HELMHOLTZ-PREIS 1987 (Preisverleihung am 14.05.1987)
Dr. Fritz Riehle, Prof. Dr. Burkhard Wende für die Arbeit „Ein Elektronenspeicherring als primäres Strahlungsnormal zur Realisierung strahlungsoptischer Einheiten“

Preisträger 1987: Elektronenspeicherring als primäres Strahlungsnormal

Fritz Riehle (2. v. r.), 1951 in Zell am Harmersbach geboren, studierte Physik in Karlsruhe, wo er 1977 promovierte und 1981 habilitierte. 1982 ging er zur PTB Berlin und leitete dort bis 1987 die Arbeitsgruppe „Grundlagenradiometrie“ im PTB-Labor bei BESSY. 1987 kam er zur PTB Braunschweig, wo er von 1989 bis 2000 das Labor „Längeneinheit“ leitete. Bis zu seiner Pensionierung 2015 leitete er seit 2000 die Abteilung „Optik“ in der PTB. Die Universität Hannover ernannte ihn 2011 zum Honorarprofessor. 2013 wurde er Fellow of the American Physical Society. Er erhielt den Helmholtz-Preis 1999 zum zweiten Mal.

Burkhard Wende (r.), 1937 in Berlin geboren, studierte an der TU Berlin Physik und trat nach seinem Diplom 1963 in die PTB Berlin ein. Zudem promovierte er 1966 an der TU Karlsruhe, wo er auch habilitierte und 1970 Privatdozent wurde. In der PTB Berlin leitete er ab 1974 die Gruppe für Hochtemperatur- und Vakuumphysik. Ab 1977 hatte er in Karlsruhe eine Professur und war später auch Honorarprofessor an der TU Berlin. Ab 1995 war er Leiter der Abteilung für Temperatur und Synchrotronstrahlung an der PTB Berlin, zudem leitete er die PTB Berlin von 1998 bis zu seinem Eintritt in den Ruhestand 2002. Er wirkte entscheidend mit bei der Konzeption und der Errichtung der Berliner Speicherringe BESSY I und BESSY II, und er initiierte den Bau der PTB-eigenen Metrology Light Source.

Anlässlich des 100. Jubiläums der PTR/PTB wurde der Helmholtz-Preis 1987 in drei Themenbereichen vergeben. Im Bereich „Präzisionsmessung physikalischer Größen“ ging die Auszeichnung an Dr. Fritz Riehle und Prof. Dr. Burkhard Wende von der PTB Berlin für ihre Arbeit „Ein Elektronenspeicherring als primäres Strahlungsnormal zur Realisierung strahlungsoptischer Einheiten“.

Als Max Planck 1900 seine berühmte Strahlungsformel aufstellte, konnte er auf die genauen Messungen der Hohlraumstrahlung zurückgreifen, die an der PTR in Berlin durchgeführt worden waren. Von Plancks Strahlungsformel ausgehend, verwendete man zur Darstellung spektraler Strahlungsleistungen zunächst Hochtemperatur-Hohlraumstrahler als primäre Strahlungsnormale. Bei kurzen Wellenlängen unterhalb von 250 Nanometer ist die Emission dieser Strahler jedoch zu schwach, als dass sie sich für ein Strahlungsnormal nutzen ließen. Im Gegensatz dazu emittieren Elektronenspeicherringe intensive Synchrotronstrahlung vom sichtbaren Spektralbereich bis zum Röntgenbereich. Die spektrale Verteilung dieser Strahlung hängt nur von wenigen Parametern ab und wird durch eine Formel gegeben, die Julian Schwinger 1949 für die Strahlungsemission radial beschleunigter relativistischer Elektronen aus den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik abgeleitet hatte.

Wie Riehle und Wende 1984 nachwiesen, stellte der Speicherring BESSY I in Berlin ein neues Strahlungsnormal dar, das dem Hohlraumstrahler deutlich überlegen war. Dazu musste man die Parameter des Speicherrings sehr genau messen und ihn so optimieren, dass sich seine spektrale Strahlungsleistung mit Hilfe der Schwinger-Formel beschreiben ließ. Während diese Formel für ein einzelnes Elektron gilt, das auf einer Kreisbahn umläuft, bewegten sich in BESSY I jedoch bis zu 1012 Elektronen auf unterschiedlichen Kreisbahnen. Dadurch wich die Strahlungsemission des Speicherringes von den Vorhersagen der Schwinger-Formel ab. Indem Riehle und Wende die Orts- und Winkelverteilung der Elektronen im Speicherring anhand der gemessenen Winkelabhängigkeit der Strahlung bestimmten, konnten sie mit Hilfe der Schwinger-Formel die spektrale Strahlungsleistung des Speicherringes mit hoher Genauigkeit berechnen.

Dadurch dass man die Zahl der Elektronen, die in BESSY I gespeichert waren, auf ein Elektron erniedrigte, konnte man die Strahlungsintensität um bis zu zwölf Zehnerpotenzen verändern. Das Speicherringnormal wurde bis zu seiner Stilllegung 1999 für die Kalibrierung von Empfänger- und Strahler-Gebrauchsnormalen vom nahen IR bis in den Bereich weicher Röntgenstrahlung genutzt. Seit Januar 1999 setzt die PTB den Elektronenspeicherring BESSY II als primäres Strahlungsnormal ein, insbesondere vom Vakuum-UV bis zum Röntgenbereich. Ergänzend zu BESSY II steht der PTB seit Frühjahr 2008 mit der Metrology Light Source (MLS) ein primäres Strahlungsnormal für Spektralbereiche vom IR bis zum extremen UV zur Verfügung.

Literatur

F. Riehle und B. Wende: Ein Elektronenspeicherring als primäres Strahlungsnormal zur Realisierung strahlungsoptischer Einheiten vom Infraroten bis in den Bereich weicher Röntgenstrahlung. PTB-Mitteilungen 97, (1987), 360

Roman Klein, Reiner Thornagel, Gerhard Ulm: Der Speicherring BESSY II als primäres Strahlernormal. PTB-Mitteilungen 115, (2005), 8