Grenzen der Präzisionsmesstechnik: Wenn die Waage zum Messfehler wird
Wo liegen die Grenzen der Präzisionsmesstechnik? Die TU Wien zeigt, warum Messgeräte ihre Ergebnisse beeinflussen können.
Wie genau kann man messen? Forschende der TU Wien zeigen, warum selbst modernste Präzisionswaagen ihre Messergebnisse beeinflussen.
Foto: Smarterpix / AllaSerebrina
Was passiert, wenn eine der empfindlichsten Waagen der Welt nicht nur das Messobjekt, sondern auch sich selbst misst?
Wer sein Körpergewicht bestimmen möchte, stellt sich auf eine Waage. Das Messprinzip ist einfach: Die Waage registriert die Kraft, die auf sie wirkt. In der Materialforschung kommen dagegen Instrumente zum Einsatz, die Massenänderungen nachweisen können, die um Größenordnungen kleiner sind als ein Staubkorn.
Forschende der TU Wien haben nun untersucht, wo bei solchen Messungen die Grenzen liegen. Dabei zeigte sich: Bei extrem empfindlichen Messverfahren reagiert nicht nur die Probe auf den Messvorgang. Auch das Messgerät selbst verändert sich. Die Ergebnisse entstanden in Zusammenarbeit mit der Universität Uppsala und wurden in der Fachzeitschrift Applied Surface Science veröffentlicht.
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Wenn ein Quarzkristall zur Waage wird
Im Zentrum der Studie steht eine Quarz-Kristall-Mikrowaage (Quartz Crystal Microbalance, QCM). Dieses Messinstrument funktioniert völlig anders als eine klassische Waage.
Ein dünner Quarzkristall wird durch eine elektrische Spannung zum Schwingen gebracht. Seine Schwingungsfrequenz hängt von seiner Masse ab. Verändert sich die Masse des Systems, verändert sich auch die Frequenz. Moderne Messsysteme können diese Frequenz mit außergewöhnlicher Genauigkeit erfassen.
An der TU Wien wird die Methode genutzt, um den Beschuss von Oberflächen mit Ionen zu untersuchen. Diese elektrisch geladenen Teilchen können einzelne Atome aus einem Material herauslösen. Solche Prozesse spielen etwa bei der Entwicklung künftiger Fusionsreaktoren eine Rolle. Auch in der Weltraumforschung interessieren sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für ähnliche Effekte, etwa wenn Teilchenstrahlung Oberflächen von Monden oder Planeten verändert.
Um diese Vorgänge zu verstehen, müssen oft winzigste Materialverluste gemessen werden. Genau hier kommen Quarz-Mikrowaagen zum Einsatz.
Mehr als nur ein Frequenzsignal
Auf den ersten Blick scheint die Auswertung einfach zu sein: Verliert die Probe Masse, steigt die Resonanzfrequenz des Kristalls. Die Realität ist deutlich komplizierter.
„Das System reagiert durchaus komplex und es zeigen sich mehrere unterschiedliche Effekte, auf unterschiedlichen Zeitskalen, die sich gegenseitig überlagern“, erklärt Martina Fellinger von der TU Wien, Erstautorin der Studie.
Die Forschenden stellten fest, dass der Ionenstrahl nicht nur Material von der Oberfläche entfernt. Er beeinflusst gleichzeitig den Quarzkristall der Waage.
Wärme verändert die Messung
Trifft der Ionenstrahl auf den Kristall, wirkt er wie eine winzige lokale Wärmequelle. „Die lokale Erwärmung erzeugt mechanische Spannungen im Kristall“, sagt Fellinger. „Und genau diese Spannungen verändern die Resonanzfrequenz.“ Dabei spielt sogar die genaue Position des Strahls eine wichtige Rolle.
„Kleine Positionsänderungen können das Signal deutlich verändern“, so Fellinger. Neben diesem unmittelbaren Effekt tritt ein zweiter Prozess auf. Über einen Zeitraum von mehreren Minuten erwärmt sich der gesamte Kristall langsam. Auch dadurch verschiebt sich die Resonanzfrequenz.
Für die Forschenden bedeutet das: Das gemessene Signal setzt sich aus mehreren Einflüssen zusammen, die gleichzeitig wirken.
Dazu gehören unter anderem:
- tatsächliche Massenänderungen durch Materialabtrag,
- lokale Erwärmung durch den Ionenstrahl,
- mechanische Spannungen im Quarz,
- langsame Temperaturänderungen des gesamten Kristalls.
Nicht jede Frequenzänderung bedeutet Masseverlust
Besonders interessant ist ein weiterer Befund der Studie. Eigentlich würde man erwarten, dass eine dauerhaft veränderte Resonanzfrequenz auf einen bleibenden Materialverlust hinweist. Doch auch das ist nicht immer der Fall.
Hochenergetische Ionen können den Quarz selbst verändern. Solche Strahlenschäden beeinflussen ebenfalls seine Schwingungseigenschaften. Dadurch können Frequenzänderungen entstehen, die nichts mit einem Materialabtrag an der untersuchten Oberfläche zu tun haben.
Die Forschenden konnten die verschiedenen Beiträge erstmals voneinander trennen und physikalisch beschreiben. Damit wird klar, dass eine Quarz-Mikrowaage unter Ionenbeschuss nicht einfach eine Masse misst. Sie registriert vielmehr mehrere physikalische Prozesse gleichzeitig.
Die Herausforderung liegt in der Interpretation
Die Arbeit zeigt deshalb nicht, dass die Messtechnik an ihre Leistungsgrenze stößt. Vielmehr wird deutlich, wie schwierig die Interpretation extrem präziser Messungen werden kann.
Je empfindlicher ein Messgerät arbeitet, desto stärker rücken Effekte in den Vordergrund, die bei weniger genauen Messungen kaum auffallen würden. Das Messgerät wird selbst Teil des Experiments.
Für zukünftige Untersuchungen ist dieses Wissen wichtig. Die Forschenden weisen darauf hin, dass die Wechselwirkungen zwischen Ionenstrahl und Quarz bei der Planung und Auswertung solcher Experimente berücksichtigt werden müssen.
Das betrifft nicht nur die Grundlagenforschung. Auch bei der Entwicklung neuer Werkstoffe für Fusionsreaktoren oder bei Untersuchungen von Oberflächenprozessen im Weltraum werden immer präzisere Messungen benötigt.
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