Kalibrierung Spannungen 1000 Mal genauer messen

Der Aufbau für das AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter. Rechts im Bild erkennt man die Helium-Kanne, die in der nächsten Ausbaustufe durch einen Kleinkühler ersetzt werden soll.
Der Aufbau für das AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter. Rechts im Bild erkennt man die Helium-Kanne, die in der nächsten Ausbaustufe durch einen Kleinkühler ersetzt werden soll.

Die esz AG calibration & metrology entwickelt gemeinsam mit der Supracon AG Jena und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig das weltweit erste industriell genutzte AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter.

Unter dem Josephson-Effekt versteht man einen physikalischen Effekt, der den Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern beschreibt. Josephson-Kontakte sind sehr genaue Frequenz-zu-Spannung-Konverter. In der Metrologie nutzt man daher den sogenannten inversen Josephson-Effekt, um Spannungen sehr genau darstellen zu können. Bisher werden Josephson-Normale nur zur Gleichspannungsdarstellung eingesetzt. Mit dem AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter der esz AG können zusätzlich Wechselspannungen bis zu 7,19 V bei Frequenzen von 10 Hz bis 2 kHz gemessen werden. Durch das AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter ist es künftig möglich, die Messunsicherheiten bei Gleichspannung bis um den Faktor 1000 und bei Wechselspannungen um den Faktor 50 zu reduzieren.

Damit die Josephson-Elemente im supraleitenden Zustand bleiben, muss eine Betriebstemperatur von 4 K eingehalten werden. Bisher wird zur Kühlung flüssiges Helium eingesetzt. Doch da flüssiges Helium teuer und schwierig zu beschaffen ist, soll in der nächsten Ausbaustufe ein Kleinkühler eingesetzt werden. Dann kann der AC/DC-Josephson-Quantenvoltmeter kostengünstig und dauerhaft betrieben werden.

Das Josephson-System ist momentan im Labor der esz AG, um eine Reihe von Funktionstests und Messungen im industriellen Umfeld vorzunehmen. Im Anschluss geht das System zur Weiterentwicklung zum Quantenkalibrator für Strom, Spannung und Widerstand zur Supracon AG nach Jena zurück.

Der Josephson-Quantenkalibrator soll Ende 2016 fertig entwickelt sein.