Laserbasierte Hochspannungsmetrologie mit 1 ppm Genauigkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Wilfried Nörtershäuser
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461079926

Hochspannungen im Bereich von 10 kV bis 100kV sollen mittels kollinearer Laserspektroskopie mit einer relativen Genauigkeit von mindestens 1E-6 (1 ppm) gemessen werden. Dazu werden die Ionen aus einem präparierten Geschwindigkeitszustand mit der zu messenden Spannung beschleunigt und die Dopplerverschiebung vor und nach der Beschleunigung gemessen. Aus deren Änderung lässt sich die Geschwindigkeitsänderung und damit die von den Ionen durchlaufene Potentialdifferenz ermitteln. Damit wird die Hochspannungsmessung auf einen optischen Übergang in einem Ion (Ca+/In+) zurückgeführt. Diese Rückführung ist von großem Interesse für die Metrologieinstitute aber auch für physikalische Präzisionsexperimente, die auf eine extrem genaue Messung hoher Spannungen in diesem Spannungsbereich angewiesen sind. Dazu gehören beispielsweise das KATRIN-Experiment in Karlsruhe zur Messung der Elektron-Antineutrino-Ruhemasse oder Präzisionsexperimente an gekühlten Ionen in Speicherringen. Das vorgeschlagene Projekt baut auf einer bereits ausgeführten und publizierten Studie des Antragstellers aus, die bereits einen deutlichen Fortschritt gegenüber allen früher publizierten Versuchen darstellte. Als Folge einer detaillierten Analyse der systematischen Unsicherheiten wurde eine Reihe technischer Verbesserungen des Experimentes identifiziert, die zu einer höheren Genauigkeit der Messung führen werden. Des Weiteren ist geplant ein neues Messchema unter Verwendung eines Ramanübergangs und dem schnellen Scannen der Laserfrequenz mittels EOM-Seitenbändern zu testen, mit dessen Hilfe die Genauigkeit noch einmal gesteigert werden könnte.Während der dreijährigen Laufzeit des Projektes sollen diese technischen Änderungen im Rahmen einer Doktorarbeit durchgeführt und deren Auswirkungen auf die Genauigkeit der laserspektroskopischen Hochspannungsmessung evaluiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen