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Schaltungen für einen Josephson-Synthesizer zur Erzeugung beliebiger Wellenformen

31.12.2003

In der elektrischen Präzisionsmesstechnik hat das Interesse an dynamischen anstelle von statischen Messungen in den letzten Jahren stark zugenommen. Diese Entwicklung hat zu verschiedenen Vorschlägen geführt, Messsysteme auf der Basis von Josephson-Schaltungen nicht nur zur Erzeugung von hochgenauen Gleichspannungen, sondern auch für Wechselspannungen und beliebige Wellenformen einzusetzen. Anschaulich lässt sich die Funktionsweise eines Josephson-Spannungsnormals durch den definiert mit einer Frequenz f getakteten Transfer von Flussquanten (Ø0 =h/2e , entsprechend etwa 2 µV/GHz) interpretieren. Zur Erzeugung beliebiger Wellenformen wird der Transfer jedes einzelnen Flussquants mit je einem Puls einer Hochgeschwindigkeits-Elektronik gesteuert. Die Pulsfolge-Frequenz bestimmt dabei die maximal erreichbare Ausgangsspannung. Da sich die momentane Ausgangsspannung aus der Aufeinanderfolge der einzelnen Pulse ergibt, wird der zeitliche Verlauf der gewünschten Ausgangsspannung durch eine entsprechend variierte Pulsfolge erzeugt.

Im Rahmen des EU-Forschungsvorhabens JAWS (Josephson Arbitrary WaveformSynthesizer) mit Partnern aus sechs europäischen Ländern wird ein solches System aufgebaut. Eine geeignete Josephson-Schaltung ist dabei eine wesentliche Komponente. Erste Schaltungen auf der Basis von SINIS-(Supraleiter/Isolator/Normalleiter/Isolator/Supraleiter)-Josephson-Kontakten wurden an der PTB entwickelt, in der bewährten Nb-Al2O3-Technologie hergestellt und charakterisiert. Die Kontakte sind in eine Koplanarleitung mit einer Impedanz von 50 Ω integriert. Die Funktionsfähigkeit der Schaltungen im Pulsbetrieb konnte in Messungen bei Projektpartnern gezeigt werden.