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Erste Messergebnisse der neuen pulsgetriebenen Josephson-Impedanzmessbrücke

28.11.2016

Eine neue Impedanzmessbrücke an der PTB nutzt die spektral sehr reinen Sinusspannungen, die mit pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen erzeugt werden. Schon in den ersten Messungen mit dieser Brücke zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung mit anderen Josephson-Impedanzmessbrücken und mit kommerziellen Geräten.

 

Ein wichtiger Vorteil einer Josephson-basierten gegenüber einer Transformator-basierten Impedanzmessbrücke ist die fast beliebige Auswahl von Spannungs- und Phasenverhältnissen. Darüber hinaus ermöglicht die neue Messbrücke (Forschungsnachricht vom 30.11.2015) der PTB aufgrund der hohen spektralen Reinheit der Spannungen auch die Messung von R-C Verhältnissen (Quadraturmessungen), und zwar mit deutlich kleineren Unsicherheiten als bei Messbrücken, die durch programmierbare Josephson Schaltungen oder digitale Spannungsquellen versorgt werden.

 

 

Abbildung 1: Prinzipschaltbild einer Impedanzmessbrücke, die mit zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsquellen eine Verhältnismessung zweier fast beliebiger Impedanzen Z1 und Z2 ermöglicht. Das Foto in der Mitte zeigt einen Chip mit zwei pulsgetriebenen Schaltungen.

 

Der Einsatz von Josephson-Schaltungen in Impedanzmessbrücken reduziert die Messanordnung auf ein Minimum, wie in Abbildung 1 gezeigt ist. Für die Messungen wurden zwei Reihenschaltungen mit je 9000 Josephson-Kontakten auf dem gleichen Chip verwendet. Die hohe Zahl von Kontakten erlaubt es, Spannungen von 20 mVRMS allein mit Mikrowellenpulsen zu erzeugen. Dies vermeidet den Einsatz zusätzlicher Kompensationselektronik, die den Aufbau deutlich komplexer machen würde.
An zwei 10 kΩ Widerständen und zwei 10 nF Kondensatoren wurden Verhältnismessungen durchgeführt. Für Frequenzen von 500 Hz bis 4 kHz stimmt das gemessene Widerstandsverhältnis mit den Ergebnissen einer Impedanzmessbrücke mit programmierbaren Josephson-Schaltungen besser als 10-7 hervorragend überein (siehe Abbildung 2).

 

 

Abbildung 2: Vergleich des gemessenen Widerstandsverhältnisses zweier 10 kΩ Widerstände. Die Ergebnisse der Messbrücke auf der Basis von programmierbaren Josephson-Schaltungen (PJVS) sind in schwarz und die der pulsgetriebenen in rot dargestellt. Die angegebenen Messunsicherheiten sind Typ-A Unsicherheiten.

 

Das Verhältnis der beiden Kapazitäten wurde bei einer Frequenz von 1592 Hz bestimmt. Der Vergleich mit dem Ergebnis einer kommerziellen Messbrücke bei 1600 Hz zeigte eine exzellente Übereinstimmung von 2×10-8. Darüber hinaus wurden Quadraturmessungen (ωRC = 1) mit den 10 kΩ und den 10 nF Kondensatoren durchgeführt.

Für eine von anderen Messsystemen unabhängige Überprüfung der neuen Messbrücke wurden sowohl die Verhältnisse der Widerstände und Kapazitäten direkt gemessen, als auch aus den Quadraturmessungen berechnet. Die Ergebnisse zeigen eine hervorragende Übereinstimmung von besser als 1 Teil in 107 und bestätigen somit, dass mit der neuen Impedanzmessbrücke an der PTB auch Quadraturmessungen mit herausragender Präzision durchgeführt werden können.

Diese sehr vielversprechenden Messungen zeigen bereits jetzt das große Potential der neuen pulsgetriebenen Josephson-Impedanzmessbrücke. Es ist aber darüber hinaus geplant, die Spannung von 20 mVRMS weiter zu erhöhen, um damit direkt das Signal-zu-Rausch Verhältnis zu erhöhen. Ein weiterer Meilenstein wird die Kombination der Messbrücke mit einem Quanten-Hall Widerstand sein. Dadurch wird es möglich werden, Impedanzen mittels Josephson-Spannungsquellen auf ein Quantennormal zurückzuführen.