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Quantengenerierte „Hoch“-Spannung

Programmierbares Josephson-Spannungsnormal bis 80 Volt

PTBnews 2.2023
02.05.2023
Besonders interessant für

Metrologieinstitute

Elektrische Quantenmetrologie

Grundlagenforschung

Programmierbare Josephson-Spannungsnormale sind elektrische Quantennormale bestehend aus Serienschaltungen (Arrays) von einigen Tausend Josephson-Kontakten. Sie ermöglichen die Erzeugung von Spannungen von typischerweise bis zu etwa 10 Volt mit fundamentaler Genauigkeit und werden hauptsächlich von nationalen Metrologieinstituten zur Realisierung der elektrischen Spannungseinheit genutzt. Nun ist es der PTB gelungen, mit einem Josephson-Spannungsnormal weltweit erstmalig Ausgangsspannungen bis zu 80 Volt zu realisieren.

Foto zweier 20-V-Josephson-Arrays montiert auf einem Probenhalter. Zwei weitere Arrays sind auf der Unterseite montiert.

Motiviert wurde diese Entwicklung durch die Anforderungen eines Experiments zur atomphysikalischen Grundlagenforschung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg. Hier werden ultrastabile und rauscharme Spannungsquellen zum Betrieb von Penningfallen benötigt, mit denen Ionen mittels magnetischer und elektrostatischer Felder eingefangen und gespeichert werden. Das Massenspektrometer PENTATRAP des MPIK dient der Bestimmung von Massenverhältnissen schwerer, langlebiger und hochgeladener Ionen. Zur Erzeugung der elektrostatischen Felder in diesem Messaufbau mit fünf Penningfallen wurde bislang eine selbstentwickelte konventionelle Spannungsquelle mit Ausgangsspannungen bis 90 Volt eingesetzt. Trotz der hohen zeitlichen Stabilität der Spannungsquelle begrenzt diese die erreichbare relative Messunsicherheit von etwa 10–11. Zur weiteren Verbesserung entwickeln MPIK und PTB in einer Kooperation eine höchststabile Quanten-Spannungsquelle basierend auf dem Josephson-Spannungsnormal. Dies erfordert jedoch eine erhebliche Steigerung der typischerweise mit Josephson-Spannungsnormalen erreichbaren Ausgangsspannungen, was wiederum mit besonderen Herausforderungen an die Verschaltung der Arrays in einem möglichst kompakten System sowie an deren Strom- und Mikrowellenversorgung mit sich bringt.

In der PTB wurde nun durch eine Reihenschaltung von vier Josephson-Arrays mit je 20 Volt die Erzeugung einer Ausgangsspannung von rund 80 Volt erreicht. Dieser Spannungspegel stellt einen Weltrekord im Bereich der Josephson-Spannungsnormale dar. In ersten Untersuchungen zur Validierung des Systems wurden in der PTB jeweils zwei in Reihe betriebene Arrays miteinander verglichen und eine relative Übereinstimmung von besser als 10–9 gefunden.

Ein erster Einsatz der Josephson-Spannungsquelle im PENTATRAP-Experiment bei einer Spannung von etwa 22 Volt hat bereits eine Verbesserung der zeitlichen Stabilität um den Faktor drei ergeben. Eine weitere Erhöhung des Spannungspegels auf bis zu 80 Volt ist geplant. Zudem wird gegenwärtig eine Elektronik entwickelt, die ein einfaches, programmierbares Einstellen der Ausgangsspannung über den gesamten Spannungsbereich ermöglicht

Ansprechpartner

Luis Palafox
Fachbereich 2.6, Elektrische Quantenmetrologie
Telefon: (0531) 592-2140
luis.palafox(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

L. Palafox, R. Behr, F. Müller: Programmable Josephson voltage standard up to 80 V. 2022 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Wellington, Neuseeland, Dezember 2022, 493–494