Temperatur und Synchrotronstrahlung - Abteilung 7 - Physikalisch ...
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt Nationales Metrologieinstitut Abteilung 7 Temperatur und Synchrotronstrahlung Abteilungsbericht 2020
Abteilung 7 Temperatur und Synchrotronstrahlung Prof. Dr. M. Richter Telefon: (030) 3481-7312 E-Mail: mathias.richter@ptb.de Fachbereich 7.1 Radiometrie mit Synchrotronstrahlung Dr. F. Scholze Telefon: (030) 3481-7202 E-Mail: frank.scholze@ptb.de Fachbereich 7.2 Röntgenmesstechnik mit Synchrotronstrahlung Dr. M. Krumrey Telefon: (030) 3481-7110 / 7260 E-Mail: michael.krumrey@ptb.de Fachbereich 7.3 Detektorradiometrie und Strahlungsthermometrie Dr. J. Hollandt Telefon: (030) 3481-7369 E-Mail: joerg.hollandt@ptb.de Fachbereich 7.4 Temperatur Dr. S. Rudtsch Telefon: (030) 3481-7650 E-Mail: steffen.rudtsch@ptb.de Fachbereich 7.5 Wärme und Vakuum Dr. K. Jousten Telefon: (030) 3481-7262 E-Mail: karl.jousten@ptb.de Fachbereich 7.6 Kryosensorik Dr. J. Beyer Telefon: (030) 3481-7379 E-Mail: joern.beyer@ptb.de Auszug aus dem PTB-Organigramm (Dezember 2020) Titelseite: Walther-Meißner-Bau im Januar 2021
Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Das Pandemie-Jahr 2020 stellte auch Abteilung 7 und Herstellung ihrer High-End-Prozessoren eingesetzt
insbesondere das im letzten Jahr etablierte neue Lei- wird, somit auch als Technologietreiber für digitale
tungsteam vor eine Reihe von Herausforderungen, die Kommunikation, Internet der Dinge, E-Commerce,
jedoch durch ein hohes Maß an Verantwortung und Smart Home oder Industrie 4.0 gilt und im November
Engagement auf allen Ebenen gemeistert wurden. Im 2020 vom Bundespräsidenten mit dem Deutschen
Bereich der internationalen Zusammenarbeit konnte Zukunftspreis ausgezeichnet wurde.
sogar auch eine Reihe von Entwicklungs- und Schwel-
lenländern bei dem Aufbau von Messkapazitäten und Die umfangreiche Zusammenarbeit der PTB mit der
der Rückführung der messtechnischen Normale für EUVL-Industrie wird auch im Conceptual Design
die berührungslose Bestimmung von Körpertempera- Report (CDR) für die Berlin Photon Factory heraus-
turen (Bild 1) unterstützt werden. gestellt werden, die zurzeit in enger Abstimmung
mit der PTB vom HZB entwickelt wird, um in den
Mit einer Home-Office-Quote von im Mittel über Jahren nach 2030 die beiden derzeit auch von der
40 % seit März 2020 erreichten die Kennzahlen von PTB genutzten Synchrotronstrahlungsquellen MLS
Abteilung 7 dennoch das gewohnt hohe Niveau, Ka- und BESSY II in Berlin-Adlershof zu ersetzen. Eine
libriereinahmen und Drittmittel sogar neue Rekord- zusammenfassende Vorversion des CDR soll im Laufe
werte. Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien des Jahres 2021 den zuständigen Stellen in der Helm-
und Energie (HZB) gewährleistete dankenswerter holtz-Gemeinschaft und den Ministerien (BMBF,
Weise den durchgehenden Betrieb der Metrology BMWi) vorgelegt werden.
Light Source (MLS) für Messungen mit Synchrotron-
strahlung insbesondere im Rahmen von Industrieko- High-End-Halbleiterstrukturen liegen heutzutage im
operationen zur EUV-Lithografie (EUVL). Bereich von nur wenigen Nanometern. Halbleiter-
technologie ist somit Nanotechnologie, die unter dem
Eine wichtige Grundlage für die kontinuierliche Wei- hohen Druck einer stetigen Weiterentwicklung steht,
terentwicklung von optischer Messtechnik im EUV- nicht nur von Produktionsprozessen sondern auch
Spektralbereich bildet seit 1998 die Kooperation von von geeigneten Charakterisierungsverfahren. Die
Fachbereich 7.1 mit Carl Zeiss, die im Sommer 2020 Beiträge der PTB in Adlershof dazu beschränken sich
mit dem mittlerweile neunten Nachtrag bis Ende 2024 daher schon lange nicht mehr nur auf die Charak-
verlängert wurde. Mit EUVL unterstützt die PTB seit terisierung von EUVL-Projektionsoptiken, sondern
zwei Jahrzehnten eine wesentlich in Deutschland und umfassen auch den Einsatz von Synchrotronstrahlung
Europa entwickelte Technologie, die seit 2019 von für die Entwicklung nanometrologischer Messverfah-
den weltweit größten Halbleiterproduzenten für die ren, z. B. im Rahmen des vom Weltmarktführer für
Bild 1: Messgeräte
zur berührungslo-
sen Bestimmung
von Körpertem-
peraturen und
Kalibrierkurve
1
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
Bild 2: Photoemis-
sionstomographie
(3D-winkelaufge-
löste Photoelek-
tronenspektros-
kopie, ARPES) zur
Bestimmung der
Orbitalstruktur
und Aromatizität
von Kekulen [A.
Haags et al., ACS
Nano 2020, 14,
15766–15775]
EUVL-Systeme ASML koordinierten EU-Projektes UV-Spektralbereich (VUV) die in-situ-Synthese von
IT2 oder auch einer Ende 2020 im Fachbereich 7.2 Kekulen auf einer Metalloberfläche nachgewiesen
abgeschlossenen Promotion an der TU Berlin mit sowie die Struktur des molekularen Valenzorbitals
dem Titel: Using Grazing Incidence Small-Angle X-Ray bestimmt werden (Bild 2).
Scattering (GISAXS) for Semiconductor Nanometrology
and Defect Quantification. Komplexe Verbundwerkstoffe mit nanoskaligen
Strukturen werden oft als neue Materialien oder
Zum PTB-Themenbereich Nanometrologie arbeiten Advanced Materials bezeichnet und sind in fast allen
die beiden Adlershofer Fachbereich 7.1 und 7.2 sehr Technologiefeldern zu finden. Mit einer Nanostruktur
eng auch mit anderen Organisationseinheiten inner- auf der Oberfläche konnten zum Beispiel die Refle-
halb und außerhalb der PTB zusammen, etwa zur xionsverluste einer Halbleiterphotodiode verringert
Rekonstruktion von 3D-Nanostrukturen mit Daten werden, was eine im Fachbereich 7.3 gemessene
von EUV-Scatterometrie sowie Reflektometrie, Klein- UV-Quantenausbeute von über 130 % ermöglicht.
winkelstreuung und aktuell Fluoreszenzmessungen Ganz allgemein bestimmen Struktur und Zusam-
im Röntgenbereich, u. a. mit Fachbereich 8.4, der mensetzung neuer Materialien deren mechanische,
Universität Twente und dem Kurchatov-Institut in chemische, elektronische oder optische Eigenschaften
Moskau, oder zum Methodenvergleich rückführbarer und damit wesentlich deren Funktionalität, was
Streu- und Mikroskopieverfahren mit den PTB- hochentwickelte nanoanalytische Messtechniken
Fachbereichen 4.2, 5.1 und 5.2 sowie an ultrahellen erforderlich macht.
Quantenpunkten mit der Bundesanstalt für Materi-
alforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen eines Im PTB-Labor bei BESSY II konnte mittels Rönt-
EMPIR-Vorhabens. gendiffraktion unter streifendem Einfall (GIWAXS)
im Rahmen einer Zusammenarbeit von Fachbereich
Neben EUV- und Röntgenstrahlung werden bei der 7.2 mit dem HZB die Kristallstruktur von Perowskit-
Methodenentwicklung zur Nanometrologie von Solarzellen charakterisiert werden (Bild 3), mit
Fachbereich 7.1 auch weichere Spektralbereiche an denen ein neuer Rekord in der Gesamteffizienz für
der MLS eingesetzt. So wurde kürzlich ein Infrarot- Tandemzellen von über 29 % erreicht wurde. Im Zu-
Nahfeldmikroskop mit einem thermoelektrischen sammenhang mit der Entwicklung neuartiger Ener-
Probenträger kombiniert, um mit Nanometerauflö- giematerialien steht auch ein neues DFG-Projekt mit
sung molekulare Fingerabdrücke zu spektroskopie- der TU Chemnitz und der Universität Freiburg im
ren. In Kooperation mit dem Forschungszentrum Schwerpunktprogramm „Polymer basierte Batterien“,
Jülich und der Karl-Franzens-Universität Graz konnte bei dem sich die PTB mit hochauflösenden röntgen-
mittels Photoemissionstomographie im Vakuum- analytischen in-operando-Messungen beteiligt. Mit
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Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Gasthermometer (DCGT) und Ergebnissen von
Primärthermometern anderer Institute die Differenz
zwischen thermodynamischer Temperatur und der
entsprechend der Internationalen Temperaturskala
ITS-90 mit einer um den Faktor vier geringeren Unsi-
cherheit bestimmt werden.
Zur Verringerung der Unsicherheit von thermodyna-
mischen Temperaturmessungen mit Gasthermome-
tern selbst wurden im Fachbereich 7.4 kürzlich the-
oretisch berechnete Virialkoeffizienten von Helium
in einem breiten Temperaturbereich experimentell
bestätigt. Die Untersuchung der thermophysikali-
schen Eigenschaften von Wasserstoff, Methan und
binären Mischungen ist in Vorbereitung insbesondere
auch mit Bezug zur PTB-Wasserstoffstrategie. Ein
Bild 3: Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GIWAXS) im für das Benchmarking verschiedener thermoelektri-
PTB-Labor bei BESSY II an einem CsPbI1.8Br1.2 Perovskit-Film [Al-
Ashouri et al., Science 2020, 370, 1300-1309]
scher Materialien entwickeltes Messmodul, das auf
SI-Einheiten rückführbare und simultane Messungen
des Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfä-
diesen Arbeiten zum Themenbereich Nanometrologie
higkeit erlaubt, stellt ebenfalls einen Beitrag von Fach-
trägt der Adlershofer Fachbereich 7.2 inhaltlich auch
bereich 7.4 zum PTB-Querschnittsthema Energie dar.
zum PTB-Querschnittsthema Energie bei.
Die hochgenaue Messung der Schallgeschwindigkeit
Energie ist in Abteilung 7 jedoch vor allem ein Thema
in Meerwasser in Abhängigkeit von Druck, Tempera-
am Campus Charlottenburg, insbesondere in den
tur und Salinität im Rahmen eines Promotionsvorha-
Fachbereichen 7.4 und 7.5 mit ihren Kernkompe-
bens von Fachbereich 7.4 dient dagegen der Erfassung
tenzen und Zuständigkeiten in den Bereichen Tem-
und Modellierung von Klimaveränderungen (Bild 4).
peratur, Wärme und Vakuum. So konnte zwischen
Im Lenkungskreis Umwelt und Klima ist Abteilung 7
35 K und 200 K durch die Kombination neuester
jedoch im Wesentlichen mit Expertise auf dem Gebiet
PTB-Messungen mit dem Dielektrizitätskonstanten-
der berührungslosen Temperaturmessung (Strah-
Bild 4: Druckmess-
zelle und Sensor
des Messplatzes
für die Bestim-
mung der Schall-
geschwindigkeit in
Meerwasser
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Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
Messung der atmosphärischen Gegenstrahlung und
der radiometrischen Rückführung durch die World
Infrared Standard Group (WISG) am Physikalisch-
Meteorologischen Observatorium Davos (PMOD)
einen neuen Referenz-Schwarzkörper entwickelt und
radiometrisch charakterisiert (Bild 5).
Um das Monitoring von Aerosolen als eine der
wesentlichen Variablen für Klimamodelle geht es bei
der Multi-Viewing, Multi-Channel, Multi-Polarization
Imaging Mission (3MI) des EUMETSAT Polar System
Bild 5: Konstruktion und Realisierung des neuen Schwarzkörpers
der PTB für die Rückführung der World Infrared Standard Group Satelliten-Programms der 2. Generation (2023 bis
(WISG) am Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos 2037). Dazu hat Fachbereich 7.3 mit einem neuarti-
(PMOD).
gen Strahldichtenormal das Optical Ground Support
Equipment (OGSE) am Centre Spatial de Liege (CSL)
lungsthermometrie) und der Infrarot-Erdferner- im Spektralbereich von 390 nm bis 2170 nm auf
kundung vertreten. Fachbereich 7.3 hat im Rahmen das PTB-Primärnormal rückgeführt (Bild 6). Die
des Baseline Surface Radiation Network (BSRN) zur quantitative Untersuchung von atmosphärischen
Aerosolproben aus Feldmesskampagnen mit referenz-
probenfreier Röntgenspektrometrie ist Gegenstand
der EMPIR-Vorhaben AEROMET und AEROMET II,
die im Fachbereich 7.2 koordiniert werden und im
Jahr 2020 erfolgreich abgeschlossen bzw. gestartet
wurden.
Die Beiträge von Abteilung 7 zum PTB-Querschnitts-
thema Quantentechnologie (QT) werden ab 2021 in
den Walther-Meißner-Bau (WMB) verlagert, ein For-
schungsneubau auf dem Campus Charlottenburg mit
hochspezialisierten Labor-, Mess- und Reinräumen
auf einer Nutzfläche von 2 325 m2 (Titelbild). Die
Entwicklung, Herstellung und Anwendung von sup-
raleitenden Quanteninterferenz-Detektoren (SQUID)
im Fachbereich 7.6 zur Messung kleinster Magnetfel-
der und Ströme bei tiefen Temperaturen steht dabei
im Mittelpunkt. Berliner Beiträge zum QT-Zentrum
(QTZ) der PTB liefern aber auch die Charlottenbur-
ger Fachbereiche 7.4, 7.5, 7.3 und 8.2 und werden im
WMB zusammengeführt.
Im WMB soll ein Applikationslabor für QT-Anwen-
dungen im Millikelvin-Bereich entstehen, verbunden
mit dem Ausbau der bestehenden Netzwerke mit der
der TU Berlin, den im WMB untergebrachten Firmen
Magnicon und Entropy sowie den PTB-Abteilungen
2, 4, 6, 7 und 8. So kooperiert Fachbereich 7.6 in
dem neuen Horizon-2020-Projekt AHEAD 2020 mit
Bild 6: Strahldichtenormal zur Rückführung das Optical Ground Fachbereich 2.4 und Partnern der Space Research
Support Equipment (OGSE) am Centre Spatial de Liege (CSL) auf
das PTB-Primärnormal
Organisation Netherlands (SRON) und dem National
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Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Temperaturen und klassischer Widerstandsthermo-
metrie hat Fachbereich 7.6 im Jahr 2020 ein Patent
angemeldet. Dieses neue Konzept eines Dual-mode
Auto-calibrating Resistance Thermometer (DART) ist
speziell für den industriell relevanten Temperaturbe-
reich von 77 K bis 1000 K interessant und ermöglicht
für praktische Anwendungen den direkten Anschluss
an die seit Mai 2019 neu definierte SI-Temperatur-
skala mit Messplätzen von Fachbereich 7.4 im WMB
(Bild 7).
Bild 7: DART-Prototyp bestehend aus Messverstärker (schwarze
Box) und Digitalisierungsstufe (Platine rechts). Links ist die Ein- Auch die photonische Thermometrie stellt eine quan-
speisung eines Testsignals in den Verstärkereingang zu sehen. tenbasierte Form der Temperaturmessung dar, die auf
der Temperaturabhängigkeit optischer Materialpara-
Institute of Advanced Industrial Science and Techno- meter basiert wie dem Brechungsindex. Im EMPIR-
logy in Japan (AIST) auf dem Gebiet der Entwicklung Projekt PhotOQuant hat Fachbereich 7.4 dazu eine
von Mikrowellen-SQUID-Multiplexern für den hoch- neue Generation von photonischen Mikroresonatoren
empfindlichen Nachweis von Teilchen und Strahlung entwickelt und in einem kombinierten Design zusam-
durch supraleitende Transition Edge Sensors (TESs). men mit elektrischen Sensoren auf einem mikrostruk-
Die Fachbereiche 7.6 und 6.1 arbeiten auf dem Gebiet turierten Chip integriert.
der Radionuklidspektroskopie zusammen und haben
eine neue statistische Methode zur Korrektion von In den PTB-Lenkungskreisen für Medizin und Digita-
Energiespektren entwickelt, die mit hochempfindli- lisierung ist Abteilung 7 derzeit noch nicht vertreten,
chen metallisch-magnetischen Kalorimetern gemes- liefert aber inhaltliche Beiträge. So hat Fachbereich
sen werden. 7.5 für die Vakuummetrologie die Erzeugung von di-
gitalen Kalibrierscheinen in den Kalibrier-Workflow
Ein zukunftsweisendes Arbeitsgebiet im WMB stellt integriert und gibt sie seit September 2020 für zwei
auch die Rauschthermometrie dar, die auf dem ther- der Kalibrierdienstleistungen testweise zusätzlich zum
mischen Rauschen eines Metallwiderstandes basiert. offiziellen gedruckten Kalibrierschein an alle Kunden
Zur Kombination von Rauschthermometrie als aus.
primäre Methode der Messung thermodynamischer
Bild 8: Zwei Ausführungen mit
identischem elektro-optischem
Design für ein neues Ionisati-
onsvakuummeter, gefertigt von
den Firmen INFICON (links) und
VACOM (rechts).
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Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
te und Normen“ (WIPANO) abgeschlossen, bei
dem vereinheitliche Terminologien, Symbole und
Einheiten für charakteristische Kenngrößen von
dc-SQUID-Sensoren sowie Messmethoden zur deren
Bestimmung entwickelt und erprobt wurden. Die
Projektergebnisse wurden in die Arbeitsgruppe 14
„Supraleitende elektronische Bauelemente“ des Tech-
nischen Komitees 90 „Supraleitung“ der International
Electrotechnical Commission eingebracht.
Bild 9: Hochreflektierende Folien zur Kaschierung von Isolations- Fachbereich 7.2 hat im Rahmen eines WIPANO-Nor-
materialien
mungsprojektes einen (teilweise inter-) nationalen
Ringvergleich zur Totalreflexions-Röntgenfluores-
Im Bereich Vakuummetrologie wird zurzeit auf zenzanalyse (TXRF) durchgeführt, der einen wichti-
ISO-Ebene auch die Normung eines neuartigen, im gen Beitrag zur Aktualisierung der DIN-Norm 51003
EMPIR-Projekt 16NRM05 entwickelten Ionisations- „Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF)
vakuummeters als Bezugsnormal vorbereitet, bei dem – Allgemeine Grundlagen und Begriffe“ darstellt.
die Elektronen auf geradem Weg den Ionisationsraum
passieren, so dass deren Bahnlänge und damit die Für das Jahr 2021 beziehen sich wesentliche Ziele
Empfindlichkeit gut simuliert werden kann (Bild 8). der Abteilung 7 auf Beiträge zum CDR für die Berlin
Photon Factory, den Umzug in den Walther-Meißner-
Fachbereich 7.5 hat im Jahr 2020 auch erfolgreich Bau, die Mitwirkung als Associated Partner beim
Forschungsarbeiten zur Neufassung einer Europäi- Climate Change Center Berlin-Brandenburg, die
schen Norm für thermische Energiemessgeräte abge- Umsetzung von Maßnahmen im Rahmen des Kon-
schlossen, die u.a. die Verwendung von Wasser-Gly- junkturpakets der Bunderegierung sowie das interne
kol-Gemischen als Wärmeträgermedium beinhaltet, Personalentwicklungskonzept.
zum Beispiel für den Einsatz bei Solarthermieanlagen.
Dazu wurde auch ein neuer Prüfstand errichtet, um
die Messbeständigkeit vorhersagen zu können. Für
Auswahl, Einbau und Betrieb thermischer Energie-
messgeräte im gesetzlich geregelten Bereich sind auch
in einem Fachbericht des European Committee for
Standardization unter maßgeblicher Mitwirkung von
Fachbereich 7.5 normierte Guidelines veröffentlicht
worden.
Das gesetzliche Messwesen gehört zu den grundle-
genden Aufgaben der PTB. Neben 7.5 betrifft dies
auch noch andere Fachbereiche in Abteilung 7. So
hat Fachbereich 7.3 im Rahmen des kürzlich abge-
schlossenen EMPIR-Projektes EMIRIM den Emissi-
onsgrad hochreflektierender Folien untersucht, die
zur Minimierung des Wärmestrahlungsverlustes von
Isolationsmaterialien eingesetzt werden (Bild 9). Die
Ergebnisse fließen nun in eine Europäische Norm ein.
Fachbereich 7.6 hat ein Projekt mit der Magnicon
GmbH und der Supracon AG im Förderprogramm
„Wissens- und Technologietransfer durch Paten-
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Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
7
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung
Grundlagen der Metrologie Methode. Die starke Reduktion der Rechenzeiten
ermöglicht die Modellierung komplexer realer
Thermoelektrische Nanospektroskopie zur Geometrien. (V. Soltwisch, FB 7.1, victor.soltwisch@
Abbildung molekularer Fingerabdrücke ptb.de, P. Hönicke, FB 7.2, philipp.hoenicke@ptb.de,
Zur Detektion molekularer Fingerabdrücke im IR- S. Heidenreich, FB 8.4, sebastian.heidenreich@ptb.de)
Spektralbereich wurde ein Nahfeldmikroskop mit
einem thermoelektrischen Probenträger verbunden: Methodenvergleich zur dimensionellen Charakteri-
Der durch die lokale Absorption im Nahfeld erzeugte sierung von ultrahellen Quantenpunkten
Wärmegradient wird direkt im Probenträger in eine Im Rahmen eines EMPIR-Projektes wurde gemein-
thermoelektrische Spannung umgewandelt und sam mit der BAM die Größe von Nanopartikeln mit
ausgelesen. (B. Kästner, G. Ulrich, FB 7.1, bernd.kaes- Kern-Schale-Struktur untersucht. Mit Hilfe von Rönt-
tner@ptb.de, georg.ulrich@ptb.de) genkleinwinkelstreuung (SAXS) konnten so Messun-
gen mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
Low-Rank-Verfahren für schnelle IR-Spektro- und hochaufgelöster Transmissions-Elektronenmik-
Mikroskopie roskopie (HR-TEM) an ultrahellen Quantenpunkten
Nahfeld-basierte IR-Spektroskopie ermöglicht validiert werden. (M. Krumrey, D. Skroblin, FB 7.2,
hochaufgelöste Messungen der chemischen Struktur michael.krumrey@ptb.de, dieter.skroblin@ptb.de)
von Oberflächen, ist jedoch sehr zeitintensiv und
führt potenziell zu Strahlenschäden. Mit der PTB- Inbetriebnahme und Charakterisierung eines vaku-
Arbeitgruppe 8.42 und der FU Berlin wurde im DFG- umkompatiblen Detektors für Röntgenstreuexperi-
Projekt Bayesian compressed sensing for nanoscale mente und Reflektometrie
chemical mapping in the mid-infrared regime nun eine Im PTB-Labor bei BESSY II wurde am FCM-
Low-Rank-Methode entwickelt, die es erlaubt einen Strahlrohr ein photonenzählender Flächendetektor
räumlich-spektralen Datensatz biologischer Struk- installiert und charakterisiert, mit dem verschiedene
turen mit nur 5 % der üblichen Messpunktzahl zu röntgenanalytische Messmethoden (Weitwinkelstreu-
bestimmen. (B. Kästner, FB 7.1, bernd.kaestner@ptb. ung, Röntgendiffraktion, Nahkantenspektroskopie,
de, C. Elster, FB 8.4, clemens.elster@ptb.de) Reflektometrie) im tender-X-ray-Bereich durchge-
führt werden können. Die spezielle vakuumtaugliche
Orbitalstruktur und Aromatizität von Kekulen Version des Detektors wurde in Zusammenarbeit mit
durch Photoemission bestimmt dem Hersteller DECTRIS aus der Schweiz entwickelt.
Gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich und (D. Skroblin, C. Gollwitzer, FB 7.2, dieter.skroblin@
der Karl-Franzens-Universität Graz wurde mittels ptb.de, christian.gollwitzer@ptb.de)
Photoemissionstomographie an der Metrology Light
Source in-situ die Synthese von Kekulen auf einer Präzise Bestimmung von winkelabhängigen
Metalloberfläche sowie dessen chemische Bindungs- atomaren Fundamentalparametern
struktur nachgewiesen. (A. Gottwald, H. Kirschner, Für die Methodenentwicklung im Bereich der Rönt-
FB 7.1, alexander.gottwald@ptb.de; hans.kirschner@ genspektrometrie wurde ein neuartiger rotationsfä-
ptb.de) higer Detektoraufbau in Betrieb genommen und an
unterschiedlichen Dünnschichtsystemen getestet. Der
Algorithmus zur Rekonstruktion von Aufbau soll dazu verwendet werden, differentielle
3D-Nanostrukturen Streuquerschnitte mit Hilfe von monochromatisierter
Mit der Universität Twente und dem Kurchatov- Synchrotronstrahlung physikalisch rückführbar zu
Institut in Moskau wurde ein Algorithmus zur bestimmen. (A. Wählisch, B. Beckhoff, FB 7.2, andre.
Beschreibung der Röntgenfluoreszenzemission von waehlisch@ptb.de, burkhard.beckhoff@ptb.de)
periodischen dreidimensionalen Nanostrukturen auf
Oberflächen bei Anregung unter streifendem Einfall
entwickelt. Die Nutzung der Periodizität ermöglicht
eine quasi-analytische Lösung der Maxwell-Gleichun-
gen mit gleicher Genauigkeit wie die Finite-Elemente-
8Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Neue Photodiode aus schwarzem Silizium erreicht Endgültige Bestätigung der theoretisch berechneten
Quantenausbeute von über 130 % im UV Virialkoeffizienten von Helium in einem breiten
Kooperationspartner aus Finnland und Spanien ist es Temperaturbereich
gelungen mit einer neuartigen Photodiode die externe Obwohl man mittels ab-initio-Methoden die Viri-
Quantenausbeute im ultravioletten Spektralbereich alkoeffizienten und thermophysikalischen Stoffei-
von unter 80 % auf über 130 % zu steigern. Dazu wur- genschaften von Helium sehr gut berechnen kann,
den durch eine nanostrukturierte Oberfläche die Re- müssen Angaben zur entsprechenden Unsicherheit
flektionsverluste an der Siliziumoberfläche und durch experimentell validiert werden. Aufgrund der
Passivierung der Siliziumoberfläche mit einer Al2O3- hervorragenden Übereinstimmung von ab-initio-
Schicht Verluste durch Oberfllächenrekombination Berechnungen des zweiten Virialkoeffizienten mit
verringert. Wegen der Ausbildung eines durch Ober- experimentellen Ergebnissen der PTB, welche mittels
flächenladung induzierten pn-Übergangs konnte auf Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie im
die Dotierung mit Fremdatomen zur Erzeugung eines Temperaturbereich von 4 K bis 273 K erzielt wurden,
pn-Überganges verzichtet werden, was ebenfalls zur kann dieser zukünftig als berechenbarer Parameter
hohen Quantenausbeute beiträgt. Die PTB, mit ihren angenommen werden. Dadurch wird eine deutliche
Möglichkeiten zur präzisen Messung durch radiome- Verringerung der Unsicherheit von thermodynami-
trische Rückführung in der UV-Detektorradiometrie, schen Temperaturmessungen mit Gasthermometern
konnte diese hohen Empfindlichkeiten messtechnisch erreicht. (C. Gaiser, FB 7.4, christof.gaiser@ptb.de)
validieren. (L. Werner, FB 7.3, lutz.werner@ptb.de)
Referenzdaten für die Schallgeschwindigkeit in
Primäres Rauschthermometer für tiefste Seewasser
Temperaturen verbessert Für die Erfassung und Modellierung von Klimaver-
Die Umsetzung der Neudefinition der Temperatur- änderungen werden hochgenaue Daten der Schallge-
einheit erfordert die Entwicklung von Primärther- schwindigkeit in Meerwasser in Abhängigkeit vom
mometern, welche die praktische Realisierung und Druck, der Temperatur und der Salinität benötigt.
Weitergabe des Kelvins ermöglichen. Mit dieser Diese wurden im Rahmen eine Promotionsvorhaben
Zielstellung wurde das primäre Magnetfeldfluktua- mit einer neu entwickelten Apparatur und einer
tionsthermometer (pMFFT) für den Einsatz von 4 K in weiten Bereichen weltweit bisher unerreichten
bis in den Millikelvinbereich substanziell verbessert Genauigkeit gemessen. (S. Rudtsch, FB 7.4, steffen.
und eine Halbierung der Messunsicherheit erreicht. rudtsch@ptb.de)
(A. Kirste, FB 7.4, alexander.kirste@ptb.de)
Neue Chip-Generation mit integrierten optischen
Verringerung der Unsicherheit der und elektrischen Sensoren für die photonischen
thermodynamischen Temperaturmessung zwischen Thermometrie
35 K und 200 K Im EMPIR-Projekt PhotOQuant wurde die 2. Genera-
Durch die Kombination neuester PTB-Messungen tion von photonischen Mikroresonatoren entwickelt
mit dem Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometer und in einem kombinierten Design zusammen mit
(DCGT), im Bereich zwischen 35 K und 200 K, mit elektrischen Sensoren auf einem mikrostrukturierten
weiteren Ergebnissen von Primärthermometern Chip integriert. Dies ermöglicht die zeitgleiche Tem-
anderer Institute konnte die Differenz zwischen der peraturbestimmung mit elektrischen und optischen
thermodynamischen Temperatur T und der Tem- Sensoren und somit den direkten Vergleich beider
peratur gemäß der Internationalen Temperaturskala Verfahren. Ferner wurde ein neues Konzept zur
von 1990 (ITS90) T90 mit einer um den Faktor vier Kopplung der Chips mit optischen Fasern bzw. Fa-
geringeren Unsicherheit bestimmt werden. Die serarrays umgesetzt, welches es ermöglicht, bis zu 32
mit großer Genauigkeit ermittelte Differenz T–T90 photonische Mikroresonatoren synchron auszulesen.
ermöglicht momentan den einfachsten Zugang zur (R. Eisermann, FB 7.4, rene.eisermann@ptb.de)
thermodynamischen Temperatur, da in diesem
Temperaturbereich nach wie vor die Realisierung der
ITS-90 am effektivsten ist. (C. Gaiser, FB 7.4, christof.
gaiser@ptb.de)
9Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
Laseroptische Temperaturmessung auf Basis Neue Methode zur Korrektion kalorimetrisch
gefilterter Brillouin-Streuung bestimmter Energiespektren von Radionukliden
Im Rahmen des ZIM-Projekts „Berührungsloser, Kalorimetrische Detektoren erlauben bei sehr tiefen
hochgenauer Wärmestromsensor für Flüssigkeiten“ Temperaturen die hochgenaue Bestimmung der Ener-
wird in Kooperation mit mehreren Partnern gegen- giespektren von Radionukliden mit hoher Quantenef-
wärtig ein neuartiges, nichtinvasives Messprinzip fizienz. Werden Teilchen oder Strahlung aus einem
zur Bestimmung der Temperatur von Flüssigkeiten radioaktiven Zerfall nicht oder nicht vollständig vom
entwickelt. Hierfür kommt Laserstrahlung zum Kalorimeter absorbiert, sind gemessene Spektren
Einsatz, welche beim Durchdringen der Flüssigkeit in fehlerhaft. Eine neue statistische Methode zur Korrek-
verschiedene Komponenten mit charakteristischen tion derartiger Spektren ist in den Fachbereichen 6.1
Spektren gestreut wird. Relevant für das Messver- und 7.6, die gemeinsam ein Spektrometer basierend
fahren ist dabei die Brillouin-Komponente, deren auf metallischen magnetischen Kalorimetern zur
Spektrum unter anderem temperaturabhängig ist. Die Bestimmung von Nukliddaten betreiben, entwickelt
spektrale Veränderung wird durch molekulare Ab- worden. Hierbei wird der typischerweise gut bekannte
sorptionsfilterung des Streulichts und anschließende Detektor- bzw. Absorberaufbau mittels Monte-Carlo-
Intensitätsmessung erfasst und so die Temperatur des Verfahren analysiert. Daraus wird eine detektorspe-
Fluids bestimmt. (M. Kühn, M. Juling, FB 7.5, mar- zifische Matrix von Korrekturkoeffizienten ermittelt,
kus.kuehn@ptb.de, markus.juling@ptb.de) mit deren Hilfe die Korrektion eines Spektrums
erfolgen kann. (M. Paulsen FB 7.6, michael.paulsen@
Strömungssimulation in geschlossenen ptb.de)
RohrleitungenUm bestmögliche Modelle für die
Strömungssimulation hinter 90°-Bögen zu ermitteln,
Metrologie für die Wirtschaft
wurden verschiedene CFD-Löser (ANSYS Fluent,
OpenFOAM und RapidCFD) verglichen. Die Ergeb-
EUV Messungen für Industriepartner trotz
nisse zeigen, dass insbesondere im Nahfeld bis etwa
CORONA durchgehend verfügbar
dem 10-fachen des Rohrdurchmessers die Verwen-
Auch im eingeschränkten Betrieb wurde am EUV-
dung von RANS-Modellen geeignet ist. Bei größeren
Strahlrohr der MLS der Messbetrieb für die Industrie-
Entfernungen wird die Verwendung von Hybrid-LES/
partner durch den engagierten Einsatz der EUV-Ar-
RANS-Modellen empfohlen. (A. Ekat, FB 7.5, ann-
beitsgruppe mit Unterstützung der Maschinengruppe
kathrin.ekat@ptb.de)
des HZB aufrechterhalten. Die MLS war in dieser Zeit
die einzige Synchrotronstrahlungsquelle mit durch-
Dynamische Druckänderungen beim Schließen von
gehendem Betrieb. Dieser Beitrag zur Aufrechter-
Ventilen quantifiziert
haltung ihrer Fertigung wurde von den Partnern aus
Beim Schließen von Vakuumventilen entstehen auf
der Halbleiterindustrie mit großem Dank anerkannt.
Grund des verdrängten Volumens kleine Druckdiffe-
(M. Kolbe, 7.1, michael.kolbe@ptb.de)
renzen vor und hinter dem Ventil. Die Berücksichti-
gung dieser Druckdifferenzen ist für die Realisierung
Kooperation mit Carl Zeiss zur EUV-Reflektometrie
der Druckskala mit Hilfe des statischen Expansions-
um weitere vier Jahre verlängert
verfahrens im Bereich von 0.01 Pa bis 100 Pa von gro-
Die seit 1998 bestehende enge Zusammenarbeit mit
ßer Bedeutung, wenn mit kleinen Startvolumen ge-
Carl Zeiss bildet eine wichtige Grundlage für die kon-
arbeitet wird. Die Abhängigkeit des Differenzdrucks
tinuierliche Weiterentwicklung der messtechnischen
von Schließgeschwindigkeit, Startdruck, der Gasart
Fähigkeiten der PTB im EUV-Spektralbereich. Mit
und des Volumens wurde quantifiziert. Mit Hilfe
dem 9. Nachtrag wurde die für beide Seiten erfolg-
der ermittelten Korrekturfaktoren konnte die Unsi-
reiche und zukunftsorientierte Zusammenarbeit bis
cherheit der Druckdarstellung mit diesem Verfahren
Ende 2024 verlängert. Im Rahmen dieses Vorhabens
vermindert werden. (Th. Bock, M. Bernien, FB 7.5,
entwickelt die PTB neue Messtechnik im Bereich des
Thomas.Bock@ptb.de, Matthias.Bernien@ptb.de)
EUV und stellt diese ihren zahlreichen Kooperations-
partnern aus Forschungsinstituten und Industrie zur
Verfügung. (M. Kolbe, 7.1, michael.kolbe@ptb.de)
10Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Start des ECSEL-JU-Projektes IT2 Der Ringvergleich ist ein wichtiger Beitrag zur Ak-
Zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der Eu- tualisierung der DIN-Norm 51003 „Totalreflexions-
ropäischen Industrie fördert die EU im von ASML Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) – Allgemeine
koordinierten Projekt IT2 (Start 1.6.2020) die Grundlagen und Begriffe“. (R. Unterumsberger,
Entwicklung der EUV-Lithografie der nächsten B. Beckhoff, FB 7.2, rainer.unterumsberger@ptb.de,
Generation und neuartiger 3D-Halbleiterstrukturen. burkhard.beckhoff@ptb.de)
Der PTB-Fachbereiche 7.1, 7.2 und 5.2 beteiligen sich
mit Elektronen- und Photonen-basierten Messme- Messbereich für die dynamische Emissionsgrad-
thoden und werden mit Synchrotronstrahlung neue und Wärmekapazitätsmessung im Hochtemperatur-
Messverfahren für die 2-nm-Technologie evaluieren. bereich erweitert
(M. Kolbe, 7.1, michael.kolbe@ptb.de) Im Rahmen des EMPIR-Projekts Hi-Trace sollen
Referenzmaterialien auf ihre thermophysikalischen
Bestimmung von dimensionellen Gitterparametern Eigenschaften im Hochtemperaturbereich bis 3000 °C
mit SAXS und GISAXS untersucht werden. Für die dynamische Messung
Eine Serie von mehrfachstrukturierten Gittern mit des Emissionsgrades und der Wärmekapazität wurde
einem Linienabstand von 32 nm und gezielt herge- hierfür ein neuer Hochtemperatur-Probenhalter aus
stellten Unregelmäßigkeiten wurde im PTB-Labor hochreinem, isostatisch gepresstem Grafit aufgebaut.
bei BESSY II mit GISAXS (Röntgenstreuung unter Durch das induktive Heizsystem wird so ein zielge-
streifendem Strahlungseinfall) und beim NIST in naues Aufheizen der Probe bis ca. 2500 °C und gleich-
USA mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) in zeitig durch eine gekühlte Blende die Strahlformung
Transmission untersucht. Die durch Simulation für die pulsartige Erwärmung via Laser ermöglicht.
erhaltenen Gitterparameter stimmen gut überein. (D. Urban, FB 7.3, david.urban@ptb.de)
GISAXS ist unabhängig von Transmission und Dicke
des Substrats, dafür ist die Simulation deutlich auf- Neuer THz-Reflexionsmesskopf entwickelt
wändiger. (M. Krumrey, FB 7.2, michael.krumrey@ Im Rahmen eines durch das Zentrale Innovationspro-
ptb.de, V. Soltwisch, FB 7.1, victor.soltwisch@ptb.de) gramm Mittelstand (ZIM) geförderten Kooperations-
projekts zur Terahertz (THz) Anwendung wurde von
Erfolgreiche Charakterisierung eines kommerziel- der PTB ein robuster und kompakter THz-Messkopf
len Röntgenfluoreszenzgeräts entwickelt. Betrieben mit einem vom Industriepartner
Im Rahmen des EMPIR-SIP-Projekts Advancing entwickelten schnellen Zeitbereichsspektrometer
Laboratory based X-ray Metrology techniques (AdLab- (TDS) soll seine Einsatzmöglichkeit zur zerstörungs-
XMet) wurde eine Charakterisierungsmethodik für freien Prüfung in einem industriellen Produktions-
kommerzielle Röntgenfluoreszenz-Laborgeräte mit prozess bei einem kooperierenden Forschungsinstitut
streifendem Strahlungseinfall entwickelt und einge- nachgewiesen werden. Ziel des Projekts ist es,
setzt. Durch diese Zusammenarbeit mit der Firma erstmals Produktionsfehler mit THz-Strahlung in
Bruker Nano GmbH werden quantitative Untersu- Echtzeit zu diagnostizieren, die bisher nur zerstörend
chungen mit den Laborgeräten ermöglicht. (P. Höni- am fertigen Produkt aufgedeckt werden konnten.
cke, FB 7.2, philipp.hoenicke@ptb.de) (M. Kehrt FB 7.3, mathias.kehrt@ptb.de)
Ringversuch zur Totalreflexions- Simultane Messung von Reflexions-, Transmission-
Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) und Emissionsgrad an semitransparenten
Im Rahmen eines WIPANO-Normungsprojektes Materialien
wurde ein (teilweise inter-)nationaler TXRF- Mithilfe eines eigens für diese Anwendung entwi-
Ringvergleich mit sehr gut charakterisierten Proben ckelten Probenhalters und eines inversen Strah-
durchgeführt, um unabhängig von möglichen Stör- lungstransportmodells wurden erstmals an der
effekten durch die Probenpräparation zu werden. Emissionsgrad-Messanlage an Luft (EMAF) simultan
Die gemittelten Ergebnisse der einzelnen Teilnehmer der spektral gerichtete Transmissions-, Reflexions-
liegen im Wesentlichen innerhalb von 5 % und zeigen und Emissionsgrad gemessen. Aus diesen wurden
die Zuverlässigkeit und Stärke der Methode TXRF. weitergehend die spektrale Brechzahl und der spekt-
11Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
rale Absorptionskoeffizient als fundamentale optische Messbeständigkeit von Wärmemengenzählern in
Materialkonstanten identifiziert und ein vollständiges Wasser-Glykol-Gemischen
Unsicherheitsbudget aufgestellt. (J. Gieseler, FB 7.3, Für die Vorhersage der Messbeständigkeit von Wär-
julian.gieseler@ptb.de) memengenzählern bei Verwendung in verschiedenen
Wasser-Glykol-Gemischen wurde ein neuer Prüfstand
EMPIR-Projekt EMIRIM erfolgreich abgeschlossen errichtet. Der in Anlehnung zur Fachgrundnorm EN
Im Rahmen des EMPIR-Projekts Improvement of 1434 induzierte thermische Stress hatte dabei nicht
emissivity measurements on reflective insulation mate- nur auf die zu untersuchenden Messgeräte, sondern
rials (EMIRIM) wurden gemeinsam von der PTB und auch auf den Prüfstand sowie die eingesetzten Mess-
dem LNE Referenzproben entwickelt, um gezielt die fluide erhebliche Auswirkungen. Die Anlage wurde
Messunsicherheit bei der anwendungsnahen Emissi- erfolgreich abgenommen und steht nun für die wei-
onsgradmessungen von hochreflektierenden Folien zu tere Verwendung bereit. (B. Peetz, M. Juling, FB 7.5,
verbessern. Diese Folien dienen zur Kaschierung von bastian.peetz@ptb.de, markus.juling@ptb.de
vielfältigen Isolationsmaterialien, um deren Strah-
lungsverlust zu minimieren. Mithilfe der Referenz- Routinemäßige Ausgabe von digitalen
proben kann die derzeitige Messunsicherheit von 0,05 Testkalibrierscheinen
auf 0,04 und perspektivisch auf 0,03 gesenkt werden. Die AG Vakuummetrologie hat die Erzeugung von
Diese niedrigeren Werte fließen nun in die EN 16012 digitalen Kalibrierscheinen in ihren Kalibrier-
ein und erlauben damit in Zukunft die Qualifizierung Workflow integriert. Sie basieren auf dem in der
hochwertigerer Isolationsfolien. (A. Adibekyan, PTB entwickelten XML-Schema in seiner jeweils
FB 7.3, albert.adibekyan@ptb.de) aktuellen Version. Seit September werden für zwei der
Kalibrierdienstleistungen zusätzlich zum offiziellen
Leistungsfaktor thermoelektrischer Materialien gedruckten Kalibrierschein testweise digitale Testka-
In der AG Thermoelektrik wurde ein Messmodul librierscheine ausgegeben. Insgesamt sind dies bereits
entwickelt, das auf SI-Einheiten rückführbare und si- 41. Der digitale Kalibrierschein erlaubt, Daten ohne
multane Messungen des Seebeck-Koeffizienten S und Medienbruch direkt digital weiterzuverarbeiten und
der elektrischen Leitfähigkeit σ thermoelektrischer so eine Automatisierung der Qualitätsinfrastruktur.
Bulkmaterialien erlaubt. Kombiniert man die beiden (R. Niepraschk, Th. Bock, M. Bernien, 7.5, rolf.
Transporteigenschaften miteinander, erhält man den niepraschk@ptb.de, thomas.bock@ptb.de, matthias.
Leistungsfaktor thermoelektrischer Materialien, LF = bernien@ptb.de)
S2σ, der ein Maß für die in diesem Material generier-
bare elektrische Energie ist und das Benchmarking Elektronen auf geradem Weg
verschiedener thermoelektrischer Materialien erlaubt. Das im EMPIR-Projekt 16NRM05 entwickelte
(F. Edler, FB 7.4, frank.edler@ptb.de) neuartige Ionisationsvakuummeter wurde in einer
zweiten, technisch verbesserten Modellreihe getestet.
Lasergeschweißte Faser-Chip-Kopplung für die Die Elektronen gehen auf geradem Weg durch den
photonische Thermometrie Ionisationsraum, so dass deren Bahnlänge gut vorher-
In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für sagbar ist. Die durch Simulationen und Messungen
Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) wurde bestimmten Empfindlichkeiten stimmen hervorra-
eine Vorstudie zur Faser-Chip-Kopplung für die gend überein, so dass auf ISO-Ebene die Normung
photonische Thermometrie erfolgreich abgeschlossen. dieses Ionisationsvakuummeters als Bezugsnormal
Hierbei konnten Glasfasern mittels eines Laserprozes- angestoßen werden kann. (K. Jousten, FB 7.5, karl.
ses direkt mit einem mikrostrukturierten Siliziumchip jousten@ptb.de)
verschweißt werden. Diese sowohl mechanisch als
auch optisch stabile Verbindung zwischen Faser und WIPANO-Vorhaben „SQUID-Standards“
Chip ermöglicht die Nutzung der photonischen Ther- abgeschlossen
mometer in einem erweiterten Temperaturbereich. Im Verbundvorhaben „Spezifikationen und standar-
(S. Krenek, FB 7.4, stephan.krenek@ptb.de) disierte Charakterisierungsmethoden für SQUID-
Sensoren“ im Förderprogramm „Wissens- und
12Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Technologietransfer durch Patente und Normen Jahre wurde in der PTB mit Röntgenreflektometrie
– WIPANO“ mit den Vorhabenspartnern Magnicon (XRR) untersucht. (M. Krumrey, FB 7.2, michael.
GmbH (Hamburg und Berlin) und Supracon AG krumrey@ptb.de)
(Jena) wurden vereinheitliche Terminologien, Sym-
bole und Einheiten für charakteristische Kenngrößen Strukturelle Charakterisierung hocheffizienter
von dc-SQUID-Sensoren sowie Messmethoden zur Perowskit-Solarzellen
deren Bestimmung entwickelt und erprobt. Die Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Helm-
Projektergebnisse wurden in die Arbeitsgruppe holtz-Zentrum Berlin (HZB) konnte die Kristallstruk-
14 „Supraleitende elektronische Bauelemente“ des tur von Perowskit-Solarzellen charakterisiert werden,
Technischen Komitees 90 „Supraleitung“ der Interna- mit denen ein neuer Rekord in der Gesamteffizienz
tional Electrotechnical Commission eingebracht und für Tandemzellen von über 29 % erreicht wurde. Die
werden internationale technischen Spezifikationen Strukturanalyse mittels Röntgendiffraktion unter
für die Leistungsparameter von dc-SQUID-Sensoren/ streifendem Einfall (GIWAXS) ermöglichte überdies,
Systemen ermöglichen. Dadurch werden die Markt- den Einfluss des Temperns auf die Kristallstruktur
transparenz für derartige Bauelemente befördert und somit die Effizienz zu untersuchen. (D. Skroblin,
und die Erschließung neuer SQUID-Anwendungen, C. Gollwitzer, FB 7.2, dieter.skroblin@ptb.de, christi-
insbesondere im industriellen Bereich, unterstützt. an.gollwitzer@ptb.de)
(J. Beyer, FB 7.6, joern.beyer@ptb.de)
Steady-State-Microbunching an der MLS
Patent für neues Rauschthermometer angemeldet Die Untersuchungen an der Metrology Light Source
Ein an der PTB entwickeltes neues Konzept zur (MLS) zum Steady-State-Microbunching, d. h. die
Temperaturmessung mittels elektrischer Widerstände durch einen Laser dem Elektronenstrahl aufgeprägte
wurde im Oktober beim Deutschen Patent- und Mikrostruktur in der Größe der Laserwellenlänge, die
Markenamt zum Patent angemeldet. Die Erfindung mindestens einen Umlauf des Elektronenpakets um
kombiniert die etablierte Thermometrie mit gegebe- den Speicherring erhalten bleibt, wurden durch die
nenfalls rückgeführten Widerstandsthermometern Untersuchungen erster Parameterabhängigkeiten er-
und die Rauschthermometrie als eine primäre folgreich fortgeführt. Auch wurde ein neuer Laser mit
Methode zur Messung der thermodynamischen Tem- besserer zeitlicher Stabilität installiert und charakteri-
peratur und ist speziell für den industriell relevanten siert. (R. Klein, FB 7.2, roman.klein@ptb.de, A. Hoehl,
Temperaturbereich von 77 K bis 1000 K interessant. FB 7.1, arne.hoehl@ptb.de)
Eine sequenzielle Messprozedur und eine spezielle
Datenanalyse unterdrücken parasitäre Einflüsse der DFG-Projekt zu neuartigen Lithium-Schwefel-
Sensorverdrahtung und des Verstärkers für die Sen- Batterien
sorauslesung auf die Temperaturmessung. Das neue Im Schwerpunktprogramm „Polymer-basierte Bat-
Konzept wurde bereits experimentell demonstriert terien“ der DFG konnte ein Verbundprojekt zur in-
und soll als ein handliches Gerät mit USB-Speisung operando-Untersuchung von neuen Materialien für
und erdfreier Messelektronik zukünftig auch kom- Lithium-Schwefel-Batterien mit röntgenanalytischen
merzialisiert werden. (D. Drung, FB 7.6, dietmar. Methoden eingeworben werden. Partner sind die TU
drung@ptb.de) Chemnitz und die Universität Freiburg. Die Weiter-
entwicklung der Messtechnik für die Aufnahme von
hochauflösenden Röntgenemissionsspektren während
Metrologie für die Gesellschaft
der Zyklisierung der neuen Batterien ist ein wichtiger
Schwerpunkt der PTB in diesem Projekt. Das im
Langzeitstabilität von Mulitschichichtspiegeln für
Aufbau befindliche neue Mikrofokus-Strahlrohr für
ATHENA
tender-X-rays im PTB-Labor bei BESSY II wird die
Für das von der ESA geplante Röntgenobservatorium
effiziente Durchführung solcher Messungen ermögli-
ATHENA sind Silizium-Porenoptiken vorgesehen,
chen. (M. Müller, C. Zech, FB 7.2, matthias.mueller@
deren Oberflächen zur Erhöhung des Reflexionsgrads
ptb.de, claudia.zech@ptb.de)
mit Iridium und Borcarbid (Ir/B4C) beschichtet wer-
den sollen. Die Stabilität dieser Schichten über viele
13Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7
Abschluss des EMPIR Vorhabens AEROMET und neuen Schwarzkörper auf eine zweite unabhängige
Start von AEROMET II Weise auf das SI zurückgeführt. Die Konsistenz der
Das von der AG 7.24 koordinierte EMPIR-Projekt bisherigen Rückführung im Rahmen der angestrebten
AEROsol METrology for atmospheric science and air Unsicherheit von 0,5 W/m2 konnte gezeigt werden.
quality (AEROMET) ist erfolgreich im September (M. Feierabend, FB 7.3, moritz.feierabend@ptb.de)
2020 abgeschlossen worden. Die PTB war mit refe-
renzprobenfreier Röntgenspektrometrie beteiligt, um Charakterisierung der Prototypen der FORUM Re-
mit der quantitativen Untersuchung von Proben aus ferenzsschwarzkörper
Feldmesskampagnen die mit Labormessgeräten erhal- Im Rahmen der Phase B1 der Entwicklung des Earth
tenen Ergebnisse zu validieren. Das ebenfalls von 7.24 Explorers 9 der ESA: FORUM (Far-infrared Outgoing
koordinierte Nachfolgeprojet AEROMET II wurde Radiation Understanding and Monitoring) wurden die
mit einem virtuellen Kick-off Meeting erfolgreich ge- Prototypen für die on-board-Referenzschwarzkörper
startet. (Y. Kayser, B. Beckhoff, FB 7.2, yves.kayser@ der beiden derzeit noch konkurrierenden Herstel-
ptb.de, burkhard.beckhoff@ptb.de) lerkonsortien charakterisiert. Beide Schwarzkörper
wurden im Bereich von 6 µm bis 100 µm vollständig
Abschluss des EMPIR Vorhabens ADVENT spektral vermessen, und es konnte gezeigt werden,
Das EMPIR-Projekt ADVanced ENergy-saving Tech- dass beide Schwarzkörperkonzepte für die spätere
nology (ADVENT), an dem die PTB mit Röntgen- Anwendung als Referenzquelle auf dem FORUM-
und Infrarot-Spektroskopie (FTIR) zur zeitaufgelös- Satelliten geeignet sind. (C. Monte, FB 7.3, christian.
ten Untersuchung von piezoelektrischen Materialien monte@ptb.de)
beteiligt war, wurde erfolgreich im August 2020
abgeschlossen. (B. Kästner, FB 7.1, Y. Kayser, FB 7.2, Rückführung des EUMETSAT Polar System
bernd.kaestner@ptb.de, yves.kayser@ptb.de) Satelliten-Programms
Ziel der Kooperation der PTB mit dem Centre Spatial
Horizon-2020-Vorhaben CHALLENGES gestartet de Liege (CSL) war die Rückführung des Optical
Das Horizon-2020-Projekt Real-time nano CHArac- Ground Support Equipment (OGSE) des CSL auf
terization reLatEd techNoloGiES (CHALLENGES), das SI für die radiometrische Charakterisierung der
dessen Workpackage zur Standardisierung vom FB Multi-Viewing, Multi-Channel, Multi-Polarization
3.1 und der AG 7.24 gemeinsam geleitet wird, wurde Imaging Mission (3MI) des EUMETSAT Polar System
erfolgreich mit einem virtuellen Kick-off Meeting Satelliten-Programms der 2. Generation (2023 bis
gestartet. Die PTB wird u.a. zur Bewertung und 2037). Die Aufgabe des 3MI-Instruments ist das Mo-
Standardisierung von industriellen Messverfahren in nitoring von Aerosolen als eine der wesentlichen Va-
den Bereichen Nanoelektronik und Photovoltaik bei- riablen für Klimamodelle. Dazu wurde ein neuartiges
tragen. (R. Stosch, FB 3.1, B. Beckhoff, FB 7.2, rainer. Strahldichtenormal, auf der Basis einer Ulbrichtkugel
stosch@ptb.de, burkhard.beckhoff@ptb.de) und einer LDLS-Strahlungsquelle, dessen optische
Strahlung über optische Fasern eingekoppelt wird, in
IR-Strahlungsmessungen der Atmosphäre werden 12 spektralen Kanälen im Spektralbereich von 390 nm
präziser bis 2170 nm mit dem Primärnormal für spektrale
Die PTB hat einen neuen Referenz-Schwarzkörper Strahldichte der PTB verglichen. Im gesamten Spek-
entwickelt, der für die Kalibrierung von IR-Detek- tralbereich konnten erweiterte Messunsicherheiten
toren mit einem hemisphärischen Akzeptanzwinkel (k = 2) der spektralen Strahldichte kleiner als 1,5 %
optimiert ist. Derartige Detektoren werden vom erreicht werden. (D. Taubert, FB 7.3, dieter.taubert@
Baseline Surface Radiation Network (BSRN) zum Mes- ptb.de)
sen der atmosphärischen Gegenstrahlung eingesetzt.
Die Rückführung geschieht auf die World Infrared
Standard Group (WISG) am Physikalisch-Meteo-
rologisches Observatorium Davos (PMOD). Die
WISG wurde nun im Rahmen des EMPIR-Projekts
MetEOC3 durch die Charakterisierung mit dem
14Abteilungsbericht 2020 – Temperatur und Synchrotronstrahlung
Erfolgreich abgeschlossene PTB-Forschungsar- Internationale Zusammenarbeit
beiten zur Normneufassung CEN prEN 1434:2020
Thermal Energy Meters Beratung von Entwicklungsländern zu
Im Jahr 2020 wurde die Erweiterung der zur MID berührungslosen Körpertemperaturmessungen
harmonisierten Fachgrundnorm prEN 1434:2020 zur Die COVID-19 Pandemie stellt insbesondere
europäischen Schlussabstimmung veröffentlicht, die Entwicklungs- und Schwellenländer vor große Her-
wesentlich auf Forschungsarbeiten und Gremienar- ausforderungen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit
beiten der PTB beruht. Kerninhalte sind messtech- der Qualitätsinfrastruktur im Gesundheitswesen.
nisch abgesicherte Prognosen der Messbeständigkeits- In Zusammenarbeit mit der Gruppe 9.3 hat der
dauer, Verwendung von Wasser-Glykol-Gemischen Fachbereich 7.3 die Länder Ghana, Uganda, Ruanda,
als Wärmeträgermedium, Teststrategien zum mess- Georgien und Mongolei bei dem Aufbau von Messka-
technischen Verhalten gestörter Zulaufströmungsbe- pazitäten und der Rückführung der messtechnischen
dingungen sowie Anforderungen zur Störabstandsun- Normale für die berührungslose Bestimmung von
tersuchungen unter elektromagnetischen Fern- und Körpertemperaturen durch Beratung bei der Auswahl
Nahfeldbedingungen. Außerdem wurden normierte geeigneter Messmittel, Hilfestellung bei der Durch-
Richtlinien für Auswahl, Einbau und Betrieb ther- führung der Messungen entsprechend geltender
mischer Energiemessgeräte im gesetzlich geregelten Normen sowie durch Kalibrierung von geeigneten
Bereich unter maßgeblicher PTB-Mitwirkung zur Referenz-Infrarotstrahlern unterstützt. (I. Müller,
europäischen Schlussabstimmung im Fachbericht FB 7.3, ingmar.mueller@ptb.de)
prCEN/TR 00176037:2020 veröffentlicht. (J. Rose,
FB 7.5, juergen.rose@ptb.de) Schlüsselvergleich mit dem Staatsinstitut von
Russland abgeschlossen
Entwicklung von Mikrowellen-SQUID-Multiplexern Die Sicherstellung der messtechnischen Rückführung
zur Auslesung supraleitender Strahlungsdetektoren der Staaten im Euro-Asiatischen Raum (COOMET)
SQUID-basierte Strommessung ist die Methode der für Temperaturmessgrößen erfolgt nahezu aus-
Wahl, um sogenannte Transition Edge Sensors (TESs), schließlich durch das Staatsinstitut von Russland. Zur
supraleitenden Detektoren für Teilchen und Strah- Absicherung der internationalen Vergleichbarkeit hat
lung, auszulesen. Für Messsysteme mit hunderten der Fachbereich Temperatur einen bilateralen Schlüs-
oder tausenden TES-Detektoren sind SQUID-Multi- selvergleich mit dem russischen Staatsinstitut durch-
plexer erforderlich. In einem in diesem Jahr begonnen geführt und durch die sehr gute Übereinstimmung die
Horizon-2020-Vorhaben der EU beteiligt sich die Konsistenz der Skalenrealisierungen nachgewiesen.
PTB an der Entwicklung von Mikrowellen-SQUID- (S. Rudtsch, FB 7.4, steffen.rudtsch@ptb.de)
Multiplexern. Die Fachbereiche 2.4 und 7.6 koope-
rieren in dem Projekt AHEAD 2020 mit Partnern der Vergleich von Hochvakuumskalen abgeschlossen
Space Research Organisation Netherlands (SRON) und In den letzten drei Jahren wurde der Vergleich
dem National Institute of Advanced Industrial Science EURAMET.M.P-K15.1 zum Vergleich der Vakuums-
and Technology in Japan (AIST). Die PTB wird kom- kalen von 10–4 Pa bis 1 Pa durchgeführt. Einbezogen
plexe Mikrowellen-SQUID-Multiplexer-Schaltungen waren neben der PTB als Pilotlabor das früher von
entwickeln und herstellen, die speziell für TES-basier- der DAkkS akkreditierte Nationale Metrologieinstitut
te, abbildende Röntgen-Spektrometrie für zukünftige NIMT aus Thailand, das designierte Institut IMT aus
astronomische Instrumente ausgelegt sind. (J. Beyer, Slowenien, und TÜBITAK-UME aus der Türkei. Die
FB 7.6, joern.beyer@ptb.de) PTB stellte den Referenzwert zum Schlüsselvergleich
CCM.P-K15 her. Alle En-Werte waren kleiner als
0,6, so dass sowohl das NIMT als auch das IMT neue
CMC-Einträge bei der Datenbank des BIPM begrün-
den können. (K.Jousten, FB 7.5, Karl.Jousten@ptb.de)
15Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 7 16
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Abbestraße 2–12 Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt,
10587 Berlin das nationale Metrologieinstitut, ist eine
Abteilung 7 | Temperatur und Synchrotronstrahlung wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde
im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für
Assistenz Wirtschaft und Energie.
Margit Kleinsorge
Telefon: (030) 3481-7464
Telefax: (030) 3481-7503
E-Mail: margit.kleinsorge@ptb.de
https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt7.html
Stand: 3 / 2021Sie können auch lesen
