Nachrichten aus dem Jahresbericht 2018

Die elektrische Quantenmetrologie ist eines der Schwerpunktthemen im neu bewilligten Exzellenzcluster „Quantum Frontiers“

Im Rahmen eines gemeinsam vom Bureau International de Poids et Mesures (BIPM) und dem National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) organisierten Workshops mit dem Titel "The next generation of ionization chambers for radionuclide metrology" kamen im September 2018 etwa 30 Experten aus den Bereichen Radionuklid- und Elektrizitätsmetrologie in Gaithersburg (USA) zusammen, um Optionen...

Ein neu entwickeltes Mikroskop ermöglicht die Charakterisierung magnetischer Nanostrukturen im Großen wie im Kleinen

Die Abteilung „Elektrizität“ hat eine deutschsprachige Fassung der vom Beratenden Komitee für Elektrizität und Magnetismus der Meterkonvention herausgegebenen Richtlinien für die Umsetzung des „revidierten SI“ erstellt.

Am 16. Mai 2018 fand das 311. PTB-Seminar "Aktuelle Fortschritte von Kalibrierverfahren im Nieder- und Hochfrequenzbereich" in Braunschweig statt. Das jährlich von der Abteilung Elektrizität der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt veranstaltete Seminar richtet sich mit Themen zur industriellen elektrischen Messtechnik an Kalibrierlabore und Firmen, die in diesem Bereich tätig sind.

Neue Normalwiderstände zeigen nach ihrer Herstellung eine relativ starke, nur langsam abklingende zeitliche Änderung ihres Widerstandswertes. Ursache dafür sind häufig mechanische Spannungen, die im Material sowohl des Widerstandes als auch des Gehäuses relaxieren. Bei der Herstellung versucht man, diese Spannungen mit verschiedenen Maßnahmen zu reduzieren, üblicherweise durch eine...

Ein neuer Messplatz für Linearitätsuntersuchungen von hochpräzisen Brückenverstärkern für Kraft- und Drehmomentmessungen ermöglicht es, die Abweichung der Brückenverstärkercharakteristik vom idealen linearen Verhalten mit einer erweiterten Messunsicherheit von 2 nV/V zu bestimmen. Der Messaufbau mit kaskadierten induktiven Spannungsteilern erlaubt für Spannungsverhältnisse eine Auflösung von...

Messungen in der Umgebung von verschiedenen Typen von Flugsicherungsanlagen haben bestätigt, dass Einflüsse von Windenergieanlagen auf die Signale dieser Systeme bestehen. Dies hat ein Forschungsprojekt unter Führung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ergeben.

Auf den Verkehrs- und Regionalflughäfen dienen Instrumentenlandesysteme (ILS) dazu, Präzisionsanflüge von Flugzeugen auch bei schlechten Sichtverhältnissen zu gewährleisten. Die Funktion der ILS wird turnusmäßig mit Hilfe von Messflugzeugen überwacht. Deren Antennenfaktoren wurden nun in einem gemeinsamen Projekt mit dem Bundesaufsichtsamt für Flugsicherung (BAF) untersucht und validiert.

Im Jahr 2018 wurde ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt gestartet, in dem, basierend auf den Ergebnissen des Projekts WERAN, eine verbesserte Prognose der Störwirkung von Windkraftanlagen insbesondere auf Doppler-Drehfunkfeuer entwickelt werden soll.

Im Rahmen einer Doktorarbeit an der PTB und einer weiteren Doktorarbeit zusammen mit der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg wird untersucht, wie moderne Nah-Fernfeld-Transformationsalgorithmen bei aktuellen Fragestellungen in der Antennenmesstechnik, beispielsweise der Kalibrierung intelligenter Antennensysteme, der Kalibrierung von Antennen in Kraftfahrzeugen oder bei der Vor-Ort-Vermessung...

Im Jahr 2018 wurde ein im Rahmen des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD) organisierter Ringvergleich für den Antennenfaktor erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse und daraus folgende Handlungsempfehlungen sind auf dem 311. PTB-Seminar "Aktuelle Fortschritte von Kalibrierverfahren im Nieder- und Hochfrequenzbereich 2018" und bei der Kleinheubacher Tagung 2018 der International Union of Radio...

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts PlanarCal ist es erstmalig gelungen, eine vollständige Messunsicherheitsbilanz für planare Streuparametermessungen auf industriellen Substraten im Frequenzbereich 1 bis 110 GHz aufzustellen. Die Methodik zur Aufstellung der Unsicherheitsbilanz wurde auf Quarzglas verifiziert und ist grundsätzlich auch auf andere Materialien übertragbar.

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 wird im Industry Call 2017 des…

Für die direkte Rückführung auf das Josephson-Normal wurde ein Gleichspannungsteiler aufgebaut, der mit Hilfe des Hamon-Prinzips den Skalierungsfaktor direkt bestimmt und somit rückführbare Hochspannungsmessungen ohne zusätzliche Zwischenschritte erlaubt.

Bei der Kalibrierung von Leistungsmessgeräten kommt das sogenannte Dummy-Load-Konzept zur Anwendung. Obwohl die hierbei genutzte Spannung und der verwendete Strom potenzialgetrennt sind und somit die tatsächlich umgesetzte Leistung weit unter der simulierten liegt, birgt die Verwendung von Strömen von bis zu 160 A ein nicht zu unterschätzendes thermisches Gefahrenpotential. Daher wird der Bereich...

Ladeeinrichtungen werden in Deutschland als Messgeräte betrachtet und müssen die Anforderungen des Mess- und Eichgesetzes (MessEG) und der Mess- und Eichverordnung (MessEV) erfüllen. Dies muss von einer Konformitäts-bewertungsstelle durch ein Zertifikat bescheinigt werden, die sogenannte Baumusterprüfbescheinigung. Die PTB hat als momentan einzige Konformitätsbewertungsstelle für den...

Die PTB hat sich in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus der Wirtschaft das Ziel gesetzt, ein Prüflastnormal (PLN) zur rückgeführten Kalibrierung von Netzrückwirkungsmesssystemen zu entwickeln.

Das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal wurde in einem "proof-of-principle" Experiment erfolgreich mit optischen Pulsen betrieben. Schnelle Photodioden (28 Gbit/s) wurden hierzu mittels Flip-Chip Technologie für einen Einsatz bei 4,2 K auf spezielle Carrier-chips kontaktiert.

Der Technologietransfer für das pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal zur Firma Supracon (Jena) ist im Rahmen des ZIM Projektes „Quantenkomparator“ erfolgreich gestartet.

An der PTB entwickelte Chips des pulsgetriebenen AC Josephson-Spannungsnormals (JAWS) wurden im Rahmen internationaler Forschungskooperationen nun auch Metrologie-Instituten in Russland, China und der Türkei zur Verfügung gestellt.

In einem „proof-of-principle“ Experiment wurde in einer Hybrid-Kombination ein JAWS Chip zusammen mit einem Pulsmuster-Generator-Chip (PPG-on-chip) und einem Pulsverstärker-Chip gemeinsam betrieben, die aber vorerst noch als passive Dummies ausgeführt waren.

Um das vorhandene pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal (JAWS) durch Reduzierung der Anzahl von HF-Kabeln und Erhöhung der Anzahl von aktiven Josephson-Kontakten effizienter zu machen, wurden On-Chip-Breitband-Leistungsteiler realisiert, die eine optimale Übertragung der Pulse in parallele Josephson-Schaltungen ermöglichen.

Ein im letzten Jahr neu installiertes Elektronenstrahl-Lithographiesystem wurde erfolgreich in die Fertigungslinie für Mikro- und Nanostrukturen integriert, die für die PTB und für Partnerinstitute im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden.  Ein Großteil der Herstellungsprozesse wurde bereits auf das neue Lithographiesystem portiert, und neue verbesserte Prozesse werden entwickelt.

Motiviert durch die dringende Nachfrage aus der Industrie wurde die Apparatur zur Charakterisierung von hartmagnetischen Materialien vollständig neu aufgebaut und ihre Funktionen deutlich verbessert. Die Anforderungen der Norm IEC 60404-5 werden nun mit geringerer Messunsicherheit bei besser reproduzierbaren Bedingungen erfüllt, so dass die PTB wieder in der Lage ist, Rückführung auf höchstem...

In magnetischen Tunnelkontakten ist es gelungen, mit akustischen Pulsen die Ausrichtung der Magnetisierung zu beeinflussen und sogar kohärent zu kontrollieren. Die akustischen Pulse wurden dabei in einem metallischen Kontakt oberhalb des Tunnelkontaktes durch Anregung mit Femtosekunden-Laserimpulsen erzeugt. Solche Methoden können sich für zukünftige Anwendungen, in denen die Magnetisierung auf...

In der PTB werden Hall-Sensoren mit minimalen aktiven Flächen von 50 x 50 nm² entwickelt, die zukünftig in Rastersondenmikroskopen genutzt werden können. Auf diese Weise soll eine Ortsauflösung bis 100 nm und eine Feldauflösung besser als 2 mT erreicht werden.

Im Rahmen des neuen EMPIR TOPS Projekts werden winzige magnetische Wirbel erforscht, sogenannte magnetische Skyrmionen. Das von der PTB koordinierte Projekt soll durch die Entwicklung von metrologischen Messmethoden zu Innovationen in der magnetischen Speicherung beitragen und den Weg für neue Quantennormale ebnen.

An der PTB wurde ein neues optisches Verfahren zur Messung von hochfrequenten Spannungssignalen mit einer Bandbreite von bis zu 500 GHz entwickelt. Damit kann im Vergleich zu konventionellen optischen Verfahren eine bis zu viermal höhere Frequenzauflösung erzielt werden.

Für die Validierung kleinster Stromstärken im Bereich von 100 pA wurde ein neuer Messaufbau realisiert. Neben der Verwendung eines speziellen ultrastabilen Stromverstärkers wurde dafür auch eine neue rauscharme Signalführung entwickelt.

Eine neues Wachstumsverfahren von Graphen, einer einzelnen Atomlage aus Kohlenstoffatomen, ermöglicht erstmals eine periodische Variation der elektrischen Dotierung. Ermöglicht wurde dies durch eine spezielle Wachstumstechnik, die die Eigenschaften der darunterliegenden Substratoberfläche auf atomarer Ebene kontrolliert.

Im Rahmen des EU-Forschungsprogramms „Future Emerging Technologies (FET)“ beteiligt sich die PTB an einem Projekt, in dem Möglichkeiten der neuen Materialklasse der topologischen Isolatoren für zukünftige technologische und metrologische Anwendungen ausgelotet werden.

Ein Forscherteam der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt wurde mit dem Helmholtz-Preis 2018 in der Kategorie "Anwendung" ausgezeichnet. Dr. Dietmar Drung (Abteilung 7), Dr. Martin Götz, Eckart Pesel und Dr. Hansjörg Scherer (alle Abteilung 2) erhielten den Preis, der als renommierteste Auszeichnung in Bereich der Metrologie gilt, für bahnbrechende Verbesserungen im Bereich der rückgeführten...

Unter Verwendung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) als Referenzstromquelle wurden vier handelsübliche Pikoamperemeter im Stromstärkebereich zwischen 1 fA (10^-15 A) und 1 μA (10^-6 A) kalibriert und hinsichtlich der Stabilität des Verstärkungsfaktors, des Rauschens, des Einschwingverhaltens sowie der Bürdenspannung umfassend charakterisiert. Basierend auf dem ULCA wurden...

Ein vom internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) geleiteter Schlüsselvergleich für Kapazität und Kapazitätsverhältnisse wurde erfolgreich abgeschlossen. Vergleiche sind ein Hauptinstrument der Metrologie, um die prinzipiellen Techniken und Methoden in dem jeweiligen Arbeitsgebiet zu testen und um die Äquivalenz der realisierten physikalischen Einheiten auf einem möglichst niedrigen...

In einer pulsgetriebenen Josephson-Impedanzmessbrücke können jetzt spektral sehr reine Sinusspannungen bis zu einem Effektivwert von 100 mV erzeugt werden. Diese Messbrücke der PTB ist aktuell die weltweit einzige Josephson-Impedanzmessbrücke, mit der Kapazitätsnormale direkt auf den Quanten-Hall Widerstand zurückgeführt werden können.

In einer neuen metrologischen Anwendung wurde ein Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) zur Messung spektraler Komponenten eines Signals eingesetzt. Dabei wurde für die verschiedenen spektralen Komponenten eine Auflösung von 1 nV erreicht.