Kwantumstandaard voor wisselspanning

De nauwkeurigheid van spanningsmetingen in de industrie is via een aantal stappen terug te voeren op een kwantummechanisch natuurverschijnsel: het Josephson-effect. Veel nationale metrologie-instituten, waaronder VSL, hebben een gelijkspanningsstandaard die gebaseerd is op dit effect. Het kalibreren van een wisselspanning gebeurt door de opwarming van een weerstand door een wissel- en een gelijkspanningssignaal met elkaar te vergelijken (AC/DC transfer).

Onderzoek bij VSL, in samenwerking met buitenlandse zusterinstituten, heeft aangetoond dat met het Josephson-effect ook een (berekenbare) wisselspanning te genereren is. Daarmee wordt het mogelijk wisselspanning direct aan een kwantumstandaard te relateren, zonder de tussenstap van een thermische methode. Over twee supergeleiders, gescheiden door een dunne isolerende laag, ontstaat bij aanleg van een hoogfrequent signaal een gelijkspanningsverschil dat slechts afhangt van de frequentie van het aangelegde signaal en van natuurconstanten: V=(h/2e)f. In plaats van een continu hoogfrequent signaal gebruiken we in dit project individueel programmeerbare stroompulsjes. Het gewenste laagfrequente wisselspanningsignaal zit dan verstopt in het razendsnelle pulspatroon, maar is er uit te filteren. Deze zogenaamde pulse-driven Josephsonstandaard werkt momenteel in het frequentiegebied tussen 1 kHz en 100 kHz voor spanningen van 1 mV tot 100 mV.

De nadruk ligt nu op het operationeel en gebruikersvriendelijk maken van de prototype-opstelling. Daarnaast wordt het frequentiebereik uitgebreid tot 1 MHz en de gegenereerde spanning verhoogd tot 1 V, om aansluiting te vinden bij AC/DC standaarden. Een kwantumstandaard voor wisselspanning werkzaam tot in het MHz gebied heeft naast de fundamentele uitdaging ook diverse toepassingen, zoals nauwkeuriger meten van vermogen bij hogere frequenties (geschakelde voedingen, gasontladingslampen, gepulste LED’s), power quality (hogere harmonischen op de netspanning, van belang voor de schadelijke effecten op gevoelige apparatuur in bijvoorbeeld ziekenhuizen), en ruis (ruisthermometrie). Dit project is onderdeel van een EU-project uitgevoerd onder ERANET+, getiteld ‘JOSY - Next generation of quantum voltage systems for AC applications’. Doel is een kwantumstandaard voor wisselspanning die werkzaam is in het gehele gebied van 1 kHz tot 1 MHz, met spanningen van 1 mV tot 1 V, met onzekerheden beter dan de huidige AC/DC techniek (1 ppm op 1 V bij 10 kHz).