Hochspannungsmessung - AG Nörtershäuser

Hochspannungsmessung

Die Zielsetzung des Experiments, welches an der KOALA-Apparatur durchgeführt wird, ist die Messung hoher Spannungen im Bereich von 10 bis 100 kV mittels präziser Laserspektroskopie an ionischen Übergängen mit einer sehr genau bekannten Ruhefrequenz [1]. Dabei soll eine Präzision von mindestens 1 ppm erreicht werden, die für eine Vielzahl von Anwendungen interessant ist.

Die genaue Hochspannungsmessung wird derzeit meist mit Hilfe von Spannungsteilern realisiert, die über eine Widerstandskette eine hohe Spannung mit einem genau bekannten Teilerverhältnis in eine niedrige Spannung herunterteilen. Kommerziell erhältliche Systeme erreichen so eine relative Genauigkeit von typischerweise 100 ppm (10kV ±1V). Mit großem Aufwand können Spannungsteiler mit einer relativen Genauigkeit von 1 ppm (10kV +- 10mV) realisiert werden. Diese müssen aufgrund von Alterungseffekten der Widerstände aber regelmäßig neu kalibriert werden.

Abbildung 1: schematischer Aufbau des Experimentes.
Abbildung 1: schematischer Aufbau des Experimentes.

Das von unserer Gruppe angestrebte Verfahren beruht auf der kollinearen Laserspektroskopie. Dabei wird ein Laserstrahl mit einem schnellen Ionenstrahl überlagert. Die Resonanzfrequenz f0 im Ruhesystem des Ions ist im Laborsystem bei kollinearer Anregung aufgrund des relativistischen Dopplereffektes zur Frequenz

fL = f0 (1 – β) γ

verschoben. Dabei ist β=v/c die Ionengeschwindigkeit in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit und γ ist der Zeitdilatationsfaktor γ=1/(1-β2)1/2. Wenn der Laser auf diese Frequenz eingestellt wird, werden die Ionen resonant angeregt und das dabei auftretende Fluoreszenzlicht kann detektiert werden. Mit der bekannten Ruhefrequenz des Ions kann daraus die Geschwindigkeit β anhand der obigen Formel bestimmt werden. Aus der Geschwindigkeit kann dann eindeutig die Beschleunigungsspannung ermittelt werden. Um systematische Effekte weitestgehend zu unterdrücken, werden wir mit zwei Laserstrahlen in einem sogenannten Pump- und Tast-Verfahren arbeiten, wie es schematisch in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 2: Der Experimentaufbau
Abbildung 2: Der Experimentaufbau

Damit wird die Hochspannung direkt über eine Frequenzmessung auf eine „Naturkonstante“, nämlich die Frequenz des ionischen Übergangs, zurückgeführt. Unser Experiment befindet sich im Untergeschoß des Instituts für Kernphysik. Ein Photo der Beamline ist in Abb. 2 zu sehen. In einem ersten Testexperiment 2017 wurde Spektroskopie an Calciumionen durchgeführt. Hierbei konnte zum ersten Mal eine Genauigkeit im Bereich von 5 ppm erreicht werden und die Leistungsfähigkeit des Pump- und Tast-Verfahrens demonstriert werden [2]. Auf Seiten der Ionenstrahlapparatur aber auch beim Lasersystem wird das Experiment ständig weiterentwickelt, um die Genauigkeit weiter zu steigern. Miniforschungsprojekte, Bachelor- und Masterarbeiten sind an diesem Projekt daher ständig zu vergeben. Eine Auswahl ist hier zu finden.

Referenzen

[1] O. Poulsen, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research 202 (1982) 503.
[2] J. Krämer, K. König et al., Metrologia 55 (2018) 268.