Technologietransfer eines Josephson-Messsystems für Gleich- und Wechselspannungen

Die PTB entwickelt im Rahmen eines Technologietransferprojektes ein neues AC-Quantenvoltmeter zur Etablierung von quantenbasierten Wechselspannungsnormalen für Kalibrierungen in der Industrie. Ein Prototyp wurde jetzt für Wechselspannungsfrequenzen bis 4 kHz erfolgreich getestet.  

In einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Technologietransferprojekt der PTB mit zwei Industriepartnern wird ein Josephson-Messsystem für Gleich- und Wechselspannungen
– ein AC-Quantenvoltmeter – für den Einsatz in industriellen Kalibrierlaboratorien entwickelt.
Mit diesem neuen System werden die wesentlichen Vorteile von Normalen, die auf elektrischen Quanteneffekten basieren, nun auch für industrielle Laboratorien verfügbar: Kleinste Messunsicherheiten ohne auf wendige Rekalibrierungen verbessern die Leistung bei erhöhter Wirtschaftlichkeit.  

Das System basiert auf Josephson-Schaltungen, die in der PTB hergestellt werden, und ist für Spitzenspannungen bis ± 10 V und Frequenzen bis 10 kHz ausgelegt. Mit einem Prototyp konnten
in der PTB bereits Wechselspannungen von 10 Hz bis 4 kHz gemessen werden, wobei Unsicherheiten von wenigen μV/V innerhalb einer Minute Messzeit erreicht wurden. Damit ist das neue AC-Quantenvoltmeter etwa 20-mal genauer als übliche Kalibratoren und dabei 60-mal schneller als bislang übliche Messverfahren mit Thermokonvertern.  

Das AC-Quantenvoltmeter kann darüber hinaus auch kommerzielle Gleichspannungsnormale (DC-Referenzen und -Voltmeter) kalibrieren und deckt damit ebenfalls den Bereich kommerziell erhältlicher Gleichspannungs-Quantenvoltmeter ab.
Bei einem direkten 10-V-Vergleich zwischen einem DC-Quantenvoltmeter und dem neuen AC-Prototyp wurde in 15 Minuten Messzeit innerhalb der Unsicherheit von 0,1 nV/V keine signifikante Abweichung festgestellt.  

Durch Vor-Ort-Tests im akkreditierten alibrierlabor des Projektpartners esz AG wird das neue AC-Quantenvoltmeter jetzt für den praktischen Gebrauch optimiert. Unter Einbeziehung von Anwenderinformationen wird es zu einem
komplett automatisierten, anwenderfreundlichen Messsystem weiterentwickelt.

Wesentliche Zielspezifikation ist eine relative Unsicherheit von 2,5 μV/V bei 1 kHz. Die Entwicklung verfolgt ein modulares Konzept, welches in Zukunft eine Erweiterung des Systems bis hin zu einem universellen „Quantenkalibrator“ für Spannungs-, Widerstands- und Stromstärkenormale ermöglichen soll.  

Die Supracon AG (Gerätehersteller) als weiterer Projektpartner wird die an schließende Kommerzialisierung übernehmen.


Wissenschaftliche Veröffentlichung
J. Lee, R. Behr, L. Palafox, A. Katkov,
M. Schubert, M. Starkloff, A.C. Böck: An
AC quantum voltmeter based on a 10 V
programmable Josephson array. Einge-
reicht bei Metrologia (2013)