English Title: Laser Operated Voltage Evaluation : Concept and Design of an Apparatus for Spectroscopic High Voltage Measurement

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Abstract

Die Genauigkeit von Hochspannungsmessungen mit Hilfe von Spannungsteilern wird begrenzt durch die technisch bedingten Ungenauigkeiten der Widerstände. In der vorliegenden Dissertation wird eine alternative Technik vorgestellt, bei der Ionen mit der zu messenden Spannung zu einem schnellen Ionenstrahl beschleunigt werden. Die Lichtfrequenz mit der ein paralell überlagerter Laserstrahl die Ionen zur Resonanz anregen kann, ist durch den Dopplereffekt gegenüber der Resonanzfrequenz ruhender Ionen verschoben. Auf diese Weise wird die Messung der Hochspannung in eine Frequenzmessung überführt, die sich mit höchster Genauigkeit durchführen lässt. Zur Demonstration des Messprinzips wurde ein Prototyp für bis zu 50 kV aufgebaut, bei dem die zu messende Spannung zwischen einer Ionenquelle für einfach ionisierte Calcium Ionen und einer Fluoreszenzkammer angelegt wird. Die Ca-Ionen werden mit dem Licht von Diodenlasern angeregt, die durch volumenholographische Transmissionsgitter optisch stabilisiert sind. Die Frequenz der Laser wird mithilfe eines hochgenauen Wavemeters bestimmt, das für diesen Zweck entwickelt wurde.

Translation of abstract (English)

The precision of HV voltmeters based on voltage dividers is limited by the systematic errors induced by nonlinear currents and resistive drift. This PhD thesis demonstrates an alternative approach, that relies on accelerating calcium ions with the potential to be measured. The resulting fast beam is collinearily superposed with a diode laser beam tuned to an optical resonance of the ions. Comparison to a cesium stabilized reference laser yields the absolute frequency to within a MHz. Now, the accelerating voltage can be determined via the dopplershift of the optical resonance. Thus, collinear laser spectroscopy translates the voltage measurement into an absolute determination of an optical frequency. A prototype of the voltmeter is presented, that was designed for voltages up to 50 kV. It employs diode lasers using volume holographic gratings, a surface ionisation source and a compact precision wavemeter to achieve high accuracy while beeing transportable.