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Messunsicherheitsbestimmung einer Josephson-Spannungsrauschquelle für die Rauschthermometrie

02.12.2019

Die beiden PTB-Abteilungen „Elektrizität“ und „Temperatur und Synchrotronstrahlung“ arbeiteten gemeinsam am Aufbau eines praktischen Rauschthermometers. Mit Hilfe pulsgetriebener Josephson-Arrays soll ein breitbandiges Spannungsrauschen zur Kalibrierung der Verstärker-Elektronik erzeugt werden. Zur Verifizierung der Genauigkeit dieser generierten Spannungen wurden zwei Josephson-Systeme in Abhängigkeit verschiedener Parameter gegeneinander getestet.

 

 

Ein Rauschthermometer basiert auf der Temperaturabhängigkeit der Rauschspannung U, welche durch die thermische Bewegung der Ladungsträger in einem ohmschen Widerstand R entsteht, dem sogenannten Johnson-Nyquist-Rauschen. Durch die Rückführung der elektronischen Rauschleistungsbestimmung auf ein Quanten-Spannungsnormal, das Josephson-Spannungsnormal, lässt sich ein „elektronisches Kelvin“ realisieren, welches durch den Bezug zur Boltzmann-Konstante ein primäres Temperaturnormal darstellt.


Zur Erzeugung eines rückführbaren Referenz-Spannungsrauschens werden das Funktionsprinzip und die Vorteile eines Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers (JAWS) genutzt, entwickelt in den Fachbereichen „Elektrische Quantenmetrologie“ und „Quantenelektronik“. Eine beliebige Wellenform wird dazu mittels eines Sigma-Delta-Algorithmus in einen Pulsdichte-Code umgewandelt (A/D-Wandlung). Leitet man mit Hilfe eines Pulsmustergenerators den nicht quantisierten Puls-Code auf das Josephson-Array, so erfolgt bei richtiger Einstellung der Pulsamplituden aufgrund des Josephson-Effekts eine Quantisierung der Pulse.

Die Bandbreite der Verstärkerelektronik für das Rauschthermometer ist auf 200 kHz ausgelegt. Um eine Messunsicherheitsbestimmung der erzeugten Spannung mit einer genügend großen Bandbreite von 500 kHz zu verifizieren, wurden zwei unabhängige JAWS-Systeme in Abhängigkeit der Signalfrequenz direkt gegeneinander getestet. Für Frequenzen unterhalb von 10 kHz traten keine signifikanten systematischen Fehler auf. Oberhalb von 10 kHz zeigt sich dominant eine quadratische Frequenzabhängigkeit der Spannung, die durch Kabeleffekte erklärt wird. Diese Frequenzabhängigkeit wird später für die Anwendungen im „elektronischen Kelvin“ durch einen quadratischen Fit korrigiert. Das Ergebnis des Residuen-Plots der frequenzabhängigen relativen Abweichung zweier JAWS-Systeme (Bild 1) zeigt eine hervorragende Übereinstimmung von 1 µV/V für die benötigte Bandbreite von 200 kHz.

 

Residuen-Plot der frequenzabhängigen, relativen Abweichung der Ausgangsspannungen (Amplituden) zweier JAWS-Systeme

Bild 1: Residuen-Plot der frequenzabhängigen, relativen Abweichung der Ausgangsspannungen (Amplituden) zweier JAWS-Systeme.

Durch Variation der Pulsamplituden bei Signalfrequenzen im Frequenzbereich 500 kHz bis 2 MHz wurde ein weiterer systematischer Fehler beobachtet, der durch Optimierung des Pulsdichte-Codes jedoch minimieren lässt. Zurzeit werden weiterführende Messungen durchgeführt mit dem Ziel Messunsicherheiten zu quantifizieren, die diesen Fehlerquellen zuzuordnen sind.

Nach erfolgreichem Abschluss der Entwicklungsarbeiten ist geplant, eine JAWS-Spannungsrauschquelle zur PTB-Abteilung „Temperatur und Synchrotronstrahlung“ in Berlin zu transferieren, um die dort stattfindende Weiterentwicklung der Verstärkerelektronik für die Rauschthermometrie zu unterstützen.