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Forschungsnachrichten der Abteilung 2

Aktuelle Nachrichten

Anordnung verdrillter Aderpaare

 

Die PTB hat kürzlich im Rahmen einer industriellen Kooperation erstmals eine vollständige Messunsicherheitsbilanz für symmetrisch übertragene Streuparameter, sogenannte „Mixed-Mode-Streuparameter“, aufgestellt. Diese Messgrößen sind vor allem für differenzielle Leitungssysteme relevant, wie sie beispielsweise in Leiterkarten oder in Mehrdrahtleitungen genutzt werden.

 

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Quanten-Hall-Widerstandsnormal im Probensockel

 

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Sitz nahe Paris) haben eine Vereinbarung über eine wissenschaftliche Kooperation auf dem Gebiet der Metrologie des Quanten-Hall-Effekts getroffen. Im Rahmen dieser Kooperation liefert die PTB Quantennormale zur Darstellung der elektrischen Widerstandseinheit Ohm an das BIPM.

 

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Neuer koaxialer Steckverbinder

 

Die PTB hat als erstes nationales Metrologieinstitut weltweit die Rückführung für Streuparametermessungen mit dem neuen koaxialen Steckverbinder vom Typ 1,35 mm aufgebaut. Der Steckverbinder deckt Frequenzen bis zu 90 GHz ab und wird in den nächsten Ausgaben der relevanten IEEE- und IEC-Normen aufgenommen werden. Dies ist das Ergebnis einer Kooperation zur Entwicklung eines Verbinders für...

 

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Verbundprojekt »LamA-connect« entwickelt intelligente und BSI-konforme Steuerungs- und Abrechnungskonzepte für die Ladeinfrastruktur.
Wenn zu Spitzenzeiten viele Elektroautos gleichzeitig geladen werden, kann dies zu Netzüberlastungen führen. Im Verbundprojekt »LamA-connect« entwickelt die PTB zusammen mit insgesamt 11 Partnern unter Führung des Fraunhofer IAO Lösungen, die ein sicherheits-,...

 

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Lithographisch hergestellte planare Feldspule

 

Im Rahmen des von der PTB koordinierten Europäischen Forschungsprojekts „NanoMag“ wurden verschiedene Kalibrierverfahren zur Rückführung magnetischer Feldmessungen mit Ortsauflösung von einigen zehn Nanometern miteinander verglichen und validiert. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden kürzlich in der angesehenen Fachzeitschrift „Small“ publiziert.

 

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Logo des European Metrology Networks „Quantum Technologies“ (EMN-Q)

 

Die erste Generalversammlung des Europäischen Metrologienetzwerks zu Quantentechnologien (European Metrology Network Quantum Technologies, EMN-Q) fand am 15. Oktober 2019 in Berlin statt. Wesentliche Ziele des Netzwerks, an dem die PTB operativ und in leitender Funktion beteiligt ist, sind die Koordinierung metrologischer Aktivitäten in der Quantentechnologie und deren strategische Ausrichtung auf...

 

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Schaltplan Diskrete Transistorschaltung

 

Die hohe Präzision elektrischer Gleichstrommesstechnik beruht auf der Rückführung der Messgrößen auf Quantennormale, die typischerweise in Nationalen Metrologieinstituten wie der PTB eingesetzt werden. Bei der Kalibrierung von Spannungsnormalen ist die Unsicherheit der Weitergabe limitiert durch das inhärente Rauschen der als Transfernormale genutzten Zener-Dioden, deren Funktion auf einem...

 

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Kalibrierteiler KT24A

 

Für die Kalibrierung von Brückennormalen für die Dehnungsmessstreifen (DMS)-Messtechnik wurde in der PTB ein vollautomatisierter Messplatz fertiggestellt und für Kalibrierungen in Betrieb genommen. Der Messplatz basiert auf einem schrittmotorgesteuerten 8-dekadischen induktiven Spannungsteiler sowie einer Schrittmotorsteuerung für Brückennormale des Typs BN100 und weiteren per Rechner steuerbaren...

 

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Für die effizientere Kalibrierung von Kapazitäten im Bereich von 10 pF bis 1 nF wurde in der PTB eine automatisierte zweipolige Messbrücke (Z2-Brücke) aufgebaut. Damit wird der für den Brückenabgleich benötigte Zeitaufwand deutlich reduziert, und die Übertragung der Kalibrierergebnisse in die Auftragsverwaltung erfolgt nun ohne fehleranfällige händische Eintragungen.

 

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Untersuchungen Übertragungsqualität in einem 300-GHz-Datenlink unter Ausnutzung einer Wandreflexion

 

Der Bedarf an hohen Datenraten in der drahtlosen Kommunikation steigt rasant. Jenseits des derzeit diskutierten neuen Mobilfunkstandards der 5. Generation „5G“ werden Datenraten im Bereich von 100 Gbit/s jedoch nur realisierbar, wenn auch Bandbreite im unteren THz-Frequenzbereich verwendet wird. Hierfür sind neue Ansätze zur Datenübertragung erforderlich und eine Reihe technischer Hürden müssen...

 

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Der Ausbau der Windenergie an Land ist für das Gelingen der Energiewende eine zentrale Säule. Ein wesentlicher Faktor für die Windenergienutzung ist die Flächenbereitstellung. Raumnutzungskonflikte werden zunehmend zum Hemmnis des Ausbaus. Im Fokus des neuen Projektes RIWER steht der Raumkonflikt zwischen Windenergieanlagen (WEA) und Wetterradaranlagen (WRA) des Deutschen Wetterdienstes (DWD).

 

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Windkraftanlage mit PTB-Flugmessplattform

 

In der PTB ist es weltweit erstmals gelungen messtechnisch aufzuzeigen, wie, in welchem Maße und unter welchen Bedingungen Windenergieanlagen Einfluss auf die Signalintegrität von Flug-Navigationsanlagen haben. Diese Erkenntnisse machen ein Prognosewerkzeug möglich, das bei hunderten im „Genehmigungsstau“ steckenden Bauanträgen für eine schnellere Entscheidung sorgen könnte.

 

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Quasi-optischer Messaufbau

 

Im Frequenzbereich zwischen 80 GHz und 110 GHz wurde erstmals ein Messvergleich zwischen der leitungsgebundenen Hochfrequenzleistungsmessung im Rechteckhohlleiter einerseits und der Leistungsmessung eines gaußverteilten Freistrahls andererseits durchgeführt. Dabei wurde basierend auf den Messunsicherheiten der jeweiligen Leistungsdetektion unter Berücksichtigung der Transmissionsunsicherheit des...

 

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Messaufbau planare Streuparametermessungen

 

Das von der EU geförderte und von der PTB koordinierte EMPIR-Projekt PlanarCal ist nach einer Laufzeit von drei Jahren erfolgreich abgeschlossen worden. An dem aus 12 Partnern bestehenden Konsortium waren neben vier führenden europäischen Metrologieinstituten verschiedene europäische Universitäten und Forschungsinstitute sowie Messgerätehersteller und industrielle Anwender beteiligt.

 

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Schema PIM-Störfrequenz im Empfangsband (Rx)

 

Das Ziel des neuen Arbeitskreises „PIM-Interest Group“ ist es, die größten Herausforderungen zur Vermessung von Passiver Intermodulation (PIM) zu erfassen und zu bewältigen und damit den Ausbau des Mobilfunks (5G) sowie die Entwicklung von Satelliten nachhaltig zu unterstützen. Der Arbeitskreis setzt sich zusammen aus Vertretern von Industrie und renommierten nationalen und internationalen...

 

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Am 13. Mai 2019 fand in Ljubljana (Slowenien) der Start des durch EURAMET ins Leben gerufenen Europäischen Metrologienetzwerks „Smart Electricity Grids“ (EMN SEG) statt. Die PTB beteiligt sich an der operativen Arbeit und ist auch in den Leitungsgremien des Netzwerks vertreten. Kernziele des Netzwerks sind eine wirksamere Ermittlung des tatsächlichen metrologischen Forschungsbedarfs in der...

 

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Foto Breitbandiger Stromwandler

 

In der elektrischen Energieversorgung wird in den wichtigen Knotenpunkten des Übertragungsnetzes - den Hochspannungsstationen - zukünftig digitale Messtechnik eingesetzt. Die Sekundärsignale der eingesetzten Spannungs- und Stromwandler werden dabei digitalisiert und zeitgestempelt zu den ebenfalls digital arbeitenden Messgeräten übertragen. Hierzu wurde das europäische Metrologieforschungsprojekt...

 

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Für die Erzeugung von sehr stabilen und sauberen Gleichspannungen über eine Million Volt wurde eine Erzeugungseinrichtung geschaffen, welche neue Kalibriermöglichkeiten für hochfrequente Wechselspannungen und Gleichspannungen über 1000 kV eröffnet.

 

 

 

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Eichungen und Rückführungen von Messgeräten, die für Eichtätigkeiten verwendet werden, werden im gesetzlichen Messwesen auf der Basis von Verfahrensanweisungen durchgeführt. Diese Anweisungen werden von der Arbeitsgemeinschaft für Mess- und Eichwesen (AGME) erstellt und für Eichämter und staatlich anerkannte Prüfstellen zur Verfügung gestellt. Übergeordnetes Ziel ist es, eine deutschlandweit...

 

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Public-Key-Signaturverfahren

 

Das Mess- und Eichrecht sorgt in Deutschland dafür, dass beim Verkauf von Ladestrom abgerechnete Energiemengen richtig und für den Kunden nachvollziehbar gemessen werden. Als technische Maßnahme zur Erfüllung der eichrechtlichen Kundenschutzanforderungen setzen die Ladesäulenhersteller zunehmend sogenannte Public-Key-Signaturverfahren ein. Die Public-Keys werden jetzt mittels eines zwischen PTB...

 

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Harmonische Prüflast (HPL)

 

Die elektromagnetische Verträglichkeit zwischen am Stromnetz betriebenen Komponenten gewinnt zukünftig immer mehr an Bedeutung. Die PTB hat sich in einem Forschungsvorhaben mit weiteren Projektpartnern das Ziel gesetzt, ein Prüflastnormal zur rückgeführten Kalibrierung von Netzrückwirkungssystemen zu entwickeln und aufzubauen.

 

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Laborraum mit Messsystem

 

Elektrische Energie bzw. Arbeit ist ein wichtiges Wirtschaftsgut. Da die Messung der Energie als Grundlage für Abrechnungen verwendet wird, unterliegen die Messeinrichtungen sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen. Mit dem neu aufgebauten Prüfstand soll eine Möglichkeit geschaffen werden, elektronische Elektrizitätszähler auf ihre korrekte Arbeitsweise bei nicht-sinusförmigen Stromsignalen zu...

 

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Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines NanoSQUID-Chips

 

Im Reinraumzentrum der PTB wurden NanoSQUID-Schaltungen basierend auf Josephson-Kontakten der Schichtenfolge Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS) hergestellt. Gegenüber mit alternativen Technologien gefertigten Josephson-Kontakten zeichnen sich diese durch ihre besseren Rauscheigenschaften aus. Die neuen NanoSQUID-Sensoren werden künftig im Fachbereich „Biosignale“ der PTB für den Aufbau eines...

 

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Inbetriebnahme des „Echtzeit“-JAWS-Systems am NPL im Februar 2019

 

Schaltungen für das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal (JAWS) der PTB wurden im Rahmen des EMPIR-Projektes QuADC am National Physical Laboratory (NPL, nationales Metrologieinstitut von UK) in ein innovatives JAWS-System der nächsten Generation integriert. Damit kann der JAWS-Chip quasi in Echtzeit jedes beliebig geformte Eingangssignal mit hoher spektraler Reinheit quantisieren.

 

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Das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal der PTB ist so weit praxistauglich, dass es zu mehreren Metrologieinstituten transferiert werden konnte. Im Jahr 2019 wurden drei Systeme mit PTB-Unterstützung am VNIMM (Russland), am TÜBITAK (Türkei) und am BIRMM (China) erfolgreich in Betrieb genommen. Die pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormale der PTB sind somit bereits in neun Ländern im...

 

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2D-Farbdiagramm-Darstellung des Detektionsstroms

 

Mit einer neuentwickelten Mikrowellen-Tunnelkontaktschaltung ist es gelungen, die quantenelektrodynamischen Eigenschaften eines gekoppelten Systems bestehend aus einem Josephson-Oszillator und einem 80-GHz-Dünnschicht-Resonator sichtbar zu machen und auszumessen. Beobachtet wurden die sogenannten bekleideten Zustände des Systems, die sich im Bereich der Kreuzung der individuellen...

 

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Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Tagung Kryoelektronische Bauelemente (KRYO 2019)

 

Seit mehr als 35 Jahren werden bei der Tagung Kryoelektronische Bauelemente neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Supraleitungselektronik und der Kryotechnik vorgestellt und diskutiert. In diesem Jahr hat der Fachbereich „Quantenelektronik“ der PTB diesen Workshop ausgerichtet.

 

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Diagramm Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips

 

Zur Optimierung des in der PTB vorhandenen pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals (JAWS) wurden breitbandige On-Chip-Leistungsteiler weiterentwickelt, die eine optimale Übertragung der elektrischen Anregungspulse in parallele JAWS-Schaltungen ermöglichen. Mit Hilfe des Leistungsteilers sollen die Ausgangsspannung des JAWS-Systems erhöht werden und die Anzahl von Hochfrequenzkabeln, die zur...

 

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Kreisförmiger Prüfkörper

 

Die Elektronenstrahllithographie ist eine der Basistechnologien für die Fertigung von Quantennormalen in der Abteilung „Elektrizität“ der PTB. Darüber hinaus gibt es aber auch bei anderen Fachabteilungen der PTB und an Instituten der TU Braunschweig Bedarf an der Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen, der durch die Elektronenstrahllithographie im PTB-Reinraumzentrum bedient werden kann.

 

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Graphische Darstellung des Resultats einer rückgeführte Streufeldmessung

 

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes der PTB mit der Firma Matesy GmbH (Jena, D) wurde ein auf dem magnetooptischen Faraday-Effekt beruhendes System zur ortsaufgelösten Streufeldmessung rückgeführt kalibriert. Zudem wurden Simulationsalgorithmen entwickelt, die neben der schnellen Messung makroskopischer magnetischer Proben erstmals auch eine rückgeführte Charakterisierung mikroskaliger...

 

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Für die Messung von räumlich auf Nanometerskala variierenden magnetischen Feldverteilungen standen bislang keine international akzeptierten Messverfahren zur Verfügung. Das von der PTB geleitete und kürzlich erfolgreich abgeschlossene europäische Forschungsprojekt NanoMag schließt diese Lücke und ermöglicht zukünftig international vergleichbare Messungen von Magnetfeldverteilungen mit hoher...

 

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Stabilitätsdiagramm

 

Quantenpunkte sind ein Grundbaustein für halbleiterbasierte Quantentechnologien. Sie ermöglichen es, einzelne Elektronen in Halbleiterstrukturen zu lokalisieren und zu kontrollieren. Für viele Anwendungen muss ein bestimmter quantenmechanischer Zustand der Elektronen möglichst schnell initialisiert werden. An der PTB wurde hierfür eine neue Technik entwickelt, die auf der Kontrolle der Tunnelraten...

 

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des zum Einfangen ballistischer Elektronen verwendeten Einzelelektronenschaltkreises

 

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts SEQUOIA („Single-electron quantum optics for quantum-enhanced measurements“) wird in der PTB seit Mai 2018 an metrologischen Werkzeugen zur Charakterisierung des Quantenzustands einzelner Elektronen geforscht. Langfristiges Ziel dieser Arbeiten ist die Entwicklung räumlich und zeitlich hochauflösender Sensorik für die Messung elektrischer und...

 

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Schematische Darstellung einer atomar einlagigen Schicht Graphen

 

Durch Messungen auf mikroskopischer Skala konnte erstmals gezeigt werden, dass der elektrische Widerstand von auf Siliziumkarbid (SiC) gewachsenem Graphen erheblich von der Wechselwirkung mit der lokalen SiC-Kristallstruktur beeinflusst wird. Diese Ergebnisse ermöglichen zukünftig eine präzisere Kontrolle der Transporteigenschaften der atomar einlagigen Kohlenstoffschichten.

 

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e-SI-Amp-Logo

 

Am 20. und 21. März 2019 wurde in der PTB ein Workshop zum Thema "Ultrastable Low-Noise Current Amplifier (ULCA) in der Laborpraxis" durchgeführt. Der ULCA ist ein von der PTB entwickeltes und mittlerweile kommerziell verfügbares Instrument, welches die Messung und Erzeugung von kleinen Stromstärken mit höchster Genauigkeit ermöglicht.

 

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