HELMHOLTZ-PREIS 1973 (Preisverleihung am 19.02.1974)
Dr.-Ing. Werner Farr für die Arbeit „Ein Rubidium-Magnetometer zur Messung von magnetischen Feldstärken im weiten Bereich und mit hoher Empfindlichkeit“

Preisträger 1973: Magnetische Feldstärken mit Licht gemessen

Werner Farr, 1939 in Pforzheim geboren, studierte Elektrotechnik in Karlsruhe. Mit dem Abschluss als Diplomingenieur ging er an die Universität Heidelberg und übernahm dort am 1. Physikalischen Institut die Leitung des Elektroniklabors.

Das von ihm hervorragend geleitete Labor ermöglichte es den Heidelberger Kern‐und Teilchenphysikern, große Experimente etwa am CERN und am DESY mit modernster, selbstentwickelter Elektronik auszustatten. Auf Anregung von Ernst Otten entwickelte Farr das Rubidium-Magnetometer, wofür er in Karlsruhe zum Dr.-Ing. promoviert wurde. Für diese Arbeit wurde Farr u. a. von Otten für den Helmholtz-Preis vorgeschlagen.

Nach 1983 übersiedelte Farr in die USA. Er war leitend tätig für die LeCroy Research Systems Corporation bei New York, die sich auf die Herstellung von Instrumenten und Bauteilen für Experimente der Hochenergiephysik spezialisiert hatte. Ab 1996 war er selbständiger Berater für Forschung und Entwicklung. Er ist seit 2004 im Ruhestand und lebt jetzt auf Hawaii.

Der Helmholtz-Preis wurde erstmals 1973 anlässlich des 60-jährigen Bestehens des Helmholtz-Fonds e. V. ausgerufen. Mit ihm sollte eine Arbeit der „Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Präzisionsmessung physikalischer Größen“ prämiert werden.

Die mit 5.000 DM dotierte Auszeichnung erhielt 1974 als erster der Elektroingenieur und Physiker Dr.-Ing. Werner Farr für seine Arbeit „Ein Rubidium-Magnetometer zur Messung von magnetischen Feldstärken im weiten Bereich und mit hoher Empfindlichkeit“. Er hatte am 1. Physikalischen Institut der Universität Heidelberg im Rahmen seiner von Ernst Otten betreuten Promotionsarbeit ein miniaturisiertes Präzisionsmagnetometer entwickelt, das nach dem Prinzip des optischen Pumpens arbeitete.

Das Herzstück des Magnetometers war eine Sonde mit einer 0,09 cm3 großen Glaszelle, welche mit gasförmigem Rubidium gefüllt war. Nachdem man die Zelle in das zu messende Magnetfeld gebracht hatte, bestrahlte man sie durch eine Glasfaser mit dem Licht einer Rubidiumspektrallampe, das zirkular polarisiert worden war. Durch das intensive Licht wurden die Rubidiumatome in der Zelle wiederholt aus dem Grundzustand 2S1/2 in den angeregten Zustand 2P1/2 gebracht, aus dem sie durch Fluoreszenz in den Grundzustand zurückkehrten. Dabei wurde wegen der Auswahlregeln für elektrische Dipolstrahlung je nach Polarisationsrichtung des Lichtes der Hyperfeinzustand mit F = 2 und mF = + 2 bzw. – 2 immer stärker besetzt, während sich die anderen Unterniveaus entleerten. Durch dieses optische Pumpen wurden die Atome magnetisch stark polarisiert. Der Grad der Polarisierung ließ sich anhand der Intensität des von der Zelle durchgelassenen Lichts bestimmen. Mit Hilfe einer kleinen, um die Glaszelle gewickelten Spule wurden die Atome einem Radiofrequenzsignal ausgesetzt, das sie resonant zu Übergängen zwischen Zuständen mit unterschiedlichem mF anregte. Dadurch wurde die Polarisation zerstört, was zu einer Änderung der gemessenen Lichtintensität führte. Die Radiofrequenz wurde mit einem elektronischen Oszillator erzeugt und auf die Resonanz abgestimmt.

Aus der berechneten Magnetfeldabhängigkeit der Resonanzfrequenz konnte man schließlich die magnetische Feldstärke ermitteln. Mit dem Magnetometer ließen sich Feldstärken von 10–7 Tesla bis 10–1 Tesla punktweise messen und stabilisieren. Dabei wurde eine Messgenauigkeit von 10–9 Tesla erreicht. Das geringe Sondenvolumen gestattete es, Magnetfelder im Luftspalt von Eisenmagneten zu detektieren.

Werner Farr und Ernst Otten meldeten für das Magnetometer ein Patent an, das von der Bruker Physik AG in Karlsruhe übernommen wurde, die das Gerät auch produziert und vertrieben hat. Optisch gepumpte Magnetometer werden heute u. a. in der Archäologie eingesetzt.

Literature

 

W. Farr and E.-W. Otten: A Rb-Magnetometer for a Wide Range and High Sensitivity. Appl. Phys. 3, (1974), 367