Science

Der Einzel-Elektronen-Transport durch einen Nano-Kanal mit Hilfe akusto-elektrischer Wellen wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht mit dem Ziel, ihn als Quantenstandard für die Einheit ’Ampere’ nutzbar zu machen. Als Kernproblem auf dem Weg dorthin wurde die zu hohe Temperatur sowohl des Kristallgitters, in dem die Elektronen sich bewegen, als auch des Elektronenensembles selbst erkannt. Die Überhitzung des Elektronenensembles kommt dadurch zustande, dass man mit sehr hohen akustischen Leistungen arbeiten muss, um die Elektronen über eine Potentialbarriere im elektrisch blockierten Kanal zu transportieren. Die Elektronen nehmen dabei Überschussenergie auf, die in Wärme umgesetzt wird.

Wir konnten nun erstmals nachweisen, dass auch bei kleinen akustischen Leistungen ein quantisierter Elektronentransport möglich ist, wenn ein fast offener Kanal benutzt wird. Für diesen Nachweis nutzten wir die elektronischen Eigenschaften des...

Die Europäische Messgeräterichtlinie wird im Jahr 2006 durch das Gesetz über das Mess- und Eichwesen und die Verordnung über das Mess- und Eichwesen in deutsches Recht umgesetzt werden. Für Messgeräte, mit welchen im geschäftlichen Verkehr die elektrische Energie oder Leistung bestimmt wird, wird eine aus Modulen bestehende Konformitätsbewertung eingeführt werden. In der PTB laufen Vorbereitungen, um den Herstellern von Elektrizitätszählern, Zusatzeinrichtungen und Messwandlern die vorgesehenen Module so früh wie möglich anbieten zu können, damit diese Geräte ab dem 31.10.2006 wahlweise nach dem neuen Verfahren in Verkehr gebracht werden können (Übergangsfrist bei vorhandenen Zulassungen bis längstens 30. Oktober 2016).

In der PTB ist es gelungen, durch rein optische Anregung elektrische Ströme in Halbleiterstrukturen zu erzeugen. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass kein elektrisches Feld benötigt wird, in dem Ladungsträger beschleunigt werden. Im übertragenen Sinn entspricht dies einem Stromfluss ohne Spannungsquelle. Solche Methoden können künftig unter anderem in der hochfrequenten Signalverarbeitung wichtig werden.

Für die Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten ist es wünschenswert, ultrakurze Strompulse zu erzeugen, deren zeitliche Form man beliebig variieren kann. Bisherige Methoden zur Generation von wenigen 100 fs langen Strompulsen basieren auf einer Mischung von elektronischen und optischen Verfahren und lassen diese Möglichkeit nicht zu. Der PTB ist es nun gelungen, ultrakurze Strompulse mit rein optischen Methoden zu erzeugen. Mit diesem Verfahren ist eine Variation der Form dieser Strompulse prinzipiell...

Zu Beginn der Untersuchungen des Quanten-Hall-Widerstandes mit Wechselstrom (AC) vor einigen Jahren wurden Widerstandsplateaus gemessen, die nicht nur gekrümmt waren, sondern außerdem Frequenz- und Stromabhängigkeiten aufwiesen. Zudem traten zahlreiche Diskrepanzen zwischen den Messergebnissen verschiedener Staatsinstitute auf, so dass der AC-Quanten-Hall-Effekt in dieser Form noch nicht geeignet erschien, daraus einen AC-Kapazitätsstandard abzuleiten, wie es das ursprüngliche Ziel des Projekts war.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit den Metrologieinstituten NRC (Kanada) und METAS (Schweiz) wurden diese Diskrepanzen inzwischen aufgeklärt. Außerdem wurden Messbrücken entwickelt, die zum ersten Mal die präzise Messung des AC-Längswiderstandes auf beiden Seiten einer Quanten-Hall-Probe erlauben. Zusammen mit Messungen des AC-Kontaktwiderstandes können somit erstmals all jene Größen mit Wechselstrom gemessen werden, die auch im...

Zur Zeit werden in der PTB Induktivitätsnormale des DKD und der Industrie mit hohem zeitlichen Aufwand in einer Maxwell-Wien Brücke kalibriert. Um den Aufwand zu reduzieren, soll die Kalibrierung zukünftig durch Vergleich mit Induktivitätsnormalen der PTB in einem 1:1 Komparator erfolgen. Die Kalibrierung der PTB-Normale in der Maxwell-Wien Brücke kann dann in größeren Zeitabständen erfolgen. Voraussetzung für dieses Verfahren ist allerdings eine hohe zeitliche Stabilität der PTB-Normale.

Die vorhandenen Induktivitätsnormale vom Typ GR 1482 haben einen recht großen Temperaturkoeffizienten von 30•10-6/K (typisch). Daher muss bei Raumtemperaturschwankungen von ± 0,5 K mit Änderungen der Induktivitätswerte von 15•10-6 gerechnet werden. Um diese Änderungen zu reduzieren, wurden für die Induktivitätsnormale kompakte Thermostate entwickelt, die die Temperatur im Inneren auf ungefähr 20 mK konstant halten. Die temperaturbedingten, relativen...

Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormale bestehen aus Strommesswiderständen (Shunts) mit nachgeschalteten Thermokonvertern. In der PTB werden dafür planare Vielfachthermokonverter verwendet, die sich durch eine hohe Ausgangsspannung und einen großen Dynamikbereich auszeichnen. Ihre Transferdifferenzen betragen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz nur wenige 10-6, und die Abhängigkeit von der Messstromstärke ist vernachlässigbar gering. Die verwendeten Shunts sind für hohe Frequenzen optimiert.

Die Kalibrierung von Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormalen für höhere Stromstärken erfolgt ausgehend von einem berechenbaren Vielfachthermokonverter [1] für 10 mA bis 30 mA durch Aufbaumessungen. Dabei wird das Normal für die nächst höhere Nennstromstärke bei 10 % bis 30 % seiner Nennstromstärke gegen das entsprechende Normal eingemessen. Voraussetzung für das Aufbauverfahren ist die Unabhängigkeit der Transferdifferenz von...

Zur Verbesserung der Wechselspannungs-Präzisionsmesstechnik sind programmierbare 10-V-Josephson-Schaltungen besonders erwünscht. Für die Erzeugung und Messung von elektrischen Spannungen bis 10 V werden etwa 70.000 Josephson-Kontakte benötigt, die bei einer Mikrowellen-Frequenz von etwa 70 GHz betrieben werden.

Ein fundamentales Problem der bislang hergestellten 1-V und 10-V-Schaltungen sind eine geringe Zahl (ca. 1 ‰) von kurzgeschlossenen Kontakten bzw. von Kontakten mit einer gegenüber dem Durchschnitt um den Faktor 2 bis 5 erhöhten Stromdichte. In diesen Fällen ist es fast unmöglich, einen Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungskennlinie des Arrays zu definieren, für den alle Einzelkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung eine quantisierte Spannung (Shapirostufe) ausbilden. Dieses Problem konnte gelöst werden, indem ein entscheidender technologischer Schritt bei der Strukturierung der Kontakte modifiziert wurde: Das Entfernen der beiden...

In Getrieben, Motoren und Bremssystemen (ABS) moderner Kraftfahrzeuge, aber auch in Werkzeugmaschinen und Elektromotoren werden in zunehmendem Maße magnetische Multipolräder als Signalgeber verwendet, wobei als Signaldetektoren magnetoresistive oder Hall-Sensoren benutzt werden. Auf Anfrage eines Herstellers solcher Sys-teme wurde in der PTB eine Messprozedur konzipiert, um der hausinternen Qualitätskontrolle reproduzierbare und rückführbare Messungen zu ermöglichen. Dazu muss an einem als Referenz deklarierten, axialen Hall-Sensor der Abstand von der Stirnfläche des Sensorgehäuses zum aktiven Sensorelement im Gehäuse, der mit etwa 400 ± 250 µm spezifiziert ist, mit einer Unsicherheit < ± 10 µm ermittelt werden.

Die dafür in der PTB neu entwickelte, numerisch gesteuerte Messanlage basiert auf einer Feldspule, deren axiales Feldprofil im Spulenzentrum einen Nulldurchgang aufweist, und auf zwei geätzten planaren Induktionsspulen...

Die zunehmende Anzahl von nichtlinearen Lasten in den elektrischen Versorgungsnetzen (zum Beispiel Personal-Computer, Motorsteuerungen, Mikrowellenöfen, Leuchtstofflampen, große industrielle Gleichrichteranlagen) führt zu einer Vielzahl von Störungen im Netz. Messtechnische Lösungen zur Ermittlung des Energieverbrauchs gingen jedoch bislang überwiegend von sinusförmigen Signalen aus, wodurch der verrechnete Verbrauch unter Umständen nicht korrekt gemessen wird.

Hinzu kommt, dass die Deregulierung des Strommarktes und die Dezentralisierung der Energieerzeugung neue Anforderungen hinsichtlich der Energieversorgungsqualität stellen. Für die PTB ergab sich die Aufgabe, die so genannten NetzqualitätsParameter auf SI-Einheiten rückzuführen, z.B. für Parameter wie Flicker (Spannungsschwankungen durch Laständerungen im Netzsystem), Spannungseinbrüche- und Überhöhungen, harmonische Oberschwingungen, Zwischenharmonische und zeitlich...

Wechselstrom-Messungen des Quanten-Hall-Widerstandes an verschiedenen Staatsinstituten zeigten in früheren Jahren zahlreiche Diskrepanzen. Im Rahmen einer Zusammenarbeit der PTB mit dem NRC (Kanada) und dem METAS (Schweiz) wurden jedoch viele dieser Diskrepanzen aufgeklärt.

Die Charakterisierung von Quanten-Hall-Effekt-Proben (QHE-Proben) erfordert Messungen des sogenannten Längswiderstandes auf der im Potential niedrigen (Low) und der im Potential hohen (High) Seite der Proben. Solche Messungen mit Gleichstrom (DC) liefern wesentliche Qualitätskriterien für zuverlässige Widerstandskalibrierungen und werden seit vielen Jahren durchgeführt.

Entsprechende Messungen sind auch für Anwendungen des QHE mit Wechselstrom (AC) notwendig. Die Messung des AC-Längswiderstandes auf der Low-Seite einer QHE-Probe ist relativ unkompliziert und gelingt schon seit längerem. Die ebenso wichtige Messung auf derHigh-Seite galt dagegen bisher als...