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»Josephson-Präzision« jetzt auch für Wechselstrom

Mit dem Einsatz eines neuartigen Josephson-Spannungsnormals als schnell umpolbare Spannungsquelle können thermoelektrische Effekte in Thermokonvertern sehr genau ermittelt werden. Dadurch wird die relative Unsicherheit der Messung von Wechselspannungen und -stromstärken auf weniger als 10-7 verringert.

»Josephson-Chip« in einem Messaufbau zur Ermittlung der thermoelektrischen Effekte in Thermokonvertern. Der mit 75GHz betriebene Chip befindet sich in flüssigem Helium (unten). Die umpolbare Biasstromquelle (Bildmitte) versorgt den Chip und den zu prüfenden Thermokonverter (oben), dessen Ausgangsspannung mit dem Nanovoltmeter erfasst wird.

Die präzise Messung von Wechselspannungen und Wechselstromstärken wird mit Thermokonvertern durchgeführt. Dabei wird die von der Wechselgröße erzeugte Joulesche Wärme in einem Widerstand mit der von einem bekannten Gleichstrom über die Messung seiner Temperaturerhöhung verglichen. Thermoelektrische Effekte wie der Thomson-Effekt verändern allerdings das Temperaturprofil bei Gleichstrom. Diese Effekte können mit Hilfe einer schnell umpolbaren Gleichspannungsquelle nach der »Fast-Reversed-DC-Methode« (FRDC) bestimmt werden. Sie beruht darauf, dass der Thomson-Effekt stromrichtungsabhängig ist und das Temperaturprofil sich mit der thermischen Zeitkonstanten des Konverters verschiebt. Kehrt man die Stromrichtung um, so wird die Veränderung der Temperatur mit zunehmender Frequenz unterdrückt. Damit kann durch Variieren der Reversierfrequenz der Thomson-Effekt messtechnisch ermittelt werden.

Bisher wurde die umpolbare Spannungsquelle mit Halbleiterbauelementen realisiert, wobei positive und negative Amplitude genau abgeglichen werden mussten. Jetzt wurde sie erstmals mit einem Josephson-Array der Schichtenfolge Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter (SINIS) aufgebaut. Diese SINIS-Spannungsquelle zeichnet sich dadurch aus, dass sie mit der Präzision eines Quantennormals exakt gleiche Amplituden in beiden Polaritäten liefert. Zum Wechseln der Polarität wird jetzt der Biasstrom der Josephson-Elemente umgepolt. Wegen der Kennlinien-Hysterese erlauben herkömmliche Josephson-Elemente dagegen keine eindeutige Spannungseinstellung durch den Biasstrom.

Messungen an zwei unterschiedlichen planaren Vielfachthermokonvertern mit Reversierfrequenzen bis zu 200Hz zeigten thermoelektrische Effekte von weniger als 0,2µV/V. Wegen der quantisierten Spannung der Josephson-Schaltung ist die Streuung der Messwerte sehr gering.

Die Verwendung der Josephson-Spannungsquelle eröffnet zum einen die Möglichkeit, zukünftig Transfermessungen mit Thermokonvertern mit geringerer Messunsicherheit durchführen zu können. Zum anderen steigert die gute Übereinstimmung dieser neuen FRDC-Quelle mit einer bisher verwendeten Halbleiterquelle das Vertrauen in das FRDC-Messverfahren.

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