A balance is proposed, which allows the calibration of weights in a continuous range from 1 mg to 1 kg using a fixed value of the Planck constant, h . This so-called Planck-Balance (PB) uses the physical approach of Kibble balances that allow the Planck constant to be derived from the mass. Using the PB no calibrated mass standards are required during weighing processes any longer, because all measurements are traceable via the electrical quantities to the Planck constant, and to the meter and the second. This allows a new approach of balance types after the expected redefinition of the SI-units by the end of 2018. In contrast to many scientific oriented developments, the PB is focused on robust and daily use. Therefore, two balances will be developed, PB2 and PB1, which will allow relative measurement uncertainties comparable to the accuracies of class E2 and E1 weights, respectively, as specified in OIML R 111-1. The balances will be developed in a cooperation of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and the Technische Universität Ilmenau in a project funded by the German Federal Ministry of Education and Research.

In this paper we present the progress in development of a table-top version of the Kibble balance under the name Planck-Balance 2 (PB2). The PB2 is developed as a collaboration effort between the Technische Universität Ilmenau (TU Ilmenau) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) aiming for automatized mass calibration of the set of weights in the range from 1 mg to 100 g within the required uncertainties as stated by OIML recommendation R111 for weights of E2 class. We describe the design and the operational performance of the PB2 system in detail, the results of rigorous investigations of the error sources and subsequent improvements made since the beginning of the project in early 2017, the measurement data with the corresponding relative uncertainties and the preliminarily obtained uncertainty budget.

Zusammenfassung: Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule–Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren. Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.

Carrier mobilities and concentrations were measured for different p- and n-type silicon materials in the temperature range 0.3–300 K. Simulations show that experimentally determined carrier mobilities are best described in this temperature range by Klaassen’s model. Freeze-out reduces the carrier concentration with decreasing temperature. Freeze-out, however, depends on the dopant type and initial concentration. Semi-classical calculations are useful only for temperatures above 100 K. Otherwise quantum mechanical calculations are required.

Ultralow expansion (ULE) glasses are of special interest for temperature stabilized systems for example in precision metrology. Nowadays, ULE materials are mainly used in macroscopic and less in micromechanical systems. Reasons for this are a lack of technologies for parallel fabricating high‐quality released microstructures with a high accuracy. As a result, there is a high demand in transferring these materials into miniaturized application examples, realistic system modeling, and the investigation of microscopic material properties. Herein, a technological base for fabricating released micromechanical structures and systems with a structure height above 100 μm in ULE 7972 glass is established. Herein, the main fabrication parameters that are important for the system design and contribute thus to the introduction of titanium silicate as material for glass‐based micromechanical systems are discussed. To study the mechanical properties in combination with respective simulation models, microcantilevers are used as basic mechanical elements to evaluate technological parameters and other impact factors. The implemented models allow to predict the micromechanical system properties with a deviation of only ±5% and can thus effectively support the micromechanical system design in an early stage of development.

We report experiments with very compressible fluids near the liquid-gas critical point. These experiments are performed (i) under microgravity in low Earth orbit by using SF6 at liquidlike density and (ii) under Earth's gravity with CO2 at gaslike density. The sample fluid is filled in an interferometer cell with its walls maintained at constant temperature. In situ thermistors measure the local fluid temperature. One of the thermistors is also used as a heat source to generate heat pulses. With no gravity-induced fluid convection, the evolution of fluid temperature is governed by the balance of heat flux between the thermal boundary layer of the heat source, which compresses the bulk fluid, and the thermal boundary layer at the wall, which expands it. When heat pulses are applied to the fluid under weak or Earth's gravity, a long thermal transient is observed at the end of the heat pulse where the bulk fluid temperature reaches significantly below the initial temperature. This unconventional cooling originates from the fast decompression of the fluid, which is induced by the rapid convectively disappearing hot boundary layer at the heat source, and the persistence of an anomalously thin cold boundary layer convectively induced at the cell wall. This striking phenomenon is observed in a large range of temperature, density, and various thermodynamic conditions. This anomalous cooling effect persists for an appreciable period of time corresponding to the diffusive destruction of the cold boundary layer. We found that the effect is also more pronounced when the free fall acceleration is large. We have analyzed the result by using a simple one-dimensional model with ad hoc convective heat losses.