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Präziser Mikrovoltgenerator auf Basis eines pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals

28.11.2016

Auf Basis eines pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals wurde ein präziser Mikrovoltgenerator entwickelt. Dieser Generator kann als Teil eines 1 V Systems den Spannungsbereich bis hinunter zu 10 nV abdecken. Mit automatisierten Messungen wurde die hervorragende Eignung für einfache, aber quantengenaue Kalibrierungen von Nanovoltmetern und Lock-in Verstärkern nachgewiesen.

 

 

 

Linearitätsmessungen an Nanovoltmetern bei sehr kleinen Gleichspannungen können mit potentiometrischen Methoden oder mit zwei konventionellen Josephson-Spannungsnormalen durchgeführt werden. Diese Verfahren sind aufwendig oder benötigen die Bewahrung von speziellen niederohmigen Widerständen. Dies trifft in gleichem Maße auch für Wechselspannungskalibrierungen von Lock-in Verstärkern zu.


An der PTB konnte jetzt gezeigt werden, dass durch eine drastische Reduzierung der Pulsfolgefrequenz – nur 1 Puls in einem Code mit 256 Mbit – ein pulsgetriebenes Spannungsnormal in sehr einfacher Weise auch Spannungen bis hinunter von 10 nV quantengenau synthetisieren kann. Das einfache Messsystem, nur bestehend aus einem Probenstab und einem computergesteuerten Bitmustergenerator, konnte sehr schnell automatisiert werden. Die große Flexibilität in Kombination mit der hohen Präzision ermöglicht es, in sehr kurzer Zeit zum Beispiel Nanovoltmeter zu kalibrieren. Die Unsicherheit wird dabei immer von dem zu kalibrierenden Gerät bestimmt (Bild).

 

Im Wechselspannungsbereich wurden ebenso einfach Linearitäten und Verstärkungsfaktoren von Lock-in Verstärkern kalibriert. Da die Programmierung beliebiger Wellenformen mit dem pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormal auch für so kleine Spannungen relativ einfach möglich ist, kann mit den nun verfügbaren, quantengenauen Spannungen im µV-Bereich die Unterdrückung von Störsignalen, wie zum Beispiel höheren Harmonischen, mit bisher nicht erreichbarer Präzision nachgewiesen werden.

 

Linearitäts-Abweichung zweier Nanovoltmeter 

Bild: Linearitäts-Abweichung zweier Nanovoltmeter im 10 mV Bereich für Spannungen von 10 nV bis 100 µV. Die Fehlerbalken zeigen die einfache Messunsicherheit (k=1).

 

 

Veröffentlichung:
R. Behr, O. Kieler und B. Schumacher, "A Precision Microvolt-Synthesizer Based on a Pulse-Driven Josephson Voltage Standard" bei IEEE Trans. Instrum. Meas. zur Veröffentlichung akzeptiert.