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Charakterisierung des neuen CERN-Digitalisierers

29.10.2022

Eine Charakterisierung des neuen CERN-Digitalisierers wurde mit dem programmierbaren 10-V-Josephson-Spannungsnormal der PTB durchgeführt. Der neue Digitalisierer wurde entwickelt, um die höheren Leistungs-anforderungen für die Stromversorgung der supraleitenden Magnete im High Luminosity Large Hadron Collider des CERN zu erfüllen. Durch die Bereitstellung praktisch rauschfreier Josephson-Spannungen ist es möglich, die Eigenschaften des Digitalisierers genau zu validieren.

 

Das neue Projekt High Luminosity LHC (HL-LHC) des CERN zielt darauf ab, die integrierte Luminosität an den Detektoren CMS und ATLAS um eine Größenordnung zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden neue Magnete mit höheren Anforderungen an die kurz- und mittelfristige Stromstabilität eingesetzt. Als Teil des verbesserten Kontrollsystems für diese Magnete hat CERN einen neuer Digitalisierer (Analog-Digital-Converter, ADC) mit hohen metrologischen Qualitätsansprüchen entwickelt. Erste Charakterisierungen des neuen Digitalisierers am CERN hatten bereits gezeigt, dass seine relevanten Eigenschaften mit denen konventioneller High-End-Messgeräte vergleichbar sind.

 

Unter Verwendung von Josephson-Spannungsquellen wurden in der PTB zwei Exemplare des neuen Digitalisierers bezüglich ihrer Performancegrenzen charakterisiert. Da Josephson-generierte Spannungen praktisch rauschfrei sind, konnte das breitbandige und niederfrequente elektrische Rauschen des Digitalisierers bei verschiedenen Spannungen über den gesamten Messbereich präzise charakterisiert werden. Auch die Bestimmung der mittelfristigen Stabilität des ADC wurde durch den Einsatz der höchststabilen Quanten-Spannungsquelle deutlich verbessert. Zur Messung der statischen Linearität und der Einschwingzeit der Digitalisierer wurden verschiedene Spannungsstufen und -rampen verwendet, darunter auch solche, die unterhalb der von einem einzelnen Josephson-Kontakt gelieferten Spannung von etwa 140 µV liegen.

 

Eine erste Analyse der Messdaten mittels Einsatzes der Quanten-Spannungsquellen der PTB bestätigt die erwarteten Verbesserungen des neuen CERN-Digitalisierers. Die Veröffentlichung der Resultate einer vertieften Analyse ist geplant.

 

Bild: Foto des Messaufbaus im PTB Labor. Erkennbar sind der neue CERN-Digitalisierer (das Gehäuse mit dem roten Deckel auf dem Tisch) und die wesentlichen Elemente der Josephson-Quantenspannungsquelle (Josephson-Chip in der Heliumkanne, rechts im Bild, und die dazugehörige Elektronik im Rack, links).

 

 

Ansprechperson:

Luis Palafox

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie"

luis.palafox@ptb.de