhrten zu unnoumltigen Verzoumlgerungen Um derartige Uumlberra-schungen zu vermeiden waren genauere Untersuchungen der verwendeten Mate-

rialien erforderlich Im Rahmen des ESA-Projektes un-tersuchten die PTB-Wissenschaftler die Laumlngenausdehnung der speziellen ultrastabilen Ke-ramiken wie etwa Siliziumkarbid in einem Tempera-turbereich von ndash266 degC bis +20 degC mit Nanometer-Genauigkeit In weiten Teilen dieses Temperaturbereichs entspricht die er-reichte Genauig-keit einer relativen L auml ngenauml nder u ng von etwa einem Milliardstel pro Grad Celsius

Das eingesetzte Ultrapraumlzisionsinterferometer der PTB gilt als weltweit einzigartig Um Messun-gen mit aumlhnlicher Genauigkeit auch in anderen Instituten und mit weniger Auf-wand durchfuumlhren zu koumlnnen werden uumlblicherweise Referenzmaterialien mit genau bekannter thermischer Ausdeh-nung als Vergleich herangezogen Ein solches Referenzmaterial einkristallines Silizium ist in dem Projekt ebenfalls un-tersucht worden Dabei zeigten sich in einem weiten Temperaturbereich signifi-kante Abweichungen von den bisherigen Referenzwerten fuumlr kristallines Silizium

Die Ergebnisse sind von Bedeu-tung fuumlr weitere bereits geplante Weltraumteleskope Durch geschicktes Vermeiden jeglicher Strahlungswaumlr-me werden beim James-Webb-Welt-raumteleskop Einsatztemperaturen un-

terhalb von ndash220 degC herrschen Beim Infrarot-Weltraumteleskop fuumlr Kosmo-logie und Astrophysik (SPICA) koumlnnten die Temperaturen sogar noch darunter liegen

Ultrastabile Materialien genau untersuchtThermische Ausdehnung bei tiefen Temperaturen fuumlr zukuumlnftige Weltraummissionen gemessen

Das Weltraumteleskop Herschel (2009ndash2013) ermoumlglichte faszinierende Einblicke in die Entstehung von Sternen (Abb ESA)

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerOliver KielerFachbereich 24 Quantenelektronik(0531) 592-1623oliverkielerptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungR Behr O Kieler J Lee S Bauer L Palafox J Kohlmann Direct com-parison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter Metrologia 52 528ndash537 (2015)

Durchbruch Erstmals quantengenaue Wechselspannung mit 1 Volt erzieltPulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal mit effektiven Ausgangsspannungen bis 1 Volt fuumlr die Erzeugung beliebiger Wellenformen houmlchster Guumlte

Besonders interessant fuumlrbull Metrologieinstitutebull Kalibrierlaboratorienbull Hersteller von elektrischen Praumlzisionsmessgeraumlten

In der PTB konnte die Ausgangs-spannung eines pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals durch Verwendung dreifach gestapelter Jo-sephson-Kontakte und durch Serien-schaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten signifikant erhoumlht werden Lagen zuvor erzielte maximale Ausgangsspannungen bei etwa 300 mV Effektivwert so wurde nun erstmals der fuumlr metrologische Anwen-dungen wichtige Richtwert von 1 Volt erreicht Ein Praumlzisionsvergleich mit ei-nem AC-Quantenvoltmeter zeigte bei ei-ner Frequenz von 250 Hz eine exzellente Uumlbereinstimmung von (35 plusmn 117) nVV Die erzielte Erhoumlhung der Effektivspan-nung eroumlffnet eine Reihe von neuen An-wendungsmoumlglichkeiten

mit hoher Fertigungsausbeute hergestellt Auf einem Chip mit den Abmessungen 10 mm 10 mm sind zwei Schaltungen mit insgesamt 18 000 Josephson-Kontak-ten integriert (siehe Bild) Die Kombinati-on von acht JAWS-Schaltungen (also vier

Chips) ergab eine Serienschaltung von insgesamt 63 000 Josephson-Kontakten Durch Bestrahlung dieser JAWS-Schal-tungen mit einem Pulssignal im GHz-Frequenzbereich werden Sinuswellen erzeugt Die erzielte Ausgangsspannung betrug 1 Volt und wies eine herausragen-de spektrale Reinheit auf (Signal-Rausch-Verhaumlltnis besser als 120 dB)

Ein ebenfalls an der PTB entwickeltes AC-Quantenvoltmeter (siehe auch PTB-News 20132) diente dazu die Genau-igkeit der so erzeugten Sinuswellen zu uumlberpruumlfen Weltweit erstmalig wurde damit ein direkter Vergleich zweier unter-schiedlicher Josephson-Spannungsnor-male bei 1 Volt uumlber den Frequenzbereich von 30 Hz bis 15 kHz durchgefuumlhrt Die bdquoQuantengenauigkeitldquo des neuen pulsge-triebenen 1 Volt-JAWS-Systems lieszlig sich mit einer exzellenten Uumlbereinstimmung

von (35 plusmn 117) nVV bei einer Frequenz von 250 Hz nachweisen

Die erzeugbare Effektivspannung von 1 Volt eroumlffnet fuumlr die Zukunft eine Viel-zahl von neuen Anwendungsmoumlglichkei-ten des JAWS im Bereich der elektrischen

Wechselspannungsmetrologie zum Beispiel fuumlr die Kalibrierung von Mess-geraumlten Analog-Digital- bzw Digital-Analog-Umsetzern AC-DC-Normalen Spannungsteilern oder Impedanznorma-len

Pulsgetriebene AC-Josephson-Span-nungsnormale ermoumlglichen die Erzeu-gung spektral reiner beliebiger Wel-lenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthe-sizer (JAWS) bezeichnet Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Jo-sephson-Kontakte wie sie im Reinraum-zentrum der PTB hergestellt werden In dem von der PTB weiterentwickelten komplexen Mehrlagen-Duumlnnschichtpro-zess wird eine dreilagige Schichtfolge (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) verwendet deren mittlere sehr duumlnne normalleitende Schicht aus NbxSi1-x die beiden supraleitenden Nb-Schichten schwach koppelt Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abschei-debedingungen koumlnnen Schichten wohl-definierter Dicke gefertigt werden Auf diese Weise wurden Stapel von jeweils drei Josephson-Kontakten ndash d h vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten in Serie ndash

Oben links Chip mit zwei JAWS-Schaltungen (mit insgesamt 18 000 integrierten Josephson-Kontak-ten) Mitte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer JAWS-Schaltung Oben rechts und unten links Detailvergroumlszligerungen der Schaltung

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

Magnetfeldsensor misst Herzschlag von Ungeborenen Beruumlhrungslose Herzschlaguumlberwachung waumlhrend der Schwangerschaft

Besonders interessant fuumlrbull Kardiologenbull Praumlnataldiagnostik

Mit optischen Magnetfeldsensoren haben Forscher der PTB am Bauch einer schwangeren Frau die magneti-schen Signale gemessen die durch die Herzaktivitaumlt ihres ungeborenen Kin-des entstehen Sie konnten zeigen dass die gemeinsam mit dem US-amerikani-schen National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelte Technik so verlaumlsslich misst wie andere Methoden und daruumlber hinaus zusaumltz-liche Informationen liefern kann So lassen sich foumltale Herzfehler fruumlhzeitig diagnostizieren

Um Herzrhythmusstoumlrungen schon bei ungeborenen Babys zu entdecken wer-den deren Herzschlaumlge unter anderem mithilfe von Elektrokardiografiegeraumlten (EKG) uumlberwacht Dabei werden Elek-troden auf der Haut der Mutter platziert Doch die elektrischen Signale des Kindes werden durch die umgebende schuumltzen-de Schicht (bdquoKaumlseschmiereldquo) gedaumlmpft und koumlnnen von denen der Mutter uumlber-lagert werden Magnetfeldsensoren hin-gegen haben den Vorteil Herzsignale weit vollstaumlndiger zu erfassen Zudem be-noumltigen sie keinen elektrischen Kontakt mit der Haut

Aus diesem Grund hat das deutsch-amerikanische Wissenschaftlerteam auf μOPMs (microfabricated optically-pum-ped magnetometers) zuruumlckgegriffen Optische Magnetometer basieren darauf dass Atome die einen Elektronenspin besitzen in Magnetfeldern mit einer ge-nau bekannten Frequenz praumlzedieren Bei Alkaliatomen wie dem in μOPMs verwendeten Rubidium kann man in der Gasphase durch optisches Pumpen eine

makroskopische Polarisation des Elek-tronenspins erreichen In diesem Zu-stand ist der Atomdampf optisch trans-parent Wird ein Magnetfeld angelegt so geht die Transparenz durch das Praumlze-dieren der Elektronenspins verloren die gemessene Absorptionsaumlnderung ist ein Maszlig fuumlr die angelegte Feldstaumlrke

Der Prototyp den die Forscher entwi-ckelt haben besteht aus drei Gurten die uumlber den Oberkoumlrper der Schwangeren gespannt werden Sie tragen eine flexib-le Anordnung von 25 μOPM-Sensoren Mit einem Abstand von etwa 45 mm zur Haut messen diese ohne direkten Haut-kontakt die magnetischen Signale die durch die Herzschlaumlge von Mutter und Kind entstehen Der Gurt unter der Brust der Mutter dient dazu ihren Herzschlag separat zu ermitteln Er wird von der Gesamtmessung abgezogen um nur das schwaumlchere Signal des Kinderherzens zu ermitteln

Die Messungen sind ein Schritt in Richtung zu einem bedienungsfreundli-chen und aussagekraumlftigen Herzschlag-

messer fuumlr Foumlten der zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Schwangerschaft direkt am Koumlrper der Mutter angebracht wer-den kann

AnsprechpartnerTilmann Sander-ThoumlmmesFachbereich 82 Biosignale (030) 3481-7436tilmannsander-thoemmesptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungO Alem T H Sander R Mhaskar J LeBlanc H Eswaran U Steinhoff Y Okada J Kitching L Trahms S Knappe Fetal magnetocardiography measurements with an array of micro-fabricated optically pumped magneto-meters Phys Med Biol 60 4797ndash4811 (2015)

Die gemessene Feldverteilung des Herzens der Mutter (links) und des Foumltus (rechts) Rote Isofeldlinien bezeichnen die Gebiete mit einem positiven Vorzeichen des magnetischen Feldes blaue die mit nega-tivem Vorzeichen Die Positionen der Herzen sind nur schematisch zu verstehen da ihre exakte Lage in dieser Testmessung nicht bestimmt wurde Beide Herzschlagsignale wurden gleichzeitig gemessen und dann mit einem mathematischen Algorithmus separiert

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerinAnnette RoumlttgerFachbereich 61 Radioaktivitaumlt(0531) 592-6130annetteroettgerptbde

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnormalen unter definierten Raumwinkeln

Bislang wird die metrologische Cha-rakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivitaumlt offener Al-phateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden Derartige Ak-tivitaumltsnormale koumlnnen ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden Zur Cha-rakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel ndash eine Absolutmethode ndash verwendet Aktuell werden relati-ve Standard-Messunsicherheiten von 03 erreicht

wird mit einem digitalen Radiografie-system gemessen Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet in die die Abmes-sungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitaumltsverteilung eingehen Die Messeinrichtung enthaumllt energiedispersive Detektorsysteme Aus den gemessenen Impulshoumlhenverteilun-gen koumlnnen dann mit geeigneten Rech-nerprogrammen Informationen uumlber die Guumlte der Quelle bezuumlglich des Energie-verlustes der Alphateilchen in der Quelle und uumlber die Radionuklidzusammenset-zung gewonnen werden

Derzeit werden die bestehenden Appa-raturen weiterentwickelt sowie das Ener-gieaufloumlsungsvermoumlgen der Detektorsys-teme optimiert Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicher-heit Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Laumlngen-

messungen Durch eine Vergroumlszligerung der Apparatur laumlsst sich die relative Un-sicherheit dieser Laumlngenmessungen deut-lich reduzieren Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Groumlszlige des Detektors begrenzt Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgroumlszlige von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Flaumlche beinhalten und so die Verringerung der Messunsi-cherheit ermoumlglichen Daneben wird die neue Apparatur Maszlignahmen zur Re-

duzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellen-wechsel ermoumlglichen Damit eroumlffnet sich

die Moumlglichkeit im Bereich der kurzlebigen Nu-klide neben der Aktivitaumlt auch die Halbwertszeiten zu bestimmen Generelles Ziel ist hierbei nicht nur die Weiterga-be des Becquerels fuumlr alphastrah-lende Nuklide mit kleinstmoumlglichen Unsicherheiten zu erreichen sondern auch gleichzeitig

in der Lage zu sein radioaktive Verun-reinigungen zu erkennen und Isotopen-gemische zu analysieren Dafuumlr sind eine verbesserte spektrometrische Aufloumlsung und komplexe Auswertealgorithmen er-forderlich

Besonders interessant fuumlrbull Strahlenschutzbull Halbleiterindustriebull Radionuklid-Industriebull Metrologieinstitute

Emissionsraten und Aktivitaumlten ra-dioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden uumlber die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffen-den Alphateilchen bestimmt Diese Art der Aktivitaumltsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne dass zur Bestimmung aller notwendigen Kali-brierfaktoren nur Messungen notwendig sind die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen Das sind in diesem Falle Zeit- und Laumlngenmessun-gen

Die erreichbare Messunsicherheit fuumlr eine Aktivitaumltsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich be-stimmt durch die Genauigkeit mit wel-cher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann Fuumlr dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Ak-tivitaumltsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberflaumlche notwendig Sie

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel Rechts im Bild der gegenwaumlrtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor Im Messbetrieb befindet sich der Detektor buumlndig an der Austrittsoumlffnung des Blendensystems In der linken Bildhaumllfte der zukuumlnftige Detektor Das zu-gehoumlrige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befindet sich im Bau

Impulshoumlhenspektrum (Ereignisse uumlber Kanaumllen) in logarithmischer Darstel-lung einer Americium-241-Quelle Man sieht die Zuordnung der einzelnen Uumlbergaumlnge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7) aber auch die Verunreinigung durch Pu-238 Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18)

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Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

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TECHNOLOGIETRANSFER

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

AnsprechpartnerReneacute SchoumldelFachbereich 54 Interferometrie an Maszligverkoumlrperungen(0531) 592-5400 reneschoedelptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungT Middelmann A Walkov G Bartl R Schoumldel Thermal expansion coef-ficient of single-crystal silicon from 7 K to 293 K Phys Rev B 92 174113 (2015)

Besonders interessant fuumlrbull Weltraumforschungbull Halbleiterphsyikbull Materialforschung

Weltraumteleskope wie das Infrarot-Observatorium Herschel der Europauml-ischen Raumfahrtorganisation ESA beobachten Strahlung im fernen In-frarot Dabei ist die Kuumlhlung ihrer Instrumente unerlaumlsslich damit sie nicht selbst stoumlrende Infrarotstrahlung emittieren Die Spiegel dieser Teles-kope die bei Temperaturen unterhalb von ndash190degC zum Einsatz kommen werden aus speziellen ultrastabilen Keramiken hergestellt In einem Ko-operationsprojekt mit der ESA hat die PTB die thermische Ausdehnung der verwendeten Materialien sowie von einkristallinem Silizium sehr genau gemessen Die Untersuchungen nuumltzen zukuumlnftigen Weltraummissionen zei-gen aber auch dass die bisher verwen-deten Werte fuumlr einkristallines Silizium als Referenzmaterial korrigiert werden muumlssen

Weltraumteleskope koumlnnen vom Welt-raum aus Spektralbereiche untersuchen die von der Erde aus nicht zugaumlnglich sind Wie entscheidend es fuumlr den Bau solcher Teleskope ist das thermische Ausdehnungsverhalten der verwende-ten Materialien genau zu kennen wurde bei der Herschel-Mission deutlich als die vorab durchgefuumlhrten Simulationen letztlich nicht mit den gefertigten Spie-geln uumlbereinstimmten Zwar wurden die Unstimmigkeiten nicht erst im Weltraum entdeckt aber sie fuumlhrten zu unnoumltigen Verzoumlgerungen Um derartige Uumlberra-schungen zu vermeiden waren genauere Untersuchungen der verwendeten Mate-

rialien erforderlich Im Rahmen des ESA-Projektes un-tersuchten die PTB-Wissenschaftler die Laumlngenausdehnung der speziellen ultrastabilen Ke-ramiken wie etwa Siliziumkarbid in einem Tempera-turbereich von ndash266 degC bis +20 degC mit Nanometer-Genauigkeit In weiten Teilen dieses Temperaturbereichs entspricht die er-reichte Genauig-keit einer relativen L auml ngenauml nder u ng von etwa einem Milliardstel pro Grad Celsius

Das eingesetzte Ultrapraumlzisionsinterferometer der PTB gilt als weltweit einzigartig Um Messun-gen mit aumlhnlicher Genauigkeit auch in anderen Instituten und mit weniger Auf-wand durchfuumlhren zu koumlnnen werden uumlblicherweise Referenzmaterialien mit genau bekannter thermischer Ausdeh-nung als Vergleich herangezogen Ein solches Referenzmaterial einkristallines Silizium ist in dem Projekt ebenfalls un-tersucht worden Dabei zeigten sich in einem weiten Temperaturbereich signifi-kante Abweichungen von den bisherigen Referenzwerten fuumlr kristallines Silizium

Die Ergebnisse sind von Bedeu-tung fuumlr weitere bereits geplante Weltraumteleskope Durch geschicktes Vermeiden jeglicher Strahlungswaumlr-me werden beim James-Webb-Welt-raumteleskop Einsatztemperaturen un-

terhalb von ndash220 degC herrschen Beim Infrarot-Weltraumteleskop fuumlr Kosmo-logie und Astrophysik (SPICA) koumlnnten die Temperaturen sogar noch darunter liegen

Ultrastabile Materialien genau untersuchtThermische Ausdehnung bei tiefen Temperaturen fuumlr zukuumlnftige Weltraummissionen gemessen

Das Weltraumteleskop Herschel (2009ndash2013) ermoumlglichte faszinierende Einblicke in die Entstehung von Sternen (Abb ESA)

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerOliver KielerFachbereich 24 Quantenelektronik(0531) 592-1623oliverkielerptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungR Behr O Kieler J Lee S Bauer L Palafox J Kohlmann Direct com-parison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter Metrologia 52 528ndash537 (2015)

Durchbruch Erstmals quantengenaue Wechselspannung mit 1 Volt erzieltPulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal mit effektiven Ausgangsspannungen bis 1 Volt fuumlr die Erzeugung beliebiger Wellenformen houmlchster Guumlte

Besonders interessant fuumlrbull Metrologieinstitutebull Kalibrierlaboratorienbull Hersteller von elektrischen Praumlzisionsmessgeraumlten

In der PTB konnte die Ausgangs-spannung eines pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals durch Verwendung dreifach gestapelter Jo-sephson-Kontakte und durch Serien-schaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten signifikant erhoumlht werden Lagen zuvor erzielte maximale Ausgangsspannungen bei etwa 300 mV Effektivwert so wurde nun erstmals der fuumlr metrologische Anwen-dungen wichtige Richtwert von 1 Volt erreicht Ein Praumlzisionsvergleich mit ei-nem AC-Quantenvoltmeter zeigte bei ei-ner Frequenz von 250 Hz eine exzellente Uumlbereinstimmung von (35 plusmn 117) nVV Die erzielte Erhoumlhung der Effektivspan-nung eroumlffnet eine Reihe von neuen An-wendungsmoumlglichkeiten

mit hoher Fertigungsausbeute hergestellt Auf einem Chip mit den Abmessungen 10 mm 10 mm sind zwei Schaltungen mit insgesamt 18 000 Josephson-Kontak-ten integriert (siehe Bild) Die Kombinati-on von acht JAWS-Schaltungen (also vier

Chips) ergab eine Serienschaltung von insgesamt 63 000 Josephson-Kontakten Durch Bestrahlung dieser JAWS-Schal-tungen mit einem Pulssignal im GHz-Frequenzbereich werden Sinuswellen erzeugt Die erzielte Ausgangsspannung betrug 1 Volt und wies eine herausragen-de spektrale Reinheit auf (Signal-Rausch-Verhaumlltnis besser als 120 dB)

Ein ebenfalls an der PTB entwickeltes AC-Quantenvoltmeter (siehe auch PTB-News 20132) diente dazu die Genau-igkeit der so erzeugten Sinuswellen zu uumlberpruumlfen Weltweit erstmalig wurde damit ein direkter Vergleich zweier unter-schiedlicher Josephson-Spannungsnor-male bei 1 Volt uumlber den Frequenzbereich von 30 Hz bis 15 kHz durchgefuumlhrt Die bdquoQuantengenauigkeitldquo des neuen pulsge-triebenen 1 Volt-JAWS-Systems lieszlig sich mit einer exzellenten Uumlbereinstimmung

von (35 plusmn 117) nVV bei einer Frequenz von 250 Hz nachweisen

Die erzeugbare Effektivspannung von 1 Volt eroumlffnet fuumlr die Zukunft eine Viel-zahl von neuen Anwendungsmoumlglichkei-ten des JAWS im Bereich der elektrischen

Wechselspannungsmetrologie zum Beispiel fuumlr die Kalibrierung von Mess-geraumlten Analog-Digital- bzw Digital-Analog-Umsetzern AC-DC-Normalen Spannungsteilern oder Impedanznorma-len

Pulsgetriebene AC-Josephson-Span-nungsnormale ermoumlglichen die Erzeu-gung spektral reiner beliebiger Wel-lenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthe-sizer (JAWS) bezeichnet Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Jo-sephson-Kontakte wie sie im Reinraum-zentrum der PTB hergestellt werden In dem von der PTB weiterentwickelten komplexen Mehrlagen-Duumlnnschichtpro-zess wird eine dreilagige Schichtfolge (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) verwendet deren mittlere sehr duumlnne normalleitende Schicht aus NbxSi1-x die beiden supraleitenden Nb-Schichten schwach koppelt Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abschei-debedingungen koumlnnen Schichten wohl-definierter Dicke gefertigt werden Auf diese Weise wurden Stapel von jeweils drei Josephson-Kontakten ndash d h vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten in Serie ndash

Oben links Chip mit zwei JAWS-Schaltungen (mit insgesamt 18 000 integrierten Josephson-Kontak-ten) Mitte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer JAWS-Schaltung Oben rechts und unten links Detailvergroumlszligerungen der Schaltung

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

Magnetfeldsensor misst Herzschlag von Ungeborenen Beruumlhrungslose Herzschlaguumlberwachung waumlhrend der Schwangerschaft

Besonders interessant fuumlrbull Kardiologenbull Praumlnataldiagnostik

Mit optischen Magnetfeldsensoren haben Forscher der PTB am Bauch einer schwangeren Frau die magneti-schen Signale gemessen die durch die Herzaktivitaumlt ihres ungeborenen Kin-des entstehen Sie konnten zeigen dass die gemeinsam mit dem US-amerikani-schen National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelte Technik so verlaumlsslich misst wie andere Methoden und daruumlber hinaus zusaumltz-liche Informationen liefern kann So lassen sich foumltale Herzfehler fruumlhzeitig diagnostizieren

Um Herzrhythmusstoumlrungen schon bei ungeborenen Babys zu entdecken wer-den deren Herzschlaumlge unter anderem mithilfe von Elektrokardiografiegeraumlten (EKG) uumlberwacht Dabei werden Elek-troden auf der Haut der Mutter platziert Doch die elektrischen Signale des Kindes werden durch die umgebende schuumltzen-de Schicht (bdquoKaumlseschmiereldquo) gedaumlmpft und koumlnnen von denen der Mutter uumlber-lagert werden Magnetfeldsensoren hin-gegen haben den Vorteil Herzsignale weit vollstaumlndiger zu erfassen Zudem be-noumltigen sie keinen elektrischen Kontakt mit der Haut

Aus diesem Grund hat das deutsch-amerikanische Wissenschaftlerteam auf μOPMs (microfabricated optically-pum-ped magnetometers) zuruumlckgegriffen Optische Magnetometer basieren darauf dass Atome die einen Elektronenspin besitzen in Magnetfeldern mit einer ge-nau bekannten Frequenz praumlzedieren Bei Alkaliatomen wie dem in μOPMs verwendeten Rubidium kann man in der Gasphase durch optisches Pumpen eine

makroskopische Polarisation des Elek-tronenspins erreichen In diesem Zu-stand ist der Atomdampf optisch trans-parent Wird ein Magnetfeld angelegt so geht die Transparenz durch das Praumlze-dieren der Elektronenspins verloren die gemessene Absorptionsaumlnderung ist ein Maszlig fuumlr die angelegte Feldstaumlrke

Der Prototyp den die Forscher entwi-ckelt haben besteht aus drei Gurten die uumlber den Oberkoumlrper der Schwangeren gespannt werden Sie tragen eine flexib-le Anordnung von 25 μOPM-Sensoren Mit einem Abstand von etwa 45 mm zur Haut messen diese ohne direkten Haut-kontakt die magnetischen Signale die durch die Herzschlaumlge von Mutter und Kind entstehen Der Gurt unter der Brust der Mutter dient dazu ihren Herzschlag separat zu ermitteln Er wird von der Gesamtmessung abgezogen um nur das schwaumlchere Signal des Kinderherzens zu ermitteln

Die Messungen sind ein Schritt in Richtung zu einem bedienungsfreundli-chen und aussagekraumlftigen Herzschlag-

messer fuumlr Foumlten der zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Schwangerschaft direkt am Koumlrper der Mutter angebracht wer-den kann

AnsprechpartnerTilmann Sander-ThoumlmmesFachbereich 82 Biosignale (030) 3481-7436tilmannsander-thoemmesptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungO Alem T H Sander R Mhaskar J LeBlanc H Eswaran U Steinhoff Y Okada J Kitching L Trahms S Knappe Fetal magnetocardiography measurements with an array of micro-fabricated optically pumped magneto-meters Phys Med Biol 60 4797ndash4811 (2015)

Die gemessene Feldverteilung des Herzens der Mutter (links) und des Foumltus (rechts) Rote Isofeldlinien bezeichnen die Gebiete mit einem positiven Vorzeichen des magnetischen Feldes blaue die mit nega-tivem Vorzeichen Die Positionen der Herzen sind nur schematisch zu verstehen da ihre exakte Lage in dieser Testmessung nicht bestimmt wurde Beide Herzschlagsignale wurden gleichzeitig gemessen und dann mit einem mathematischen Algorithmus separiert

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerinAnnette RoumlttgerFachbereich 61 Radioaktivitaumlt(0531) 592-6130annetteroettgerptbde

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnormalen unter definierten Raumwinkeln

Bislang wird die metrologische Cha-rakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivitaumlt offener Al-phateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden Derartige Ak-tivitaumltsnormale koumlnnen ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden Zur Cha-rakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel ndash eine Absolutmethode ndash verwendet Aktuell werden relati-ve Standard-Messunsicherheiten von 03 erreicht

wird mit einem digitalen Radiografie-system gemessen Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet in die die Abmes-sungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitaumltsverteilung eingehen Die Messeinrichtung enthaumllt energiedispersive Detektorsysteme Aus den gemessenen Impulshoumlhenverteilun-gen koumlnnen dann mit geeigneten Rech-nerprogrammen Informationen uumlber die Guumlte der Quelle bezuumlglich des Energie-verlustes der Alphateilchen in der Quelle und uumlber die Radionuklidzusammenset-zung gewonnen werden

Derzeit werden die bestehenden Appa-raturen weiterentwickelt sowie das Ener-gieaufloumlsungsvermoumlgen der Detektorsys-teme optimiert Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicher-heit Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Laumlngen-

messungen Durch eine Vergroumlszligerung der Apparatur laumlsst sich die relative Un-sicherheit dieser Laumlngenmessungen deut-lich reduzieren Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Groumlszlige des Detektors begrenzt Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgroumlszlige von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Flaumlche beinhalten und so die Verringerung der Messunsi-cherheit ermoumlglichen Daneben wird die neue Apparatur Maszlignahmen zur Re-

duzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellen-wechsel ermoumlglichen Damit eroumlffnet sich

die Moumlglichkeit im Bereich der kurzlebigen Nu-klide neben der Aktivitaumlt auch die Halbwertszeiten zu bestimmen Generelles Ziel ist hierbei nicht nur die Weiterga-be des Becquerels fuumlr alphastrah-lende Nuklide mit kleinstmoumlglichen Unsicherheiten zu erreichen sondern auch gleichzeitig

in der Lage zu sein radioaktive Verun-reinigungen zu erkennen und Isotopen-gemische zu analysieren Dafuumlr sind eine verbesserte spektrometrische Aufloumlsung und komplexe Auswertealgorithmen er-forderlich

Besonders interessant fuumlrbull Strahlenschutzbull Halbleiterindustriebull Radionuklid-Industriebull Metrologieinstitute

Emissionsraten und Aktivitaumlten ra-dioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden uumlber die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffen-den Alphateilchen bestimmt Diese Art der Aktivitaumltsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne dass zur Bestimmung aller notwendigen Kali-brierfaktoren nur Messungen notwendig sind die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen Das sind in diesem Falle Zeit- und Laumlngenmessun-gen

Die erreichbare Messunsicherheit fuumlr eine Aktivitaumltsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich be-stimmt durch die Genauigkeit mit wel-cher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann Fuumlr dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Ak-tivitaumltsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberflaumlche notwendig Sie

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel Rechts im Bild der gegenwaumlrtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor Im Messbetrieb befindet sich der Detektor buumlndig an der Austrittsoumlffnung des Blendensystems In der linken Bildhaumllfte der zukuumlnftige Detektor Das zu-gehoumlrige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befindet sich im Bau

Impulshoumlhenspektrum (Ereignisse uumlber Kanaumllen) in logarithmischer Darstel-lung einer Americium-241-Quelle Man sieht die Zuordnung der einzelnen Uumlbergaumlnge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7) aber auch die Verunreinigung durch Pu-238 Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18)

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Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

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TECHNOLOGIETRANSFER

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerOliver KielerFachbereich 24 Quantenelektronik(0531) 592-1623oliverkielerptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungR Behr O Kieler J Lee S Bauer L Palafox J Kohlmann Direct com-parison of a 1 V Josephson arbitrary waveform synthesizer and an ac quantum voltmeter Metrologia 52 528ndash537 (2015)

Durchbruch Erstmals quantengenaue Wechselspannung mit 1 Volt erzieltPulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal mit effektiven Ausgangsspannungen bis 1 Volt fuumlr die Erzeugung beliebiger Wellenformen houmlchster Guumlte

Besonders interessant fuumlrbull Metrologieinstitutebull Kalibrierlaboratorienbull Hersteller von elektrischen Praumlzisionsmessgeraumlten

In der PTB konnte die Ausgangs-spannung eines pulsgetriebenen AC-Josephson-Spannungsnormals durch Verwendung dreifach gestapelter Jo-sephson-Kontakte und durch Serien-schaltung von acht Schaltungen mit insgesamt 63 000 Kontakten signifikant erhoumlht werden Lagen zuvor erzielte maximale Ausgangsspannungen bei etwa 300 mV Effektivwert so wurde nun erstmals der fuumlr metrologische Anwen-dungen wichtige Richtwert von 1 Volt erreicht Ein Praumlzisionsvergleich mit ei-nem AC-Quantenvoltmeter zeigte bei ei-ner Frequenz von 250 Hz eine exzellente Uumlbereinstimmung von (35 plusmn 117) nVV Die erzielte Erhoumlhung der Effektivspan-nung eroumlffnet eine Reihe von neuen An-wendungsmoumlglichkeiten

mit hoher Fertigungsausbeute hergestellt Auf einem Chip mit den Abmessungen 10 mm 10 mm sind zwei Schaltungen mit insgesamt 18 000 Josephson-Kontak-ten integriert (siehe Bild) Die Kombinati-on von acht JAWS-Schaltungen (also vier

Chips) ergab eine Serienschaltung von insgesamt 63 000 Josephson-Kontakten Durch Bestrahlung dieser JAWS-Schal-tungen mit einem Pulssignal im GHz-Frequenzbereich werden Sinuswellen erzeugt Die erzielte Ausgangsspannung betrug 1 Volt und wies eine herausragen-de spektrale Reinheit auf (Signal-Rausch-Verhaumlltnis besser als 120 dB)

Ein ebenfalls an der PTB entwickeltes AC-Quantenvoltmeter (siehe auch PTB-News 20132) diente dazu die Genau-igkeit der so erzeugten Sinuswellen zu uumlberpruumlfen Weltweit erstmalig wurde damit ein direkter Vergleich zweier unter-schiedlicher Josephson-Spannungsnor-male bei 1 Volt uumlber den Frequenzbereich von 30 Hz bis 15 kHz durchgefuumlhrt Die bdquoQuantengenauigkeitldquo des neuen pulsge-triebenen 1 Volt-JAWS-Systems lieszlig sich mit einer exzellenten Uumlbereinstimmung

von (35 plusmn 117) nVV bei einer Frequenz von 250 Hz nachweisen

Die erzeugbare Effektivspannung von 1 Volt eroumlffnet fuumlr die Zukunft eine Viel-zahl von neuen Anwendungsmoumlglichkei-ten des JAWS im Bereich der elektrischen

Wechselspannungsmetrologie zum Beispiel fuumlr die Kalibrierung von Mess-geraumlten Analog-Digital- bzw Digital-Analog-Umsetzern AC-DC-Normalen Spannungsteilern oder Impedanznorma-len

Pulsgetriebene AC-Josephson-Span-nungsnormale ermoumlglichen die Erzeu-gung spektral reiner beliebiger Wel-lenformen und werden deshalb auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthe-sizer (JAWS) bezeichnet Sie basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Jo-sephson-Kontakte wie sie im Reinraum-zentrum der PTB hergestellt werden In dem von der PTB weiterentwickelten komplexen Mehrlagen-Duumlnnschichtpro-zess wird eine dreilagige Schichtfolge (Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) verwendet deren mittlere sehr duumlnne normalleitende Schicht aus NbxSi1-x die beiden supraleitenden Nb-Schichten schwach koppelt Aufgrund der extrem stabilen und reproduzierbaren Abschei-debedingungen koumlnnen Schichten wohl-definierter Dicke gefertigt werden Auf diese Weise wurden Stapel von jeweils drei Josephson-Kontakten ndash d h vier Nb- und drei NbxSi1-x-Schichten in Serie ndash

Oben links Chip mit zwei JAWS-Schaltungen (mit insgesamt 18 000 integrierten Josephson-Kontak-ten) Mitte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer JAWS-Schaltung Oben rechts und unten links Detailvergroumlszligerungen der Schaltung

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

Magnetfeldsensor misst Herzschlag von Ungeborenen Beruumlhrungslose Herzschlaguumlberwachung waumlhrend der Schwangerschaft

Besonders interessant fuumlrbull Kardiologenbull Praumlnataldiagnostik

Mit optischen Magnetfeldsensoren haben Forscher der PTB am Bauch einer schwangeren Frau die magneti-schen Signale gemessen die durch die Herzaktivitaumlt ihres ungeborenen Kin-des entstehen Sie konnten zeigen dass die gemeinsam mit dem US-amerikani-schen National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelte Technik so verlaumlsslich misst wie andere Methoden und daruumlber hinaus zusaumltz-liche Informationen liefern kann So lassen sich foumltale Herzfehler fruumlhzeitig diagnostizieren

Um Herzrhythmusstoumlrungen schon bei ungeborenen Babys zu entdecken wer-den deren Herzschlaumlge unter anderem mithilfe von Elektrokardiografiegeraumlten (EKG) uumlberwacht Dabei werden Elek-troden auf der Haut der Mutter platziert Doch die elektrischen Signale des Kindes werden durch die umgebende schuumltzen-de Schicht (bdquoKaumlseschmiereldquo) gedaumlmpft und koumlnnen von denen der Mutter uumlber-lagert werden Magnetfeldsensoren hin-gegen haben den Vorteil Herzsignale weit vollstaumlndiger zu erfassen Zudem be-noumltigen sie keinen elektrischen Kontakt mit der Haut

Aus diesem Grund hat das deutsch-amerikanische Wissenschaftlerteam auf μOPMs (microfabricated optically-pum-ped magnetometers) zuruumlckgegriffen Optische Magnetometer basieren darauf dass Atome die einen Elektronenspin besitzen in Magnetfeldern mit einer ge-nau bekannten Frequenz praumlzedieren Bei Alkaliatomen wie dem in μOPMs verwendeten Rubidium kann man in der Gasphase durch optisches Pumpen eine

makroskopische Polarisation des Elek-tronenspins erreichen In diesem Zu-stand ist der Atomdampf optisch trans-parent Wird ein Magnetfeld angelegt so geht die Transparenz durch das Praumlze-dieren der Elektronenspins verloren die gemessene Absorptionsaumlnderung ist ein Maszlig fuumlr die angelegte Feldstaumlrke

Der Prototyp den die Forscher entwi-ckelt haben besteht aus drei Gurten die uumlber den Oberkoumlrper der Schwangeren gespannt werden Sie tragen eine flexib-le Anordnung von 25 μOPM-Sensoren Mit einem Abstand von etwa 45 mm zur Haut messen diese ohne direkten Haut-kontakt die magnetischen Signale die durch die Herzschlaumlge von Mutter und Kind entstehen Der Gurt unter der Brust der Mutter dient dazu ihren Herzschlag separat zu ermitteln Er wird von der Gesamtmessung abgezogen um nur das schwaumlchere Signal des Kinderherzens zu ermitteln

Die Messungen sind ein Schritt in Richtung zu einem bedienungsfreundli-chen und aussagekraumlftigen Herzschlag-

messer fuumlr Foumlten der zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Schwangerschaft direkt am Koumlrper der Mutter angebracht wer-den kann

AnsprechpartnerTilmann Sander-ThoumlmmesFachbereich 82 Biosignale (030) 3481-7436tilmannsander-thoemmesptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungO Alem T H Sander R Mhaskar J LeBlanc H Eswaran U Steinhoff Y Okada J Kitching L Trahms S Knappe Fetal magnetocardiography measurements with an array of micro-fabricated optically pumped magneto-meters Phys Med Biol 60 4797ndash4811 (2015)

Die gemessene Feldverteilung des Herzens der Mutter (links) und des Foumltus (rechts) Rote Isofeldlinien bezeichnen die Gebiete mit einem positiven Vorzeichen des magnetischen Feldes blaue die mit nega-tivem Vorzeichen Die Positionen der Herzen sind nur schematisch zu verstehen da ihre exakte Lage in dieser Testmessung nicht bestimmt wurde Beide Herzschlagsignale wurden gleichzeitig gemessen und dann mit einem mathematischen Algorithmus separiert

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerinAnnette RoumlttgerFachbereich 61 Radioaktivitaumlt(0531) 592-6130annetteroettgerptbde

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnormalen unter definierten Raumwinkeln

Bislang wird die metrologische Cha-rakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivitaumlt offener Al-phateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden Derartige Ak-tivitaumltsnormale koumlnnen ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden Zur Cha-rakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel ndash eine Absolutmethode ndash verwendet Aktuell werden relati-ve Standard-Messunsicherheiten von 03 erreicht

wird mit einem digitalen Radiografie-system gemessen Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet in die die Abmes-sungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitaumltsverteilung eingehen Die Messeinrichtung enthaumllt energiedispersive Detektorsysteme Aus den gemessenen Impulshoumlhenverteilun-gen koumlnnen dann mit geeigneten Rech-nerprogrammen Informationen uumlber die Guumlte der Quelle bezuumlglich des Energie-verlustes der Alphateilchen in der Quelle und uumlber die Radionuklidzusammenset-zung gewonnen werden

Derzeit werden die bestehenden Appa-raturen weiterentwickelt sowie das Ener-gieaufloumlsungsvermoumlgen der Detektorsys-teme optimiert Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicher-heit Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Laumlngen-

messungen Durch eine Vergroumlszligerung der Apparatur laumlsst sich die relative Un-sicherheit dieser Laumlngenmessungen deut-lich reduzieren Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Groumlszlige des Detektors begrenzt Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgroumlszlige von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Flaumlche beinhalten und so die Verringerung der Messunsi-cherheit ermoumlglichen Daneben wird die neue Apparatur Maszlignahmen zur Re-

duzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellen-wechsel ermoumlglichen Damit eroumlffnet sich

die Moumlglichkeit im Bereich der kurzlebigen Nu-klide neben der Aktivitaumlt auch die Halbwertszeiten zu bestimmen Generelles Ziel ist hierbei nicht nur die Weiterga-be des Becquerels fuumlr alphastrah-lende Nuklide mit kleinstmoumlglichen Unsicherheiten zu erreichen sondern auch gleichzeitig

in der Lage zu sein radioaktive Verun-reinigungen zu erkennen und Isotopen-gemische zu analysieren Dafuumlr sind eine verbesserte spektrometrische Aufloumlsung und komplexe Auswertealgorithmen er-forderlich

Besonders interessant fuumlrbull Strahlenschutzbull Halbleiterindustriebull Radionuklid-Industriebull Metrologieinstitute

Emissionsraten und Aktivitaumlten ra-dioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden uumlber die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffen-den Alphateilchen bestimmt Diese Art der Aktivitaumltsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne dass zur Bestimmung aller notwendigen Kali-brierfaktoren nur Messungen notwendig sind die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen Das sind in diesem Falle Zeit- und Laumlngenmessun-gen

Die erreichbare Messunsicherheit fuumlr eine Aktivitaumltsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich be-stimmt durch die Genauigkeit mit wel-cher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann Fuumlr dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Ak-tivitaumltsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberflaumlche notwendig Sie

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel Rechts im Bild der gegenwaumlrtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor Im Messbetrieb befindet sich der Detektor buumlndig an der Austrittsoumlffnung des Blendensystems In der linken Bildhaumllfte der zukuumlnftige Detektor Das zu-gehoumlrige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befindet sich im Bau

Impulshoumlhenspektrum (Ereignisse uumlber Kanaumllen) in logarithmischer Darstel-lung einer Americium-241-Quelle Man sieht die Zuordnung der einzelnen Uumlbergaumlnge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7) aber auch die Verunreinigung durch Pu-238 Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18)

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

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Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

TECHNOLOGIETRANSFER

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

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FORSCHUNGSNACHRICHTEN

Magnetfeldsensor misst Herzschlag von Ungeborenen Beruumlhrungslose Herzschlaguumlberwachung waumlhrend der Schwangerschaft

Besonders interessant fuumlrbull Kardiologenbull Praumlnataldiagnostik

Mit optischen Magnetfeldsensoren haben Forscher der PTB am Bauch einer schwangeren Frau die magneti-schen Signale gemessen die durch die Herzaktivitaumlt ihres ungeborenen Kin-des entstehen Sie konnten zeigen dass die gemeinsam mit dem US-amerikani-schen National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelte Technik so verlaumlsslich misst wie andere Methoden und daruumlber hinaus zusaumltz-liche Informationen liefern kann So lassen sich foumltale Herzfehler fruumlhzeitig diagnostizieren

Um Herzrhythmusstoumlrungen schon bei ungeborenen Babys zu entdecken wer-den deren Herzschlaumlge unter anderem mithilfe von Elektrokardiografiegeraumlten (EKG) uumlberwacht Dabei werden Elek-troden auf der Haut der Mutter platziert Doch die elektrischen Signale des Kindes werden durch die umgebende schuumltzen-de Schicht (bdquoKaumlseschmiereldquo) gedaumlmpft und koumlnnen von denen der Mutter uumlber-lagert werden Magnetfeldsensoren hin-gegen haben den Vorteil Herzsignale weit vollstaumlndiger zu erfassen Zudem be-noumltigen sie keinen elektrischen Kontakt mit der Haut

Aus diesem Grund hat das deutsch-amerikanische Wissenschaftlerteam auf μOPMs (microfabricated optically-pum-ped magnetometers) zuruumlckgegriffen Optische Magnetometer basieren darauf dass Atome die einen Elektronenspin besitzen in Magnetfeldern mit einer ge-nau bekannten Frequenz praumlzedieren Bei Alkaliatomen wie dem in μOPMs verwendeten Rubidium kann man in der Gasphase durch optisches Pumpen eine

makroskopische Polarisation des Elek-tronenspins erreichen In diesem Zu-stand ist der Atomdampf optisch trans-parent Wird ein Magnetfeld angelegt so geht die Transparenz durch das Praumlze-dieren der Elektronenspins verloren die gemessene Absorptionsaumlnderung ist ein Maszlig fuumlr die angelegte Feldstaumlrke

Der Prototyp den die Forscher entwi-ckelt haben besteht aus drei Gurten die uumlber den Oberkoumlrper der Schwangeren gespannt werden Sie tragen eine flexib-le Anordnung von 25 μOPM-Sensoren Mit einem Abstand von etwa 45 mm zur Haut messen diese ohne direkten Haut-kontakt die magnetischen Signale die durch die Herzschlaumlge von Mutter und Kind entstehen Der Gurt unter der Brust der Mutter dient dazu ihren Herzschlag separat zu ermitteln Er wird von der Gesamtmessung abgezogen um nur das schwaumlchere Signal des Kinderherzens zu ermitteln

Die Messungen sind ein Schritt in Richtung zu einem bedienungsfreundli-chen und aussagekraumlftigen Herzschlag-

messer fuumlr Foumlten der zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Schwangerschaft direkt am Koumlrper der Mutter angebracht wer-den kann

AnsprechpartnerTilmann Sander-ThoumlmmesFachbereich 82 Biosignale (030) 3481-7436tilmannsander-thoemmesptbde

Wissenschaftliche VeroumlffentlichungO Alem T H Sander R Mhaskar J LeBlanc H Eswaran U Steinhoff Y Okada J Kitching L Trahms S Knappe Fetal magnetocardiography measurements with an array of micro-fabricated optically pumped magneto-meters Phys Med Biol 60 4797ndash4811 (2015)

Die gemessene Feldverteilung des Herzens der Mutter (links) und des Foumltus (rechts) Rote Isofeldlinien bezeichnen die Gebiete mit einem positiven Vorzeichen des magnetischen Feldes blaue die mit nega-tivem Vorzeichen Die Positionen der Herzen sind nur schematisch zu verstehen da ihre exakte Lage in dieser Testmessung nicht bestimmt wurde Beide Herzschlagsignale wurden gleichzeitig gemessen und dann mit einem mathematischen Algorithmus separiert

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

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PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerinAnnette RoumlttgerFachbereich 61 Radioaktivitaumlt(0531) 592-6130annetteroettgerptbde

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnormalen unter definierten Raumwinkeln

Bislang wird die metrologische Cha-rakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivitaumlt offener Al-phateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden Derartige Ak-tivitaumltsnormale koumlnnen ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden Zur Cha-rakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel ndash eine Absolutmethode ndash verwendet Aktuell werden relati-ve Standard-Messunsicherheiten von 03 erreicht

wird mit einem digitalen Radiografie-system gemessen Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet in die die Abmes-sungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitaumltsverteilung eingehen Die Messeinrichtung enthaumllt energiedispersive Detektorsysteme Aus den gemessenen Impulshoumlhenverteilun-gen koumlnnen dann mit geeigneten Rech-nerprogrammen Informationen uumlber die Guumlte der Quelle bezuumlglich des Energie-verlustes der Alphateilchen in der Quelle und uumlber die Radionuklidzusammenset-zung gewonnen werden

Derzeit werden die bestehenden Appa-raturen weiterentwickelt sowie das Ener-gieaufloumlsungsvermoumlgen der Detektorsys-teme optimiert Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicher-heit Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Laumlngen-

messungen Durch eine Vergroumlszligerung der Apparatur laumlsst sich die relative Un-sicherheit dieser Laumlngenmessungen deut-lich reduzieren Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Groumlszlige des Detektors begrenzt Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgroumlszlige von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Flaumlche beinhalten und so die Verringerung der Messunsi-cherheit ermoumlglichen Daneben wird die neue Apparatur Maszlignahmen zur Re-

duzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellen-wechsel ermoumlglichen Damit eroumlffnet sich

die Moumlglichkeit im Bereich der kurzlebigen Nu-klide neben der Aktivitaumlt auch die Halbwertszeiten zu bestimmen Generelles Ziel ist hierbei nicht nur die Weiterga-be des Becquerels fuumlr alphastrah-lende Nuklide mit kleinstmoumlglichen Unsicherheiten zu erreichen sondern auch gleichzeitig

in der Lage zu sein radioaktive Verun-reinigungen zu erkennen und Isotopen-gemische zu analysieren Dafuumlr sind eine verbesserte spektrometrische Aufloumlsung und komplexe Auswertealgorithmen er-forderlich

Besonders interessant fuumlrbull Strahlenschutzbull Halbleiterindustriebull Radionuklid-Industriebull Metrologieinstitute

Emissionsraten und Aktivitaumlten ra-dioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden uumlber die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffen-den Alphateilchen bestimmt Diese Art der Aktivitaumltsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne dass zur Bestimmung aller notwendigen Kali-brierfaktoren nur Messungen notwendig sind die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen Das sind in diesem Falle Zeit- und Laumlngenmessun-gen

Die erreichbare Messunsicherheit fuumlr eine Aktivitaumltsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich be-stimmt durch die Genauigkeit mit wel-cher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann Fuumlr dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Ak-tivitaumltsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberflaumlche notwendig Sie

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel Rechts im Bild der gegenwaumlrtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor Im Messbetrieb befindet sich der Detektor buumlndig an der Austrittsoumlffnung des Blendensystems In der linken Bildhaumllfte der zukuumlnftige Detektor Das zu-gehoumlrige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befindet sich im Bau

Impulshoumlhenspektrum (Ereignisse uumlber Kanaumllen) in logarithmischer Darstel-lung einer Americium-241-Quelle Man sieht die Zuordnung der einzelnen Uumlbergaumlnge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7) aber auch die Verunreinigung durch Pu-238 Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18)

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Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

TECHNOLOGIETRANSFER

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

6

PTB-News Heft 2 | 2016

AnsprechpartnerinAnnette RoumlttgerFachbereich 61 Radioaktivitaumlt(0531) 592-6130annetteroettgerptbde

Dienstleistung AlphaspektrometrieCharakterisierung von Aktivitaumltsnormalen unter definierten Raumwinkeln

Bislang wird die metrologische Cha-rakterisierung von Alphastrahlern nur in wenigen nationalen Metrologieinstituten angeboten da die Herstellung der Quellen und die charakterisierende Messtechnik sehr aufwendig sind In der PTB ist nun die Bestimmung der Aktivitaumlt offener Al-phateilchen emittierender radioaktiver Quellen in das Dienstleistungsangebot aufgenommen worden Derartige Ak-tivitaumltsnormale koumlnnen ab sofort mit verbesserter Charakterisierung an Kunden abgegeben werden Zur Cha-rakterisierung der Quellen wird eine α-Spektrometrie unter definiertem Raumwinkel ndash eine Absolutmethode ndash verwendet Aktuell werden relati-ve Standard-Messunsicherheiten von 03 erreicht

wird mit einem digitalen Radiografie-system gemessen Der Geometriefaktor wird dann mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation berechnet in die die Abmes-sungen des benutzten Blendensystems und die gemessene Aktivitaumltsverteilung eingehen Die Messeinrichtung enthaumllt energiedispersive Detektorsysteme Aus den gemessenen Impulshoumlhenverteilun-gen koumlnnen dann mit geeigneten Rech-nerprogrammen Informationen uumlber die Guumlte der Quelle bezuumlglich des Energie-verlustes der Alphateilchen in der Quelle und uumlber die Radionuklidzusammenset-zung gewonnen werden

Derzeit werden die bestehenden Appa-raturen weiterentwickelt sowie das Ener-gieaufloumlsungsvermoumlgen der Detektorsys-teme optimiert Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Messunsicher-heit Diese ist im Wesentlichen bestimmt durch die Unsicherheiten von Laumlngen-

messungen Durch eine Vergroumlszligerung der Apparatur laumlsst sich die relative Un-sicherheit dieser Laumlngenmessungen deut-lich reduzieren Konstruktiv ist dieses Verfahren durch die maximale Groumlszlige des Detektors begrenzt Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen mit einer maximalen Detektorgroumlszlige von 450 mm2 wird die neue Apparatur einen Detektor mit 5000 mm2 aktiver Flaumlche beinhalten und so die Verringerung der Messunsi-cherheit ermoumlglichen Daneben wird die neue Apparatur Maszlignahmen zur Re-

duzierung des sogenannten Nulleffekts enthalten und einen schnellen Quellen-wechsel ermoumlglichen Damit eroumlffnet sich

die Moumlglichkeit im Bereich der kurzlebigen Nu-klide neben der Aktivitaumlt auch die Halbwertszeiten zu bestimmen Generelles Ziel ist hierbei nicht nur die Weiterga-be des Becquerels fuumlr alphastrah-lende Nuklide mit kleinstmoumlglichen Unsicherheiten zu erreichen sondern auch gleichzeitig

in der Lage zu sein radioaktive Verun-reinigungen zu erkennen und Isotopen-gemische zu analysieren Dafuumlr sind eine verbesserte spektrometrische Aufloumlsung und komplexe Auswertealgorithmen er-forderlich

Besonders interessant fuumlrbull Strahlenschutzbull Halbleiterindustriebull Radionuklid-Industriebull Metrologieinstitute

Emissionsraten und Aktivitaumlten ra-dioaktiver Quellen alphastrahlender Nuklide werden uumlber die Messung der pro Zeit auf einen Detektor mit bekanntem Raumwinkel auftreffen-den Alphateilchen bestimmt Diese Art der Aktivitaumltsbestimmung ist eine Absolutmethode in dem Sinne dass zur Bestimmung aller notwendigen Kali-brierfaktoren nur Messungen notwendig sind die auf den Basiseinheiten unseres Einheitensystems beruhen Das sind in diesem Falle Zeit- und Laumlngenmessun-gen

Die erreichbare Messunsicherheit fuumlr eine Aktivitaumltsbestimmung mit diesem Messverfahren ist also wesentlich be-stimmt durch die Genauigkeit mit wel-cher der Geometriefaktor des benutzten Spektrometers berechnet werden kann Fuumlr dessen Berechnung ist auch die quantitative Kenntnis der relativen Ak-tivitaumltsverteilung als Funktion des Ortes auf der Quellenoberflaumlche notwendig Sie

Gegenwart und Zukunft der Alphaspektrometrie unter definiertem Raumwinkel Rechts im Bild der gegenwaumlrtige Aufbau mit Quellenhalterung und Blendensystem bis hin zu dem Detektor Im Messbetrieb befindet sich der Detektor buumlndig an der Austrittsoumlffnung des Blendensystems In der linken Bildhaumllfte der zukuumlnftige Detektor Das zu-gehoumlrige Blendensystem nebst Quellenhalterung und Vakuumkammer befindet sich im Bau

Impulshoumlhenspektrum (Ereignisse uumlber Kanaumllen) in logarithmischer Darstel-lung einer Americium-241-Quelle Man sieht die Zuordnung der einzelnen Uumlbergaumlnge des Alphazerfalls von Americium (Peak 1 bis Peak 7) aber auch die Verunreinigung durch Pu-238 Pu-239 und Pu-240 (Peak 11 bis Peak 18)

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

7

Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

TECHNOLOGIETRANSFER

8

PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

7

Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Ansprechpartner fuumlr diese TechnologieangeboteAndreas Barthel Telefon (0531) 592-8307 E-Mail andreasbarthelptbde wwwtechnologietransferptbde

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller analytischer Messgeraumltebull Labormessgeraumlte fuumlr Medizin und

Pharmazie

Vorteilebull hochaufloumlsende magnetische Charakterisierung stroumlmender Nanopartikelsuspensionenbull laminare Stroumlmungsbedingungenbull einfache Integration in Multidetektor-Plattformen

Die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) ist ein hochempfindliches und schnelles magnetisches Messverfahren zur Quan-tifizierung und Charakterisierung ma-gnetischer Nanopartikel (MNP) Durch eine in der PTB entwickelte Flusszelle kann die MPS mit einem chromatogra-fischen Trennverfahren in einem Durch-flusssystem kombiniert werden Diese

ge s c h ic k te Kombinati-on aus emp-f i n d l i c h e r m a g n e t i -scher Mess-technik und etabliertem Groumlszligenbe-stimmungs-v e r f a h r e n macht den

Zusammenhang zwischen Partikelgroumlszlige und magnetischem Verhalten auf schnel-le und effektive Weise erkennbar Die

Vorteilebull Kalibrierung des lateralen Aufloumlsungsvermoumlgens bei chemischen Analysemethodenbull optimierte Untersuchung von Materialeigenschaften

ren entwickelt mit dem es uumlber verschie-dene Schritte moumlglich ist diese Pruumlfkoumlr-per topografiefrei herzustellen (Techno-logieangebot 0385)

Zur Bestimmung der chemischen Be-schaffenheit von Oberflaumlchen werden ver-schiedene analytische Verfahren benutzt die elementspezifische Aussagen ermoumlg-lichen Um deren laterales Aufloumlsungsver- moumlgen zu kalibrieren benoumltigt man ge-eignete flaumlchige Pruumlfkoumlrper die aus 2D-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Roumlntgenphoto-

elektronen-Spektrometernbull chemische Analyse

Str u k turen m e h r e r e r Materialien bestehen die speziell an die Messan- wendung an- gepasst wer-den Die PTB hat hierfuumlr ein neuarti-ges Herstel-lungsverfah-

Besonders interessant fuumlrbull Hersteller von Laser-Doppler-

Anemometernbull Kraftwerksbetreiber

Fuumlr genaue Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemome-trie (LDA) z B in Heizkraftwerken muss das Geschwindigkeitsprofil in-nerhalb der Rohrleitung bestimmt wer-den Dazu werden die Fluidgeschwin-digkeiten an mehreren Messpositionen

innerhalb des Rohres vermessen Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstrei-fenabstandes eines Geschwindigkeits-normals ruumlckfuumlhrbar Durch eine neue

Flusszelle ist leicht austauschbar sodass Totraumlume in der Stroumlmungsgeometrie vermieden werden (Technologieangebot 0408)

Verbesserte Laser-Doppler-Anemometrie PTB-Erfindung wird die Messunsicher-heit der Positionsbestimmung deutlich verringert da nun auch Informationen uumlber die Geometrie und die Brechungs-indizes des optischen Zugangs mess-technisch direkt vor Ort erfasst werden (Technologieangebot 0411)

Vorteilebull LDA mit houmlherer Praumlzisionbull optimiertes Ray-tracing

Topografiefreie Aufloumlsungsnormale

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Vermessung der Laserstrahlen

Pruumlfkoumlrper mit topografiefreiem Materialkontrast (Aluminium und Chrom)

Halterung (schwarz) der Fluss-kapillare mit spiralfoumlrmigem Aufbau beim Einsetzen in das MPS

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

TECHNOLOGIETRANSFER

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES

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PTB-News Heft 2 | 2016

der Metrologie Vorausgegangen war ein gemeinsames Berufungsverfahren zwischen PTB und TU Braunschweig Ein Schwer-punkt der Arbeiten von Surzhykov ist die relativistische Theorie atomarer Systeme die unter anderem fuumlr neue Ansaumltze zur Messung von Fundamentalkonstanten und zur Uumlberpruumlfung des Standardmodells der fundamentalen Teilchen und Wechselwir-kungen Verwendung finden wird

Kompetenzzentrum Windenergie

Als erstes nationales Metrologieinstitut der Welt plant die PTB der Windindustrie eine zuverlaumlssige und umfassende Qualitaumltssiche-rung anzubieten Zu diesem Zweck entsteht auf dem Gelaumlnde in Braunschweig ein neues Gebaumlude das Kompetenzzentrum Windener-gie Es wird ein Groszlig-Koordinatenmessgeraumlt beherbergen mit dem sehr groszlige Bauteile von Windanlagen gemessen werden koumlnnen Dazu kommen Mess- und Kalibriereinrich-tungen fuumlr sehr groszlige Drehmomente sowie eine neue Windgeschwindigkeitsmesstech-nik mit deren Hilfe die Ertragsprognosen fuumlr hohe Windraumlder verbessert werden koumlnnen

Beim ersten Spatenstich (von links nach rechts) Dr Harald Muumlller (PTB) Dr Rolf Kumme (PTB) Dr Karin Kniel (PTB) Dr Frank Haumlrtig (PTB Projektkoordinator) Prof Dr Joachim Ullrich (PTB Praumlsident) Renate Muumlller-Steinweg (Staatl Baumanagement) Juliane und Peter von Klitzing (Architekten) Hendrik Welp (Architekt) Dr Christian Schlegel (PTB)

Neuer Zusammenklang NAGA

Mit der Gruumlndung der bdquoNiedersaumlchsischen Arbeitsgemeinschaft Akustikldquo (NAGA) ha-ben fuumlnf Institutionen der Region Suumldostnie-dersachsen vereinbart kuumlnftig in Forschung und Lehre staumlrker zu kooperieren Die Tech-nische Universitaumlt Braunschweig (TUBS) das Deutsche Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt (DLR) die Technische Universitaumlt Clausthal (TUC) die Leibniz Universitaumlt Hannover (LUH) und die PTB versprechen sich davon eine effizientere Nutzung ihrer hervorragen-

Auszeichnungen

Frank HaumlrtigDer Leiter der Abtei-lung 1 bdquoMechanik und Akustikldquo wurde im Januar vom bdquoInstitute of Ultra-precision Optoelectronic Instru-ment Engineeringldquo der Universitaumlt bdquoHarbin Institute of Techno-logyldquo (HIT) China aufgrund seiner Arbeiten im Bereich der Messtechnik und seiner zukunftsweisenden Entwicklungen im Bereich der Ruumlckfuumlhrung metrologischer Algorithmen zum Ehrenpro-fessor ernannt

Harald SchnatzDer Leiter des Fachbereichs 43 bdquoQuantenoptik und Laumlngeneinheitldquo erhielt auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) vom 4ndash742016 York den European Frequency and Time Award 2016

Nils HuntemannDer Mitarbeiter des Fachbereichs 44 bdquoZeit und Frequenzldquo wurde auf dem European Frequency and Time Forum (EFTF) mit dem EFTF Young Scientist Award 2016 ausgezeichnet

Ingo Kroumlger Der Mitarbeiter des Fachbereichs 41 bdquoPhotometrie und angewandte Ra-diometrieldquo wurde im Dezember zum Jungwissenschaftler der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ernannt

Neue Theorie-Professur

Seit dem 1 April 2016 ist Andrey Surzhy-kov W3-Professor fuumlr fundamentale Physik

den Mess- und Versuchseinrichtungen und eine bessere Sichtbarkeit der akustischen Kompetenz in der Re-gion Ein weiteres Ziel ist die Etablierung eines gemeinsamen Masterstudienganges Akustik

EMRP und EMPIR

Seit einigen Jahren vernetzen sich Metro-logieinstitute Forscher und Firmen mit Unterstuumltzung der EU um ihre Ressourcen zu buumlndeln und jene Messtechnik bereit zu stellen die eine moderne Gesellschaft braucht Dies spiegelt sich auch darin wider dass mit Unterstuumltzung der Europaumlischen Union zunaumlchst im Rahmen des 7 EU-For-schungsrahmenprogramms und nachfolgend als eine Foumlrderung unter Artikel 185 des Vertrages uumlber die Arbeitsweise der Euro-paumlischen Union ein koordiniertes europaumli-sches Metrologie-Forschungsprogramm ins Leben gerufen wurde Zurzeit laufen zwei Programme EMRP und EMPIR Die Treffen im bdquoEuropean Metrology Research Program-meldquo (EMRP) und im bdquoEuropean Metrology Programme for Innovation and Researchldquo (EMPIR) sind auf der Website der PTB zu finden httpt1pdea0uz

Ansprechpartnerin fuumlr alle EMRP- und EMPIR-Projekte Corinna Kroner Telefon (0531) 592-3090 E-Mail corinnakronerptbde

ImpressumPTB-News 22016 deutsche Ausgabe Mai 2016 ISSN 1611-1621Die PTB-News erscheinen dreimal jaumlhrlich in einer deutschen und einer englischen Ausga-be und koumlnnen kostenlos abonniert werden Abo-Formular wwwptbde gt Publikationen gt PTB-News gt PTB-News abonnieren Herausgeber Physikalisch-Technische Bun-

desanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Redakteure Andreas Barthel Ludger Koenders Christian Lisdat Mathias Richter Hansjoumlrg Scherer Erika Schow Florian Schubert Jens Simon (verantwortlich) Layout Volker Groszligmann Alberto Parra del Riego (Konzept) Redaktionsanschrift Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTB Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon (0531) 592-3006 Telefax (0531) 592-3008 E-Mail ptbnewsptbde

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundes-ministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

VERSCHIEDENES