HELMHOLTZ-PREIS 1975 (Preisverleihung am 08.03.1977)
Dr.-Ing. Bruno Fuhrmann, Dr. Volkmar Kose für die Arbeit "Genaue und langzeitstabile elektrische Gleichstrom- und Gleichspannungsquelle"

Preisträger 1975: Stabile Gleichstrom- und Gleichspannungsquelle

Volkmar Kose (li.), 1936 in Stettin geboren, studierte Physik in Göttingen und wurde dort 1967 promoviert. 1968 begann er seine Tätigkeit in der PTB in Braunschweig mit der Aufgabe, ein Spannungsnormal auf der Grundlage des Josephson-Effekts zu entwickeln.

Von 1977 bis 1989 leitete er die Abteilung "Elektrizität" der PTB, die in dieser Zeit auf den Gebieten der Elektrischen Einheiten und der Präzisionsmesstechnik ihre weltweit führende Position erlangte. 1993 wurde er Vizepräsident der PTB, und 1998 trat er in den Ruhestand.


Bruno Fuhrmann (re.), 1943 in Bielefeld geboren, studierte Elektrotechnik an der TU Braunschweig und war dort 1975 Oberingenieur am Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und elektrische Messtechnik. 1978 wurde er an den Fachbereich Maschinenbau der Fachhochschule Bielefeld berufen.

Der britische Physiker Brian Josephson sagte 1962 einen überraschenden Effekt zwischen schwach gekoppelten Supraleitern voraus, der die Reproduzierung von Einheitsspannungen mit hoher Präzision ermöglicht.

Diesen Josephson-Effekt beobachtet man an einem stromdurchflossenen Kontakt aus zweiheliumgekühlten Supraleitern, die durch eine dünne nichtleitende oder normalleitende Schicht getrennt sind. Strahlt man eine Mikrowelle mit der Frequenz f auf diesen Kontakt, so zeigt seine Strom-Spannungs-Kennlinie Stufen konstanter Spannung Un = nKJ–1f. Die Josephson-Konstante KJ = 2e/h (mit der Elektronenladung e und der Planck-Konstante h) beträgt etwa 5 ∙ 1014 Hz/V. Mit Frequenzen von 10 bis 70 GHz kann man auf diese Weise Spannungen von einigen 100 μV erzeugen.

Pionierarbeit bei der Erstellung eines Josephson-Spannungsnormals leisteten Dr.-Ing. Bruno Fuhrmann von der TU Braunschweig und Dr. Volkmar Kose von der PTB Braunschweig, die für ihre Arbeit "Genaue und langzeitstabile elektrische Gleichstrom- und Gleichspannungsquelle" mit dem Helmholtz-Preis 1975 ausgezeichnet wurden. Zugleich wurde damit die erfolgreiche Zusammenarbeit zweier Wissenschaftler aus der universitären und der außeruniversitären Forschung gewürdigt.

Das von Fuhrmann und Kose entwickelte Spannungsnormal bestand aus zwei Josephson-Kontakten, einem ohmschen Spannungsteiler und einem SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), die alle mit flüssigem Helium auf 2 Kelvin gekühlt wurden. Durch Bestrahlung der Kontakte mit Mikrowellen von 70 GHz wurde zunächst eine Referenzspannung von 3 mV erzeugt. Daraus gewannen die Forscher mit Hilfe des Spannungsteilers eine Spannung im Bereich von 1 V. Sie ließen dazu einen konstanten Gleichstrom von 30 mA durch den Spannungsteiler fließen und verglichen die über einem Teilwiderstand von 0,1 Ω abfallende Spannung mit der Referenzspannung. Den Unterschied zwischen den beiden Spannungen maßen sie mit einem SQUID-Pikovoltmeter. Nachdem der Spannungsteiler auf die Referenzspannung eingestellt war, fiel über seinen Gesamtwiderstand von 32 Ω eine Spannung von 960 mV ab, die nun mit herkömmlichen, auf Weston-Normalelementen beruhenden Spannungsnormalen verglichen werden konnte. Mit dem Josephson-Spannungsnormal konnten Gleichspannungen und Gleichströme mit einer Genauigkeit von 3 ∙10–9 stabilisiert und reproduziert werden.

Inzwischen fertigt man an der PTB Josephson-Reihenschaltungen, mit denen sich Spannungen von bis zu 15 Volt bei einer relativen Unsicherheit von etwa 10−9 reproduzieren lassen. Durch Ansteuern der einzelnen Josephson-Kontakte könnten fast beliebige, präzise Gleichspannungen von − 10 V bis + 10 V eingestellt werden.

Literature

Volkmar Kose et al.: Maintaining the Unit of Voltage at PTB via the Josephson Effect. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 23, (1974), 271