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AC-DC Kalibrierverfahren mit binären Josephson Schaltungen

26.11.2010

Im Rahmen des im europäischen Metrologie-Forschungsprogramm durchgeführten Projekts JOSY wurde die Kooperation mit verschiedenen Partnern wie dem LNE (Frankreich), dem NPL (Großbritannien), und dem NMIA (Australien) fortgesetzt, um Kalibrierverfahren für den AC-DC Transfer auf Basis von synthetisierten stufenförmigen Josephson-Spannungen weiterzuentwickeln. Bei diesen Verfahren begrenzen die Transienten zwischen den quantisierten Spannungsstufen die erreichbare Unsicherheit. Neben der direkten Synthese mit Verwendung eines stromtreibenden Pufferverstärkers wurde auch ein Verfahren untersucht, bei dem ein zweites Josephson System die erforderliche Stromstärke zur Verfügung stellt. Als weitere Alternative wurde ein Abtastverfahren – bei dem der Einfluss der Transienten vermieden wird – bis in den kHz-Bereich untersucht.
Das einfachste Verfahren mit dem Pufferverstärker hat bereits hervorragende Messunsicherheiten kleiner als 1 µV/V bei Frequenzen bis zu 5 kHz geliefert. Dazu wurde die Beobachtung genutzt, dass der gemessene Effektivwert bei Variation des Steuerstroms der Josephson-Schaltung bei genau einem Steuerstrom frequenzunabhängig wird. Dies äußert sich als Schnittpunkt in einer Messkurvenschar zu verschiedenen Frequenzen. Eine von typischen Transientenverläufen ausgehende Modellanalyse untermauerte, dass im Schnittpunkt die Summe aller Transienten einer Schwingungsperiode in der Tat praktisch keinen Einfluss auf den Effektivwert mehr hat.
Erste Messungen mit zwei Josephson Systemen haben gezeigt, dass dabei die Unsicherheiten nochmals verbessert werden können. Einerseits entfällt die durch den Verstärker bedingte zeitliche Aufweitung der Transienten, deren Einfluss dadurch geringer wird. Vor allem aber wird, gerade für kleinere Frequenzen, der Unsicherheitsbeitrag durch den Pufferverstärker selbst eliminiert. Der Messaufbau mit zwei Josephson Systemen ist jedoch deutlich komplexer und erlaubt bisher noch keinen kontinuierlichen und zuverlässigen Kalibriereinsatz.
Mit Hilfe eines stabilen Sinusgenerators und einer Gleichspannungsquelle kann der AC-DC Transfer auch durchgeführt werden, ohne überhaupt von den Transienten abhängig zu sein. Dazu wird das Sinussignal präzise auf ein synchronisiertes stufenförmiges Josephson-Signal mittels eines differentiellen Abtastverfahrens zurückgeführt. Für Frequenzen bis 100 Hz wurden auf diese Weise bereits Unsicherheiten unter 1 µV/V erreicht. Für höhere Frequenzen werden die Integrationszeiten aber recht klein und führen zu 
systematischen Fehlern. An einer Verbesserung dieses Verfahrens wird gegenwärtig gearbeitet.


Ansprechpartner: Ralf Behr
Fachbereich 2.6:  Elektrische Quantenmetrologie