Hochgenau kalibriert Mit dem Josephson-Quantenvoltmeter Spannungen exakt messen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit dem sogenannten Josephson-Effekt lassen sich Spannungen sehr genau darstellen. Künftig soll ein Quantenvoltmeter Messunsicherheiten reduzieren helfen.

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Mit dem AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter von esz lassen sich Wechselspannungen bis zu 7,19 Volt bei Frequenzen von 10 Hz bis 2 kHz messen.
Mit dem AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter von esz lassen sich Wechselspannungen bis zu 7,19 Volt bei Frequenzen von 10 Hz bis 2 kHz messen.
(esz AG calibration & metrology)

Seit über vier Jahren entwickelt esz calibration & metrology gemeinsam mit Supracon aus Jena und der PTB – Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig das weltweit erste industriell genutzte AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter. Unter dem Josephson-Effekt versteht man einen physikalischen Effekt, der den Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern beschreibt. Josephson-Kontakte sind sehr genaue Frequenz-zu-Spannung-Konverter.

In der Metrologie wird der inverse Josephson-Effekt dazu genutzt, um Spannungen sehr genau darzustellen. Bisher werden nur Josephson-Normale zur Gleichspannungsdarstellung eingesetzt. Mit dem AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter lassen sich zusätzlich Wechselspannungen bis 7,19 V bei Frequenzen von 10 Hz bis 2 kHz messen. Durch das AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter sollen sich künftig Messunsicherheiten bei Gleichspannung bis um den Faktor 1000 und bei Wechselspannungen um den Faktor 50 reduzieren lassen.

„Die nächste Herausforderung liegt darin, wie wir von flüssigem Helium als Betriebsmedium wegkommen“, erklärt Alexander Wintermeier, Applikationsingenieur bei esz. „Flüssiges Helium ist sehr teuer und schwierig zu beschaffen. Wir wollen mit einem Kleinkühler arbeiten, der eine Betriebstemperatur von 4 K (-269 °C) am Chip ermöglicht.“ Diese Temperatur ist nötig, um die Josephson-Elemente im supraleitenden Zustand zu halten. Durch die Realisierung der nächsten Ausbaustufe wird esz kostengünstig und dauerhaft das AC/DC-Josephson-Normal betreiben können.

Das Josephson-System ist momentan für vier Wochen im Labor der esz, um eine Reihe von Funktionstests und Messungen im industriellen Umfeld vorzunehmen. Im Anschluss geht das System zur Weiterentwicklung zum Quantenkalibrator für Strom, Spannung und Widerstand zur Supracon nach Jena zurück. Der Josephson-Quantenkalibrator soll Ende 2016 fertig entwickelt sein. Die Investitionssumme der esz für das Projekt beträgt 340.000 Euro.

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