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Erster Schritt zur Realisierung einer Impedanzmessbrücke mit pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen

30.11.2015

Die hohe spektrale Reinheit pulsgetriebener Josephson-Schaltungen erlaubt eine Vielzahl von Anwendungen. Die Synthese quantengenauer, reiner Sinuswellen soll an der PTB genutzt werden, eine universelle Impedanzmessbrücke zu realisieren, die in Kombination mit dem Quanten-Hall-Effekt eine quanten-basierte Darstellung der Kapazitätseinheit ermöglicht.

 

Klassische, auf Transformatoren basierende Impedanzmessbrücken erreichen sehr geringe Messunsicherheiten im Bereich weniger Teile in 108. Sie werden weltweit in vielen Metrologieinstituten zur Darstellung der elektrischen Einheiten Ohm, Farad und Henry eingesetzt. Dabei nutzt die PTB als weltweit einziges Institut den AC-Quanten-Hall-Effekt als Basis für diese Darstellung. Ein wichtiger Vorteil von Josephson-basierten Messbrücken im Vergleich zu klassischen Impedanzmessbrücken ist die fast beliebige Auswahl von Spannungs- und Phasenverhältnissen. Eine der ersten Realisierungen einer Impedanzmessbrücke basierend auf Josephson-Spannungsnormalen nutzte Rechteckwellen aus programmierbaren Spannungsnormalen. Mit dieser Messbrücke wurden an der PTB Verhältnismessungen an einem Widerstands-Paar (R:R Verhältnis) durchgeführt und eine Unsicherheit von 2×10-8 erreicht [Jahresbericht 2011]. Außerdem konnte die Messzeit von einigen Tagen auf wenige Stunden reduziert und ein deutlich weiterer Frequenzbereich abgedeckt werden. Allerdings begrenzen die entstehenden Oberwellen die Messunsicherheit bei Quadraturmessungen (R:C Verhältnisse) auf einige Teile in 106. Hier sollte die hohe spektrale Reinheit von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen eine deutliche Verbesserung bringen. Durch die sehr geringe Hochfrequenzleistung im Pulsbetrieb ist es überdies möglich, die zwei für ein Messbrücke benötigten pulsgetriebenen Schaltungen gleichzeitig in einem geschlossenen Kühlsystem (Puls-Rohr-Kühler) bei Temperaturen um 4 K zu betreiben. Die Reinheit der erzeugten Sinuswellen für Amplituden bis zu 100 mV wurde mit einem empfindlichen Spektrumanalysator überprüft (Abbildung 1), sie war besser als 123 dBc.

 

Abbildung 1: Spektrum einer im Puls-Rohr-Kühler erzeugten Sinusspannung mit einer Frequenz von 1 kHz und einer Spannung von 100 mVRMS. Der Signalabstand zum Rausch-Hintergrund beträgt 123 dBc.

 

Die spezielle Bauweise der eingesetzten Kryosonde verhindert ein Überkoppeln zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Josephson-Schaltungen. Erste Verhältnismessungen wurden bei Amplituden von bis zu 40 mVRMS durchgeführt. Diese Messungen zeigen, dass der Einsatz von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen in Impedanzmessbrücken (Abbildung 2) prinzipiell möglich ist, allerdings liegen die Unsicherheiten zur Zeit noch im Bereich einiger Teile in 106.

 

Abbildung 2: Prinzipschaltbild der Impedanzmessbrücke basierend auf zwei pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen.  Dargestellt ist die Verhältnismessung von zwei allgemeinen Impedanzen Z1 und Z2. Das Foto in der Mitte zeigt einen Chip mit zwei pulsgetriebenen Schaltungen in seiner Halterung.


Die Ursache liegt sehr wahrscheinlich in den für die Josephson-Schaltungen benötigten Stromquellen, die durch ihren Aufbau die Koaxialität der Messbrücke zu stören. Nach entsprechender Optimierung des Messsystems sollte die angestrebte Messunsicherheit im Bereich von 10-8 jedoch erreichbar sein.