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Weiterentwicklung des AC Quantenvoltmeters zum Quantenkalibrator

24.11.2016

Das AC-Quantenvoltmeter, ein auf dem Josephson-Effekt beruhendes Gleich- und Wechselspannungsmesssystem, wurde bereits früher zu einem industriellen Kalibrierlabor transferiert und dort akkreditiert. Im Rahmen eines Technologietransferprojekts wurde es zu einem Quantenkalibrator weiterentwickelt. Dafür wurden nur in Kalibrierlaboren ohnehin zur Verfügung stehende Geräte eingesetzt.

 

 

 

In Zusammenarbeit mit zwei Industriepartnern, der Supracon AG und der esz AG, und in Weiterführung eines vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Technologietransferprojekts wird ein Quantenkalibrator entwickelt, der die Kalibrierung der elektrischen Größen Spannung, Widerstand und Stromstärke bei Gleich- und Wechselspannung über einen weiten Wertebereich abdeckt. Aufwendige Kalibrierungen ansonsten erforderlicher Sekundärnormale werden durch die direkte Rückführung auf einen quantenmechanischen Effekt überflüssig. Außerdem werden dabei auch hervorragende Messunsicherheiten in deutlich kürzerer Zeit erreicht.


Durch die Kombination bekannter Normalwiderstände mit dem Quantenvoltmetersystem können Stromstärken sowie andere Widerstände kalibriert werden. Das System ist in der Lage, mit lediglich 4 Normalwiderständen einen Stromstärkebereich von 6 Dekaden, 1 µA bis 1A, und einen Widerstandsbereich von 7 Dekaden von 100 mΩ bis 1 MΩ in kürzester Zeit zu kalibrieren. Für die Kalibrierungen erzeugt ein kommerzieller Kalibrator (Fluke 5720) einen konstanten Strom, jeweils durch einen bekannten und einen unbekannten Widerstand. Die abfallenden Spannungen werden jeweils gegen die Josephson-Spannung kalibriert und aus den so gewonnenen Spannungsverhältnissen die Widerstandsverhältnisse bestimmt. Für DC Widerstände werden relative Messunsicherheiten von besser als 10-7 erreicht.


Zurzeit werden die Messroutinen für Wechselspannungsgrößen optimiert. In ersten Testmessungen wurden bereits vielversprechende Genauigkeiten von 1 µV/V und weniger im Frequenzbereich von 25 Hz bis 1 kHz erreicht und das in einer 60-mal kürzeren Messzeit im Vergleich zu den üblichen Verfahren mit Thermokonvertern.

 

Quantenkalibrator

Bild: Aufbau des Quantenkalibrators und eines kommerziellen Präzisionsmessgerätes zur Kalibrierung (Bildmitte, unten).