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Mechanik und Akustik

Elektrizität

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ElektrizitätDie Abteilung Elektrizität hat sich im Rahmendes Konzepts PTB 2016 einer umfassendenAufgabenkritik unterzogen, die praktisch alleAufgabenbereiche der Abteilung einbezogenhat. Ziel dieses Konzepts war es, wichtigezukünftige Aufgabenbereiche rechtzeitig zuerkennen und die erforderlichen Ressourcenfür ihren Ausbau bereitzustellen. Dies ließsich nur durch Rationalisierungsmaßnahmenbei den Kalibrieraufgaben im Gebiet Gleich-strom und Niederfrequenz sowie eine Redu-zierung von nicht mehr im Vordergrundstehenden Forschungs- und Entwicklungs-aufgaben bewerkstelligen. Die Abteilung hateinen großen Teil dieser Maßnahmen bereitsumgesetzt und glaubt, damit für die Zukunftgut aufgestellt zu sein. Nachfolgend werdendie wichtigsten Forschungsergebnisse derAbteilung vorgestellt, geordnet nach denGeschäftsbereichen der PTB.

Grundlagen der Metrologie

Josephson-Arrays mit SNS-Kontakten zeich-nen sich durch eine einfache, robuste Techno-logie aus, besaßen aber bisher den Nachteil,dass sie nur bei niedrigeren Treiberfrequen-zen (20 GHz) betrieben werden konnten unddamit bei gleicher Kontaktzahl auch deutlichgeringere Ausgangsspannungen lieferten. InKooperation mit dem NIST ist es jetzt erstma-lig gelungen, eine am NIST entwickelte Tech-nologie zur Herstellung von SNS-Kontakten,die bei höheren Frequenzen betrieben werdenkönnen, mit dem in der PTB entwickelten

Schaltungsdesign zu kombinieren und damitArrays für den Einsatz bei höheren Frequen-zen (75 GHz) zu entwickeln. Ein erster Proto-typ für ein 1-V-Array wurde bereits erfolg-reich getestet und kann in Zukunft die sehrviel aufwendigeren SINIS-Arrays ersetzen.

SNS-Kontakte eignen sich auch sehr gut fürpulsgetriebene Josephson-Spannungsnormalezur Erzeugung beliebiger Wellenformen beihöheren Frequenzen. Voraussetzung dafür istdie Herstellung kompakter Reihenschaltun-gen mit einer möglichst hohen Anzahl vonKontakten auf kleinster Fläche. Das in derPTB entwickelte Design mit mäanderförmigerAnordnung der Kontakte erfüllt diese Forde-rungen (Bild 1). Mit mehr als 10 000 Kontak-ten auf einer Grundfläche von weniger als0,1 mm2 konnte eine sinusförmige Spannungvon über 200 mV bei einer Frequenz von2,5 kHz erzeugt werden. Ein weiteres Merk-mal für pulsgetriebene Josephson-Schaltun-gen ist die Spektralreinheit. In Zusammenar-beit mit dem NMi-VSL, Niederlande, konntedie Unterdrückung unerwünschter Ober-schwingungen etwa um einen Faktor 2 aufmehr als – 80 dBc verbessert werden.

Bild 1: Schema und Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen einer mäanderförmigen SNS-Schal-tung

Mit dem Nachweis, dass Quanten-Hall-Widerstände mit geringer Unsicherheit auchbei Wechselstrom zu verwenden sind, lässtsich die Messkette zur bewahrten Kapazitäts-einheit deutlich vereinfachen. Das Herzstück

TitelbildCollage aus den Forschungsgebieten der Abtei-lung im Querschnittsprojekt THz-Metrologie (vonlinks oben nach rechts unten)• Demonstrator für eine Datenübertragung mit

GBit/s bei 300 GHz• Ausbreitung von THz-Signalen in Innenräu-

men• Gentoxische Untersuchungen von THz-

Strahlung• PTB-Normal für die Anstiegszeitmessung• Versuchsaufbau zur rein optischen Generie-

rung von Stromimpulsen

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bildet eineQuadraturbrücke,in der zwei Quan-ten-Hall-Wider-stände (12,9 kΩ)direkt mit zweiKondensatoren(10 nF) verglichenwerden können(Bild 2). Diesesverkürzte Verfah-ren bietet eineganze Reihe von

Vorteilen: Reduzierung des thermischenRauschens durch Messung bei Helium-Tem-peraturen, Umgehung berechenbarer AC/DC-Transferwiderstände, keine Spannungs-sprünge in der Kette, d.h., kein Einfluss derSpannungsabhängigkeit der Kapazitäts-normale.

Für den kontrollierten Transfer einzelnerElektronen wurde eine Quantenschaltung aufder Basis einer niedrigdimensionalenHalbleiterstruktur entwickelt, in der einzelneElektronen mit nur einer Modulations-spannung gepumpt werden können. Dabeiwird ein neuer, nicht-adiabatischer Pump-mechanismus ausgenutzt. Theoretische Be-trachtungen sagen voraus, dass mit diesemKonzept metrologisch relevante Unsicherhei-ten erzielt werden können. Da nur eineModulationsspannung zum Betrieb derEinzelelektronenpumpe erforderlich ist, wirddie Beschaltung der Pumpe erheblich verein-facht. Dies soll in Zukunft ausgenutzt wer-den, um mehrere Pumpen in einer komplexe-ren Quantenschaltung parallel zu betreibenund dadurch die Stromstärke weiter zu erhö-hen (s. a. Nachricht des Jahres).

Mit dem Projekt Electron Counting Capacit-ance Standard (ECCS) leistet die Abteilungihren Beitrag zur Redefinition der BasiseinheitAmpere. Bei diesem Experiment wird einKondensator mit einer bekannten Anzahl vonElektronen geladen und die dabei entstehen-

de Spannung mit einem Josephson-Spannungsnormal gemessen (Bild 3). DurchRückführung der Kapazität auf die von-Klitzing-Konstante kann die Konsistenz derdrei fundamentalen elektrischen Quanten-effekte (Quanten-Hall-, Josephson- sowieEinzelelektronen-Effekt) überprüft undschließlich das „Elektrische Quantendreieck“realisiert werden. Dies gilt als wichtigerMeilenstein auf dem Weg zu einem modifi-zierten Einheitensystem, das sich weitgehendauf Quanteneffekte und Fundamental-konstanten abstützen wird. Im Berichtsjahrwurden gute Fortschritte erzielt: Mit einer inder PTB hergestellten fünfstufigen Einzel-elektronenpumpe konnte bei einer Takt-frequenz von 2 MHz eine quantisierte Strom-stärke von 320 fA realisiert werden. Der in derPTB entwickelte kryogene Kondensator zeigtbei Temperaturzyklen zwischen Raum-temperatur und Tieftemperatur nur sehrgeringe Änderungen seines Wertes, er wirdgegenwärtig auf einen dekadischen Wert von1 pF abgeglichen. Ein erstes komplettes Lade-experiment soll in Kürze durchgeführt wer-den.

Bild 3: Tieftemperatur-Messeinheit des ECCS-Ex-periments

Magnetische Speicher und Sensoren begegnenuns in den verschiedensten Bereichen destäglichen Lebens. Wie überall in derInformationstechnologie werden solcheMagnetspeicher und -sensoren in Zukunftimmer schneller arbeiten müssen. Damitsteigen auch die Anforderungen an dieMesstechnik etwa zur Untersuchung derSchreibgeschwindigkeit von Magnetspeichernoder zur Ansprechzeit magnetischer Sensoren.In der PTB wurde dafür ein Verfahren entwik-kelt, mit dem die Magnetisierungsdynamik in

tBild 2: Doppel-probenhalter für zweiQuanten-Hall-Wider-stände zum Einsatzin einer Quadratur-brücke

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Elektrizität

Querschnittsthema„Terahertzmetrologie“

An dem im Rahmen des Konzepts PTB 2016geschaffenen Querschnittsthema Terahertz-Metrologie sind die Abteilungen Temperaturund Synchrotronstrahlung sowie die AbteilungElektrizität mit insgesamt 6 Fachbereichenbeteiligt. Die THz-Metrologie soll die Lückezwischen der Mikrowellentechnik und deroptischen Messtechnik im fernen Infrarotschließen und damit rückführbare Messungenfür Leistung und Feldgrößen für so wichtigeAnwendungsbereiche wie Sicherheitstechnik,Kommunikationstechnik, Materialprüfung,Biotechnologie und medizinische Bildgebungliefern.

Die Forschungsaktivitäten der Abteilung (s. a.Titelbild) konzentrieren sich zur Zeit auf

• die Leistungsmessung im mm- und sub-mm-Wellenbereich in Hohlleitern sowie imFreifeld

• die Entwicklung von Sende- undEmpfangssystemen sowie die Untersu-chung der Ausbreitung von THz-Wellen inRäumen

• die Untersuchung gentoxischer Effekte vonTHz-Strahlung im Rahmen eines BfS-Vorhabens in Zusammenarbeit mit Univer-sitäten und Forschungseinrichtungen

• die Entwicklung rückgeführteroptoelektronischer Messmethoden für dieÜbertragungseigenschaften elektronischerBauteile und Geräte bis 110 GHz sowie

• die Erzeugung rein optisch erzeugterStromimpulse für maßgeschneiderte Test-signale im THz-Bereich.

In einer aktuellen Studie des „TerahertzCommunication Lab“, einer Zusammenarbeitdreier Institute der TU Braunschweig und derPTB, wurden die Reflexionseigenschaften vonrauhen Innenwandmaterialien bei THz-Frequenzen untersucht und mathematischmodelliert, um die Übertragungseigen-schaften für zukünftige Kommunikationssy-steme berechnen zu können. Aufgrund deszunehmenden Bedarfs an freier Bandbreite

magnetischen Nanostrukturen durch eineeinfache elektrische Messung des anisotropenMagnetowiderstands detektiert werden kann(Bild 4), mit dessen Hilfe diePräzessionsbewegung der Magnetisierung ineine Änderung des elektrischen Widerstandesder Struktur umgesetzt wird.

Die PTB entwickelt gemeinsam mit der Uni-versität Göttingen ein Verfahren, um dieMagnetisierung und das Magnetfeld kleinsterStrukturen quantitativ und rückgeführt zubestimmen. Dabei werden Magnetooptik undMagnetkraftmikroskopie kombiniert, wobeidie Magnetooptik bei moderater Auflösungdie rückgeführte Messung magnetischerFelder erlaubt und die Magnetkraftmikros-kopie die hohe Auflösung ermöglicht. Miteiner neu entwickelten mathematischenMethode wird aus den magnetooptisch ge-messenen Streufeldverteilungen auf diediesen zugrunde liegende Magnetisierungrückgeschlossen. Diese Information erlaubtdann die Charakterisierung vonKalibrierproben für die Magnetkraftmikros-kopie, was erstmals rückgeführte magnetischeMessungen auch mit dieser extrem hochauflösenden Methode ermöglichen wird.

Bild 4: Elektrische Messung der Präzession in ei-ner magnetischen Nanostruktur. Der obere Teil derAbbildung zeigt die gemessenen Daten, der unte-re Teil eine Simulation

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nimmt die Bedeutung kurzreichweitigerKommunikationssysteme im Frequenzbereichoberhalb von 300 GHz ständig zu. Vorausset-zung dafür ist die Kenntnis der Ausbreitungs-und Empfangseigenschaften dieser Wellen inInnenräumen.

Unter Ausnutzung nichtlinearer optischerEffekte in GaAs-basierten Nanostrukturen istes möglich, durch rein optische Anregung miteinem Femtosekundenlaser ultrakurze elektri-sche Stromimpulse zu erzeugen, die zurAbstrahlung elektromagnetischer Wellen mitFrequenzen im THz-Bereich führen. DieseStröme entstehen durch die Symmetrie-brechung in den Halbleiterstrukturen undzeigen eine starke Erhöhung an speziellenResonanzen, die von der Coulomb-Wechsel-wirkung zwischen Elektronen und Löchernherrühren. Die induzierten Stromimpulsewurden indirekt durch Detektion der gleich-zeitig emittierten Terahertz-Strahlung nachge-wiesen.

Metrologie für die Wirtschaft

Ein in Zusammenarbeit mit dem NPL entwik-kelter Josephson Waveform-Synthesizerwurde benutzt, um eine „in-situ“-Kalibrie-rung des Abtast-Voltmeters im PTB-Primär-normal für die elektrische Leistung durchzu-führen. Damit wird nicht nur die Unsicherheitder Messungen reduziert, sondern auch dieRückführbarkeit der im Normal vorgenom-menen Spannungsmessungen gewährleistet.

Im Rahmen eines vom BMWi gefördertenMNPQ-Vorhabens wird in Zusammenarbeitzweier mittelständischer Unternehmen undder PTB ein universelles Leistungs-Transfer-normal entwickelt. Das System verfügt übermehrere synchron arbeitende Analog-Digital-Wandler, kompakte Transduktoren sowieeine schnelle Datenerfassung und -aufberei-tung (Bild 5). Es wird über einen Rechnergesteuert und erlaubt eine automatischeKalibrierung gegen ein Bezugsnormal. Einsolches Transfernormal ist zur Zeit noch nichtkommerziell erhältlich und ist wegen seinerhohen Genauigkeit und vielseitigen Funktio-nalität von erheblichem Interesse für dieWechselstrommesstechnik. Das Gerät erlaubtauch einen direkten Vergleich mit einemJosesphson Waveform Synthesizer für eineRückführung der Einheiten kW und kWh aufNaturkonstanten.

Für die Kalibrierung von Stromstärkemess-geräten für kleinste Stromstärken hat sich einVerfahren durchgesetzt, das auf dem Ladeneines Luftkondensators beruht. Dabei wirdeine zeitlich linear ansteigende Spannung aneinen Kondensator angelegt, und der sichdabei ergebende Ladestrom wird zum Kali-brieren des Prüflings verwendet. Bisherwurde dazu in der PTB ein analogerSpannungsrampengenerator verwendet, dersich durch eine hohe Linearität auszeichnetjedoch den Nachteil besitzt, dass er vor demStart einer Messung eine mehrminütigeVorbereitungszeit benötigt und damit dyna-

Bild 5: Blockschalt-bild des Transfer-normals mit Signal-aufbereitung, Mess-stellenumschalter,Datenerfassungund -verarbeitung

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mische Messungen verbietet. Dies ermöglichtjetzt ein neuartiger, digitaler Rampen-generator mit doppeltem Digital-Analog-Wandler (DAC), wobei der zweite DAC dieNichtlinearität des ersten ausgleicht. Dieverbleibende Nichtlinearität ist vergleichbaroder sogar besser als die des bisher verwen-deten in Analogtechnik gebautenRampengenerators. Das Verfahren ist zumPatent angemeldet und soll im Rahmen einesTechnologietransfers an ein mittelständischesUnternehmen weitergegeben werden.

Mit einem neuen Messverfahren können dieInduktivität und die Güte einer Spule ausdem Wirkwiderstand und der Zeitkonstanteeines Wechselstromwiderstandes bestimmtwerden. Das Verfahren kombiniert Elementeder klassischen Brückentechnik (Wagner-Erdung) mit der digitalen Synthese vonSignalen und ihrer Abtastung unter Anwen-dung der diskreten Fourier-Transformation(DFT). Zur Erprobung wurde die Induktivitäteiner 100-mH-Spule bei der Messfrequenz1 kHz mit einer abgeschätzten Standardmess-unsicherheit (k = 1) von 2 · 10–6 aus einem1-kW-Wechselstromwiderstand abgeleitet.

Rogowski-Spulen eignen sich sehr gut zurnahezu leistungslosen und rückwirkungs-freien Messung hoher Wechsel- und Stoß-ströme. Sie haben auf Grund ihres nicht-magnetischen Wickelkerns eine meistvernachlässigbar kleine Nichtlinearität undkönnen daher auch bei kleinen Stromstärkenzuverlässig kalibriert werden. Von Nachteilist ihr zu tiefen Frequenzen hin begrenztesÜbertragungsverhalten. Sie werden daher nurselten zur Messung von Kurzschlussströmenmit überlagertem Gleichanteil eingesetzt. Inder PTB wurde jetzt ein numerischesIntegrationsverfahren entwickelt, das dasÜbertragungsverhalten dieser Spulen beitiefen Frequenzen deutlich verbessert.Simulationsrechnungen haben gezeigt, dassder Integrationsfehler für die Amplitude undden Effektivwert einer Sinusschwingungweniger als 0,1 % beträgt. Messungen an einerRogowski-Spule haben die Ergebnisse derSimulationsrechnung bestätigt.

Nach erfolgter Kalibrierung eines vektoriellenNetzwerkanalysators mit kommerziellenKalibrierkits konnte die Qualität der Kalibrie-rung und die daraus resultierende

Elektrizität

Messgenauigkeit bislang nur abgeschätzt oderdurch stichprobenartige Vergleichsmessungenbei einzelnen Frequenzpunkten verifiziertwerden. Ein neuartiges Verfahren, das aufeiner einzigen Luftleitungsmessung übereinen weiten Frequenzbereich basiert, erlaubtjetzt für den Fall der Eintormessung eineebenso breitbandige Bestimmung der komple-xen Restfehlerterme. Letztere ermöglichenanschließend eine sekundäre Fehlerkorrekturdes Analysators. Umgekehrt ermöglicht dasVerfahren auch die Funktionsprüfung mecha-nischer Kalibrierkits und elektronischerKalibriereinheiten. Zur Zeit wird im Rahmeneines Industrievorhabens an einer Erweite-rung der Methode auf Zweitormessungengearbeitet.

Metrologie für die Gesellschaft

Die Quellen hochfrequenter elektromagneti-scher Felder (EMF) und damit die Expositionder Bevölkerung haben sich innerhalb derletzten 15 Jahre zunehmend verändert. Wäh-rend früher hauptsächlich weit entferntstehende Rundfunk- und Fernsehsender dieelektromagnetische Umwelt der Bevölkerungdominierten, sind es heute Geräte der mobi-len Kommunikation, die trotz der Begrenzungder Sendeleistung bedingt durch die geringeDistanz zum Benutzer zu deutlich höherenFeldstärken als die stationären Antennenführen. Während man die thermischen Wir-kungen von hochfrequenten elektromagneti-schen Feldern kennt und z.B. in der Mikro-welle auch technisch nutzt, bleibt die Fragenach athermischen Wirkungen auf biologi-sche Systeme bisher unbeantwortet. Die PTBunterstützt daher die Forschungsarbeiten vonBiologen und Medizinern im Bereich Dosime-trie und Rückführung der Feldgrößen zurKlärung der Frage, ob athermische Wirkun-gen existieren (Bild 6). So wurde unter Feder-führung der PTB ein umfangreiches europäi-sches Forschungsprojekt zur Dosimetrie undMesstechnik für EMF beantragt. Außerdemwurde ein dreijähriges Forschungsprojektvom Bundesamt für Strahlenschutz ein-geworben, in dem die Wirkungen von EMFoberhalb von 300 GHz auf biologische Syste-me untersucht werden sollen. Bislang existie-ren oberhalb von 300 GHz keinerlei Grenz-werte, weder national noch international.

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Internationale Angelegenheiten

Für das Europäische Forschungsprogrammfür Metrologie (EMRP) gab es einen erstenAufruf zur Einreichung von Forschungs-projekten, die im Rahmen einer „ERANETPlus“-Aktion zu einem Drittel durch die EUund zu zwei Dritteln durch die beteiligtenInstitute finanziert werden. Dieser Aufrufumfasste die Programme Health, SI and Fund-amentals, Dimensional Metrology und Electricityand Magnetism. Im Programm Electricity andMagnetism koordiniert die Abteilung zwei voninsgesamt fünf bewilligten Forschungs-projekten und im Programm SI and Fund-amentals ein Forschungsprojekt zur Redefinit-ion der SI-Basiseinheit Ampere. Die Projekteerstrecken sich über nahezu alle Arbeitsgebie-te der Abteilung und werden die Zusammen-arbeit mit den anderen europäischenMetrologieinstituten deutlich verstärken.

Darüber hinaus war die Abteilung im Be-richtsjahr auch auf dem Gebiet internationalerVergleiche aktiv. Im vergangenen Jahr wurden8 internationale Vergleiche abgeschlossen, andenen sich die Abteilung beteiligt hat, für5 Vergleiche fungierte die PTB als Pilotlabor.22 Vergleiche, an denen die Abteilung betei-ligt ist, laufen zur Zeit noch im Rahmen vonCCEM, EURAMET, APMP und COOMET.Vergleichsmessungen mit Normalmess-einrichtungen anderer Institute erfordernhochstabile und genaue Transfernormale. Fürzukünftige Vergleiche der elektrischen Lei-stung wurde auf der Grundlage des PTB-Primärnormals ein neues, kompaktesTransfernormal entwickelt. Es ist für dieSpannungen 60 V und 120 V bei Stromstärkenvon 5 A und 1 A ausgelegt. Verfahrensbedingtwird eine Stabilität von wenigen µW/VA

Bild 6: Berechnete Verteilung des elektri-schen Feldes einer µTEM-Zelle mit einge-bautem Probenbehälter zur Ermittlungdosimetrischer Größen in Fluiden

erwartet. Diese Annahme soll mit einemkürzlich fertiggestellten Prototypen verifiziertwerden.

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In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung(ausführlich im Web-Jahresbericht unter www.ptb.de)

Grundlagen der Metrologie

Erste 1-V-SNS-Josephson-Schaltung für denEinsatz bei 75 GHz in Kooperation mit demNISTAls Ergebnis einer Kooperation zwischen PTBund NIST (USA) wurde erstmals eine 1-Volt-SNS-Reihenschaltung für das programmier-bare Josephson-Spannungsnormal hergestelltund bei 75 GHz erfolgreich betrieben.(F. Müller, FB 2.4, franz.mueller@ptb.de)

Präzisere Erzeugung von Wechselspannun-gen mit dem Josephson-SynthesizerBei gemeinsamen Messungen mit Wissen-schaftlern vom NMi-VSL (Niederlande) ander PTB konnte die spektrale Reinheit dererzeugten Wechselspannung weiter verbes-sert werden. (J. Kohlmann, FB 2.4,johannes.kohlmann@ptb.de)

Pulsbetriebene SNS-Schaltungen für einQuantennormal für Wechselspannungenbeliebiger WellenformMit kompakten Schaltungen aus mehr als10000 Josephson-Kontakten konnten spektralreine Wechselspannungen mit Spitzenampli-tuden von über 200 mV erzeugt werden.(O. Kieler, FB 2.4, oliver.kieler@ptb.de)

DC-SQUID als Phasen-Quantenbit in Niob-TechnologieIm Rahmen eines EU-Projekts als Phasen-Quantenbits hergestellte DC-SQUIDs habenihre Eignung als supraleitende Qubits gezeigt.(R. Dolata, FB 2.4, ralf.dolata@ptb.de)

Betrieb von RSFQ-Schaltungen mit Joseph-sonelementen mit verteilten RC-Leitungs-shuntsSchnelle Flussquanten-Schaltungen mitJosephsonelementen, deren Shunts aus Seg-menten von RC-Leitungen bestehen, ermögli-chen die Kontrolle von angekoppelten Joseph-son-Qubits. Die korrekte Funktionalität sol-cher Schaltungen wurde demonstriert.(M. Khabipov, FB 2.4,marat.khabipov@ptb.de)

Kompakte SFQ-Schaltungen mit aktivenElementen in supraleitenden SchleifenDie korrekte Funktionalität einer Einzelfluss-quanten-Schaltung, in der große Induktivitä-ten durch kurze Arrays von Josephson-Ele-menten realisiert sind, wurde demonstriert.(M. Khabipov, FB 2.4,marat.khabipov@ptb.de)

Breitbandige akusto-elektrische Chirp-FilterGemeinsam mit dem Max-Planck-Institut fürSonnensystemforschung wurden breitbandigeSAW Chirp-Filter als wesentliche Komponen-ten eines weltraum-basierten Spektrometersentwickelt und hergestellt. (X. Li, FB 2.4,xianyi.li@ptb.de)

Herstellung, sowie physikalische und che-mische Eigenschaften von „Nanoblättern“In einem durch die VW-Stiftung gefördertenVorhaben sollen die Herstellung, die physika-lischen und chemischen Eigenschaften undmögliche Anwendungen von frei aufgehäng-ten, unimolekularen „Nanoblättern“ unter-sucht werden (T. Weimann, FB 2.4,thomas.weimann@ptb.de)

Neues Rasterelektronenmikroskop imReinraumzentrum der PTBIm Reinraum-Zentrum der PTB ist ein neueshochauflösendes Rasterelektronenmikroskopim Einsatz. (T. Weimann, FB 2.4,thomas.weimann@ptb.de)

Simulation von Einzelelektronen-Transportin ungeordneten granularen Cr-FilmenDas Verhalten von miniaturisierten granula-ren metallischen Filmen wird modelliertdurch ein zwei-dimensionales Array vonmetallischen Inseln, die durch Tunnelkontaktemiteinander gekoppelt sind. Es zeigt sich, inÜbereinstimmung mit den experimentellenUntersuchungen, dass die (I,V)-Kennlinieeines solchen Systems hysteretisches Verhal-ten aufweisen kann. (A. Zorin, FB 2.4,alexander.zorin@ptb.de)

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Einzelelektronenpumpe mit nur einerModulationsspannungErstmals wurde eine Einzelelektronenpumperealisiert, die mit nur einer Modulations-spannung betrieben wird. Dadurch wird dieBeschaltung der Einzelelektronenpumpe starkvereinfacht, was eine zukünftige paralleleVerschaltung mehrerer Pumpen zu einemQuantenstromnormal mit hoher Stromstärkeerleichtert. (B. Kästner, FB 2.5,bernd.kaestner@ptb.de)

Neuartiges elektrisches Messverfahren fürdie magnetische PräzessionEin in der PTB neu entwickeltes Messver-fahren ermöglicht die Detektion der ultra-schnellen Magnetisierungsdynamik magneti-scher Nanostrukturen durch eine einfacheMessung des elektrischen Widerstandes.(H. Schumacher, FB 2.5,hans.w.schumacher@ptb.de)

Neuartige ultrakurze Stromimpulse durchSymmetriebrechung in Halbleiter-Nano-strukturenIn GaAs-basierten Nanostrukturen wurdedurch rein optische Anregung mit einemFemtosekundenlaser ein neuartiger Typ vonultrakurzen Stromimpulsen nachgewiesen,die zur Abstrahlung elektromagnetischerWellen mit Frequenzen im THz Bereich füh-ren. Eine genaue Analyse ermöglichte Aussa-gen über die Dynamik dieser rein optischerzeugten Stromimpulse. (M. Bieler, FB 2.5,mark.bieler@ptb.de)

Magnetische Felder von Mikro- und Nano-strukturenIn Kooperation mit der Universität Göttingenwurde ein Verfahren entwickelt, dasMagnetooptik und Magnetkraftmikroskopiekombiniert, um erstmals rückgeführte magne-tische Messungen mit der Magnetkraft-mikroskopie zu ermöglichen. (S. Sievers,FB 2.5, sibylle.sievers@pbt.de)

Neuartiges Kalibrierverfahren für die vekto-rielle NetzwerkanalyseEin neuartiges Kalibrierverfahren, das rück-geführte HF-Streuparametermessungen mitgeringsten Messunsicherheiten ermöglicht,wurde in der AG 2.22 implementiert undverifiziert. (R. Judaschke, FB 2.2,rolf.judaschke@ptb.de)

Fortschritte beim Aufbau des Quanten-Kapazitätsnormals auf Basis des Einzel-elektronen-EffektsDer Aufbau eines Kapazitätsnormals, welchesauf dem Abzählen einzelner Elektronen mitEinzelelektronen(SET)-Schaltungen beruht,schreitet voran. Im zurückliegenden Jahrwurden die Millikelvin-Messeinrichtungweiter aufgebaut und verbessert sowieSchlüsselelemente des Experiments charakte-risiert und optimiert. (H. Scherer, FB 2.6,hansjoerg.scherer@ptb.de)

Verkürzte Messkette von zwei AC-Quanten-Hall-Widerständen zur KapazitätEin neuer Doppelprobenhalter ermöglicht denBetrieb zweier unabhängiger AC-Quanten-Hall-Widerstände und damit eine Verkürzungder Messkette zur Kalibrierung von 10-pF-Kapazitätsnormalen. (J. Schurr, FB 2.6,juergen.schurr@ptb.de)

Monte-Carlo-Analyse der breitbandigenelektromagnetischen Eigenschaften kopla-narer WellenleiterMit Hilfe einer Monte-Carlo-Analyse wurdender Einfluss technologiebedingter Fertigungs-ungenauigkeiten sowie die Auswirkung vonUnsicherheiten in der Kenntnis der dielektri-schen Materialparameter auf die frequenz-abhängigen Wellenausbreitungseigenschaftenkoplanarer Wellenleiter untersucht. (U. Arz,FB 2.2, uwe.arz@ptb.de)

Metrologie für die Wirtschaft

Ableitung der Induktivität aus einem Wech-selstromwiderstand mittels AbtastverfahrenMit einem neuen Messverfahren können dieInduktivität und die Güte einer Spule ausdem Wirkwiderstand und der Zeitkonstanteeines Wechselstromwiderstandes bestimmtwerden. (G. Ramm, FB 2.1,guenther.ramm@ptb.de)

Ausbreitung von THz-Wellen in Innenräu-menIn einer aktuellen Studie wurden die Reflexi-onseigenschaften von rauen Innenwand-materialien bei THz-Frequenzen untersuchtund mathematisch modelliert, um die Über-tragungskanaleigenschaften für zukünftigeKommunikationssysteme berechnen zukönnen. (T. Kleine-Ostmann, FB 2.2,thomas.kleine-ostmann@ptb.de)

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Transfernormal für WechselgrößenIm Fachbereich Energiemesstechnik wird einneues Transfernormal für Wechselgrößen imRahmen eines BMWi-Programms und unterBeteiligung von Geräteherstellern entwickelt.(G.Kürten-Ihlenfeld, FB 2.3,guilherme.ihlenfeld@ptb.de)

Rogowski-Spule mit numerischer Inte-gration der MessdatenRogowski-Spulen werden üblicherweise miteinem aktiven Integrationsverstärker fürHochstrommessungen verwendet. Als vorteil-hafte Alternative wurde ein numerischesIntegrationsverfahren für unterschiedlicheStromverläufe untersucht. (K. Schon, FB 2.3,klaus.schon@ptb.de)

Thermischer Multiplizierer mit planarenThermokonvertern zur Leistungsmessungim AudiofrequenzbereichZur Erweiterung des Frequenzbereiches inder elektrischen Leistungsmesstechnik wurdeein hochgenauer, auf thermischer Basis arbei-tender Multiplizierer aufgebaut. (E. Mohns,FB 2.3, enrico.mohns@ptb.de)

Hochlinearer digitaler Spannungsrampen-generator für die rückführbare Erzeugungkleiner Stromstärken im Bereich von 1 fAbis 100 pAEs wurde ein neuartiger digitaler Spannungs-rampengenerator entwickelt, der erstmalsauch präzise dynamische Messungen anPikoamperemetern erlaubt. (G.Willenberg,FB 2.6, gerd-dietmar.willenberg@ptb.de)

Quantennormale messen elektrische Lei-stungEin in Zusammenarbeit mit dem NPL (UK)entwickelter Josephson Waveform-Synthesi-zer wurde benutzt, um eine „in-situ“ Kalibrie-rung des Abtast-Voltmeters im PTB-Primär-normal für die elektrische Leistung durchzu-führen. (L. Palafox Gamir, FB 2.6,luis.palafox@ptb.de)

Metrologie für die Gesellschaft

Ein QM-Handbuch-Entwurf für elektrischePrüfstellenEin neues Handbuch soll die Prüfstellen fürElektrizitätszähler und Messwandler bei derDokumentation ihres Qualitätsmanagement-systems unterstützen. (H.-G. Latzel, FB 2.3,hans-georg.latzel@ptb.de)

Dosimetrie und Messtechnik für Größenelektromagnetischer Felder zum Schutz derBevölkerung vor nichtionisierender Strah-lungDie Europäische Kommission hat eine Richtli-nie (“Physical Agents Directive” 2004/40/EC)zum Personenschutz gegenüber nichtionisie-render Strahlung verabschiedet. Diese folgt inden Grenzwerten den Empfehlungen derInternationalen Kommission zum Schutz vornichtionisierender Strahlung (ICNIRP). Diepraktische Umsetzung der Direktive in natio-nales Recht scheitert derzeit an den mangeln-den messtechnischen Möglichkeiten zurUmsetzung. Die PTB hat ein europäischesForschungsprojekt koordiniert und beantragt,um eine geeignete Messtechnik zu entwickelnund die europaweite Einführung der Richtli-nie zu unterstützen. (Th. Schrader, FB 2.2,thorsten.schrader@ptb.de)

Internationale Angelegenheiten

Wechselspannungs-Vergleichsmessungensichern die Rückführbarkeit im neuen EU-Mitgliedsstaat BulgarienMit einem bilateralen Vergleich zwischen derPTB und dem NMC in Bulgarien wurde dieRückführbarkeit der dortigen Wechsel-spannungsnormale sichergestellt (T. Funck,FB 2.1, torsten.funck@ptb.de)

Stabiles Transfernormal für internationaleVergleiche der elektrischen WechselleistungFür zukünftige internationale Vergleiche derelektrischen Wechselleistung wurde einneues, kompaktes Transfernormal als minia-turisierte Version des PTB-Primärnormalsentwickelt. (G. Ramm, FB 2.1,guenther.ramm@ptb.de)