Aktuelle Nachrichten
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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2012
Grundlagen der Metrologie
Einzelelektronenströme nachgezählt
Einzelelektronenpumpen ermöglichen die Erzeugung eines Stromes durch kontrollierten Einfang und Transport einzelner Elektronen. Der PTB gelang es nun erstmals, die Einfangstatistik einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe durch Nachweis einzelner Elektronen mit einer speziellen Detektorschaltung zu überprüfen.
Flexible Sputter-Technologie zur Herstellung von Al2O3 Gate-Isolatoren auf Graphen
Isolationsschichten für Elektroden zur Steuerung der Ladungsträgerdichte in Graphen wurden mit einem vereinfachten Verfahren hergestellt.
Präzisionsmessung des Quanten-Hall-Effekts in transferiertem Graphen
Erstmals wurde der quantisierte Hall-Widerstand mit einer metrologisch relevanten Präzision an Graphenfilmen gemessen, die auf ein Wirtssubstrat transferiert wurden. Zuvor war dies nur mit Graphen gelungen, das direkt auf SiC aufgewachsen worden war.
Josephson-Messbrücke als universeller Komparator für beliebige Impedanzverhältnisse
Eine neu entwickelte Messbrücke mit programmierbaren Josephson-Schaltungen erlaubt nun auch die Kalibrierung beliebiger Impedanzverhältnisse über eine große Bandbreite mit hoher Präzision und innerhalb kurzer Messzeit.
Kombinierte Josephson-Systeme für spektral reine Wellenformen mit großen Amplituden
Die Kombination zweier Josephson-Synthesizer erlaubt die Synthese von spektral reinen Wellenformen mit Amplituden größer als 1 V.
Doppelt-geschirmte Quanten-Hall-Proben als Impedanz-Quantennormal
Die vor einigen Jahren an der PTB entwickelte Doppelschirmung von Quanten-Hall-Proben erlaubt die Realisierung eines hochpräzisen Impedanz-Quantennormals. Das japanische Metrologieinstitut NMIJ hat diese Idee aufgriffen und eine neuartige „on-chip“-Schirmung entwickelt, die gemeinsam mit der PTB getestet wurde.
Rausch- und Korrelationsmessungen: neue Erkenntnisse zum Quanten-Hall-Widerstand
Simultane Messungen des thermischen Rauschens an verschiedenen Kontaktpaaren einer Quanten-Hall-Probe haben erstmalig den Nachweis von Korrelationen erlaubt, die als Erweiterung der klassischen Johnson-Nyquist-Beziehung verstanden werden können. Darüber hinaus zeigen Rauschmessungen mit externem Strom pulsartige Dissipationsausbrüche, die einen neuen Einblick in den Zusammenbruch des Quanten-Hall-Effekts erlauben.
Neuartige Photoströme
Die optisch induzierte Kohärenz in Halbleitern hat einen starken Einfluss auf die Erzeugung von Photoströmen. Folgt die Kohärenz nicht unmittelbar einem gepulsten elektrischen Anregungsfeld, treten unter bestimmten Anregungsbedingungen neuartige Photoströme auf.
Vollständige Charakterisierung von GHz- und THz-Emittern
Unter Verwendung laserbasierter, optoelektronischer Methoden wurde die Abstrahlcharakteristik (Frequenz, Phase und relative Amplitude) von Hochfrequenzantennen in einem sehr weiten Frequenzbereich räumlich aufgelöst gemessen.
Ultrabreitband-Spannungsimpulsstandard
Mittels laserbasierter optoelektronischer Messtechnik wurde ein Ultrabreitband-Spannungsimpulsstandard auf einer koplanaren Wellenleitung realisiert.
Thermoelektrische Ströme in magnetischen Nanokontakten
In magnetischen Tunnelstrukturen wurden magnetisch schaltbare thermoelektrische Ströme und Spannungen nachgewiesen.
Mikroampereströme durch Kontrolle einzelner Elektronen
Halbleiterbasierte Einzelelektronenpumpen ermöglichen die Erzeugung eines elektrischen Stroms durch kontrollierten Transport einzelner Elektronen. Allerdings sind die so erzeugten Stromstärken sehr klein. Durch Verbindung mit einer präzisen Gleichstromskalierung konnte nun an der PTB erstmals eine Stromstärke von nahezu einem Mikroampere basierend auf der Kontrolle einzelner Elektronen erzeugt werden.
Magnetfeldabhängigkeit der kritischen Stromstärke von Josephson-Kontakten mit NbxSi1-x-Barriere
Die Stromverteilung in Josephson-Kontakten mit NbxSi1-x -Barriere wurde untersucht, indem die Abhängigkeit der kritischen Stromstärke vom angelegten Magnetfeld gemessen wurde. Die Kontakte zeigen eine hohe Qualität mit homogener Stromverteilung.
Hybride Supraleiter-Normalleiter Einzelelektronenfalle als Einzel-Mikrowellenphotonen-Detektor
Eine Supraleiter (Al) - Normalleiter (AuPd) Einzelelektronenfalle wurde hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Mikrowellen-
einstrahlung im Frequenzbereich um 50 GHz untersucht. Durch Absorption einzelner Mikrowellen-Photonen, die von einem benachbarten Einzelladungstransistor erzeugt werden, kommt es zu Anregungen, die einzelnen Elektronen das Entweichen aus der Falle ermöglichen. Dieses Verhalten wurde mithilfe eines zweiten Transistors zeitaufgelöst registriert.
Direkter Vergleich zweier Wechselspannungen aus pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen
In einem direkten Vergleich zweier Sinus-Wellenformen aus pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS) wurde eine relative Übereinstimmung von (1,6 ± 2,9) × 10-8 gefunden. Die sehr gute Übereinstimmung demonstriert die ausgezeichnete Quantisierung der Spannungen der Josephson-Schaltungen.
20-Volt-Schaltungen für das programmierbare Josephson-Spannungsnormal (PJVS) der PTB
Die weltweit ersten voll funktionsfähigen 20-Volt-Spannungsnormal-Schaltungen mit ca. 140 000 Josephsonkontakten für den Einsatz bei 70 GHz wurden durch die PTB hergestellt und charakterisiert. Ein direkter On-Chip Vergleich zwischen den beiden 10 V Hälften der binär unterteilten Serienschaltung bestätigte die metrologische Eignung der 20-Volt Schaltungen für dc und ac Anwendungen.
Stromwandler-Messeinrichtung zur Bestimmung der Frequenzabhängigkeit
Im Rahmen des von der EU geförderten Gemeinschaftsprojekts „Metrology for Smart Electrical Grids“, an dem mehrere europäische metrologische Institute und Universitäten beteiligt sind, befasst sich die PTB mit dem Aufbau einer auf nationale Normale rückführbaren Messmöglichkeit zur Bestimmung des Frequenzgangs von Stromwandlern nach Betrag und Phase.
Welligkeitsmessungen für Anwendungen der Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Die Spannungsverläufe in Hochspannungs-Gleichstromübertragungsnetzen (HGÜ-Netze) weisen Welligkeiten auf, die die Energiemessungen beeinträchtigen können. Die 2011 vorgestellten Messeinrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Welligkeitsparametern der Spannungen in HGÜ-Netzen wurden weiterentwickelt.
Verbesserte, rauschreduzierte Charakterisierung von Wechselsignalen bei adaptiver Signalabtastung
Als Ergebnis theoretischer und messtechnischer Untersuchungen wurden Verfahren adaptiver Filterung entwickelt, mit denen bei abgetasteten Spannungssignalen der Einfluss des Rauschens auf die Messunsicherheit verringert werden kann.
Berechenbare planare Kalibriernormale für Streuparametermessungen
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnologie der TU Braunschweig und Industriepartnern wurden planare Kalibriernormale entwickelt und gefertigt, die Übergänge von hochresistivem Silizium zu einem in Membrantechnologie gefertigten koplanaren Wellenleiter beinhalten. Die planaren Kalibriernormale zeigten im Bereich bis 110 GHz deutlich bessere breitbandige Eigenschaften als auf hochleitfähigem Silizium gefertigte Normale.
Hochstabiler Sinusgenerator für die Anwendung in einer Quadraturbrücke
Zur Rückführung der Kapazitätseinheit Farad auf den Wechselstrom-Quanten-Hall-Widerstand nutzt man eine Quadraturbrücke, die bei einer festen, präzise bekannten Frequenz betrieben werden muss. Dafür wurde ein spezieller Generator entwickelt, dessen rein sinusförmige Ausgangsspannung ohne Verwendung von Regelschleifen direkt aus einer von Atomuhren gelieferten 10-MHz-Normalfrequenz abgeleitet wird.
Metrologie für die Wirtschaft
MNPQ-Projekt „AC-Quantenvoltmeter“ – DC Plattform gelegt
Im Rahmen des Programms „MNPQ - Messen, Normen, Prüfen und Qualitätssicherung“ ist ein Technologietransferprojekt zur Etablierung von quantenbasierten Wechselspannungsnormalen in der Industrie erfolgreich gestartet.
Induktiver Messkopf für die nicht-invasive Charakterisierung magnetostatischer und dynamischer Parameter magnetischer Dünnschichtsysteme
Prozessbegleitende und schnelle Charakterisierungstechniken für magnetische Dünnschichten sind u.a. wichtig bei der Entwicklung und Produktion magnetischer Sensoren. An der PTB wurde ein induktiver Messkopf entwickelt, der die nicht-invasive Charakterisierung der dynamischen und statischen Eigenschaften magnetischer Schichten erstmals an kompletten Wafern ermöglicht.
Neues Adapter-Charakterisierungsverfahren entwickelt
In Zusammenarbeit mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA ist ein neues Verfahren zur Charakterisierung von Übergängen zwischen Wellenleitern verschiedener Bauart entwickelt worden. Das Verfahren wurde erstmalig zur Charakterisierung von Mikrowellenprüfspitzen eingesetzt, die einen Übergang zwischen Hohlleitern im WR-8-Band (90-140 GHz) und koplanaren Wellenleitern darstellen.
Erweitertes Modenanpassungs-Verfahren im Split-Zylinder-Resonator zur Bestimmung der komplexen Permittivität dielektrischer Materialien
Das aus der Fachliteratur bekannte und in der Messpraxis gängige TE0np Modenanpassungs-Verfahren im Split-Zylinder-Resonator wurde erweitert, sodass nun auch allgemeine TEmnp-, TMmnp- sowie Hybrid-Moden im Frequenzspektrum erfasst werden können.
Hochfrequenz-Leistungskalibrierung nun lückenlos im Frequenzbereich 200 kHz bis 110 GHz
Mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines Hohlleitermikrokalorimeters für den Frequenzbereich 50 – 75 GHz komplettiert die PTB ihr Leistungsangebot für die rückgeführte Kalibrierung von Hochfrequenzleistungssensoren bis 110 GHz.
Ein neues Gerät für die signalform-unabhängige Leistungsmessung
Es wurde eine neuartige Messmethode zur Leistungs- und Effektivwertmessung von Signalen mit beliebigen zeitlichen Verläufen entwickelt sowie ein Prototyp eines Messgerätes aufgebaut und erprobt.
Charakterisierung eines 2-Kanal-Digitalisierers mit Differenzeingängen
Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten eines zweikanaligen Hochgeschwindigkeits-Digitalisierers
Automatisierte Kapazitätsmessbrücke für die Kalibrierung von Kondensatoren mit einem Nennwert von 10 nF bis 10 mF
Es wurde eine automatisierte Kapazitätsmeßbrücke für die Kalibrierung von großen Kapazitäten in einem weiten Frequenzbereich entwickelt.
Neuaufbau der Skalen für den AC-DC-Transfer in der PTB mit reduzierten Messunsicherheiten
Durch Ausnutzung des vollen Dynamikbereichs der Mehrfachthermokonverter für den AC-DC-Transfer wurde die Anzahl der Skalierungsstufen verringert.
Dynamisches Brückennormal schafft Voraussetzung für den industriellen Einsatz dynamischer Kraft-, Drehmoment- und Druckmessungen
Das an der PTB entwickelte dynamische Brückennormal schafft die Voraussetzung zur dynamischen Kalibrierung von Messverstärkern, die für eine Vielzahl industrieller Messanwendungen von dynamischen mechanischen Größen (z.B. Kraft, Drehmoment oder Druck) eingesetzt werden.
Metrologie für die Gesellschaft
Untersuchungen zur Messung elektromagnetischer Felder und Antennen unter Einsatz von Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)
Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurde gemeinsam mit der FH Ostfalia Braunschweig-Wolfenbüttel ein Oktokopter-Sensor zur Messung elektromagnetischer Felder im freien Raum bzw. für Messungen an großen, fest installierten Antennenanlagen (wie z.B. Instrumentenlandesystemen) aufgebaut. Der neu entwickelte 3D-Sensor kann die elektrische Hochfrequenz-Feldstärke bei 110 MHz skalar erfassen. Nach der Implementierung des Sensors am Oktokopter wurden erste Testflüge erfolgreich durchgeführt.
Mitgestaltung der deutschen Normungsroadmap E-Energy/Smart Grid
Auf nationaler wie auch auf europäischer Ebene erfolgt die Umgestaltung der Energieversorgungsnetze hin zu zukunftsfähigen Ver-
sorgungsinfrastrukturen durch Staat und Organe der wirtschaftlichen Selbstverwaltung Hand in Hand. Wie bei der Version 1.0 hat sich die PTB auch an der Ausarbeitung der Version 2.0 der Deutschen Normungsroadmap E-Energy/Smart Grid beteiligt, die die „Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE“ im Jahr 2012 herausgegeben hat. Ein Schwerpunkt des PTB-Engagements lag diesmal auf dem Thema Nutzungsfreundlichkeit von Smart Metern.
Rückgeführte Feldstärkemessung terrestrischer Navigationsanlagen
Gemeinsam mit einem Flugvermessungsunternehmen wurde ein Messsystem zur absoluten Feldstärkemessung von terrestrischen Navigationsanlagen der Flugsicherung entwickelt. Das Ziel der Entwicklung war ein neues und vollkommen unabhängiges Verfahren zur Feldstärkemessung im freien Raum. Dieses dient dazu, die regelmäßig mit Messflugzeugen durchgeführten Flugvermessungen an Verkehrsflughäfen zu validieren.
Start des Projekts „Einfluss hochfrequenter Felder des Mobilfunks auf das blutbildende System in vitro“
Im Rahmen des vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) geförderten Projekts „Einfluss hochfrequenter Felder des Mobilfunks auf das blutbildende System in vitro“ untersucht die PTB zusammen mit dem Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Würzburg die Auswirkungen der Exposition von Blutzellen durch hochfrequente Felder.
Bestimmung der Effizienz thermoelektrischer Materialien mit der van-der-Pauw-Methode
Im Rahmen des EMRP Projektes „Energy Harvesting“ wurde ein Messplatz aufgebaut, mit dem sich auf einfachem Wege die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie der Seebeck-Koeffizient von thermoelektrischen Materialien bestimmen lassen.
Internationale Angelegenheiten
Joint Research Project „ Microwave and terahertz metrology for homeland security (THz Security)“ gestartet
Im Juni 2012 ist der Startschuss für das Joint Research Project „Microwave and terahertz metrology for homeland security (THz Security)“ gefallen, in dem die PTB zusammen mit fünf weiteren nationalen Metrologieinstituten und weiteren Partnern aus Industrie, Forschungsinstituten und Universitäten an der Rückführung von Messgrößen für neuartige THz-Systeme arbeitet, die vorwiegend in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden.
Joint Research Project „Quantum ampere: Realisation of the new SI ampere“ gestartet
Zum 1. Mai 2012 wurde das Joint Research Project (JRP) SIB07 Qu-Ampere „Quantum ampere: Realisation of the new SI ampere“ gestartet, das im Call 2011 „SI Broader Scope I“ des European Metrology Research Programme (EMRP) erfolgreich beantragt worden war. Der PTB-Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“ koordiniert dieses Projekt mit dreijähriger Laufzeit und einem Gesamtbudget von knapp drei Millionen Euro. Das Konsortium umfasst die vier JRP-Partner PTB (D), LNE (F), MIKES (FI) sowie NPL (UK). Es wird komplettiert von drei Instituten am CEA Grenoble (F), University of Cambridge (UK) sowie Aalto University (FI), welche durch Arbeiten beitragen, die im Rahmen von Researcher Excellence Grants gefördert werden.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2012-11-06,
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