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Quantenvoltmeter für Wechselspannungen

Das in der PTB konzipierte Quantenvoltmeter für Wechselspannungen erreichte bereits in der Testphase eine Unsicherheit von 5 · 10–8 bei der Messung eines 400-Hz-Signals, einen zehn mal geringeren Wert als zuvor. Die bisher bei Gleichspannungs*kalibrierungen genutzte überragende Leistungsfähigkeit supraleitender Quanten*normale ist damit auch für die direkte Messung von Wechselspannungen verfügbar.

Teil einer Josephson-Reihen-Schaltung. Von links kommen die Mikrowellenleiter, von unten die Steuerleitungen für die einzelnen Segmente.

Zur Messung von Wechselspannungen im Niederfrequenzbereich nutzt man Abtastverfahren, bei denen die veränderliche Spannung wiederholt in schneller Folge gemessen („abgetastet“) wird. Der Verstärkungsfaktor und die interne Spannungsreferenz des Abtastvoltmeters begrenzen dabei jedoch die erreichbare Unsicherheit. Dies kann man praktisch vollständig vermeiden, wenn die abgetastete Spannung direkt mit der Spannung eines Josephson-Quantennormals verglichen wird, die bei einem Volt besser als 0,1 nV bekannt ist.

In einem in der PTB entwickelten und patentierten Verfahren wird diese Idee umgesetzt. Dazu synthetisiert man zunächst Wechselspannungen mit programmierbaren Josephson-Reihen-Schaltungen. Ein auf die Temperatur flüssigen Heliums abgekühlter Chip enthält 8192 mit einer Mikrowellenfrequenz von 70 GHz versorgte supraleitende Tunnelelemente, sogenannte Josephson-Kontakte. Sie sind auf Segmente mit 1, 2, 4, 8, 16 … Kontakten verteilt. Schaltbare Stromquellen steuern einzelne Segmente so an, dass sie quantisierte Teilspannungen erzeugen, die sich zur Gesamtspannung addieren. Da ein Schaltvorgang weniger als 100 ns benötigt, kann mit dieser schnell einstellbaren quantisierten Vergleichsspannung die sich langsamer ändernde Mess-Spannung jederzeit kompensiert werden. Durch präzise Synchronisierung des Synthesevorgangs mit der zu messenden Wechselspannung und einem Abtastvoltmeter bleibt die resultierende Differenzspannung immer sehr klein und kann mit hoher Empfindlichkeit bestimmt werden.

Mit neuen und bisher nur in der PTB hergestellten programmierbaren Josephson-Schaltungen können mittlerweile sogar Wechselspannungen mit Amplituden von 10 Volt synthetisiert werden, was eine Reihe zusätzlicher Anwendungen ermöglicht. Insbesondere aber sollte sich durch das größere Signal-Rausch-Verhältnis die erreichbare relative Messunsicherheit um eine weitere Größenordnung verringern.

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