Flexibles Josephson-Metrologiesystem

Josephson-Spannungsnormale basierend auf JAWS ermöglichen es, elektrische Spannungen mit beliebigen und spektral reinen Wellenformen „quantengenau“ zu erzeugen. Damit erschließt sich deren Einsatz für eine Vielzahl messtechnischer Anwendungen. Metrologieinstitute wie die PTB setzen JAWS bereits in einem weiten Frequenzbereich von wenigen Hertz bis zu etwa 1 MHz erfolgreich ein, beispielsweise als Referenz für Wechselspannungen, für den Aufbau neuartiger anwenderfreundlicher Impedanz-Messbrücken und zur Kalibrierung von Rauschverstärkern für das „elektronische Kelvin“.

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Technologietransferprojekts im Rahmen des Förderprogramms „TransMeT“ entwickelt die PTB zusammen mit zwei Industriepartnern ein auf JAWS basierendes neuartiges Produkt: Die JAWS-Source-Measurement-Unit (JAWS-SMU) kann nicht nur quantengenaue Spannungen erzeugen (Source-Betrieb), sondern im Measurement-Modus auch als höchstgenaues Messgerät für elektrische Gleich- und Wechselspannungen (Wellenformen) eingesetzt werden. Im Source-Betrieb können Messgeräte direkt durch das Anlegen einer wohldefinierten Spannung mit Genauigkeiten im nV/V-Bereich kalibriert werden. So wurden zum Beispiel das Linearitätsverhalten von Voltmetern für Gleichspannungen von 1 nV bis 100 mV vermessen und die Eigenschaften von Analog-Digital-Umsetzern mit Sinuswellen bis 100 kHz charakterisiert. Da das System zudem die Möglichkeit bietet, Signale mit genau definierter Phase zu erzeugen, kann es auch zur Kalibrierung von Phasennormalen eingesetzt werden. Im Measurement-Betrieb wird das Spannungssignal einer Quelle mittels JAWS kompensiert und die kleine Restspannung mit einem Nulldetektor gemessen. Durch den Bezug auf das Quantennormal können innerhalb von Minuten relative Messunsicherheiten im Bereich von 10 nV/V erreicht werden.

Da elektrische Quantennormale aufgrund ihrer praktischen Vorteile gegenüber konventionellen Systemen auch für industrielle Anwendungen attraktiv sind, etwa in Kalibrierlaboratorien, wurde die JAWS-SMU auch für den zuverlässigen Betrieb in „rauen“ Umgebungen konzipiert. Ein Prototyp wurde in der PTB bereits zur Demonstration von Präzisionsmessungen mit effektiven Ausgangsspannungen bis 100 mV eingesetzt. Im Rahmen von Vor-Ort-Tests im akkreditierten Kalibrierlabor des Projektpartners esz AG wird der Prototyp im nächsten Schritt für den praktischen Gebrauch optimiert und dann zu einem komplett automatisierten, anwenderfreundlichen Produkt weiterentwickelt. Die Kommerzialisierung wird vom Gerätehersteller und Projektpartner Supracon AG übernommen. Perspektivisch ist eine Erhöhung der Ausgangsamplituden auf 1 V geplant.