28.11.2016
Die neue Impedanzmessbrücke der PTB nutzt spektral reine, quantengenaue Sinusspannungen, die von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS) erzeugt werden. Messungen mit dieser Brücke zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit Impedanzmessbrücken klassischer Bauart. Nun wurde diese Messbrücke erstmals genutzt, um ein 10 nF Kapazitätsnormal direkt auf den Quanten-Hall Widerstand zurückzuführen.
Nachdem zu Anfang des Jahres Verhältnis- (R:R und C:C) und Quadraturmessungen (R:C) mit der neuen Impedanzmessbrücke erfolgreich waren, wurden nun Messungen durchgeführt, bei denen zwei elektrische Quantennormale kombiniert wurden. Dazu wurde in der Josephson-Quadraturbrücke als Widerstand ein Quanten-Hall Widerstand eingesetzt. Das Zusammenwirken der beiden etablierten Quantennormale, Josephson-Effekt und Quanten-Hall-Effekt, ermöglicht eine hoch präzise und sehr rauscharme Impedanzmessbrücke zur Messung einer unbekannten Impedanz.
In einem ersten Messaufbau wurde die Quadraturbrücke in einer 2-Tor Anordnung genutzt und mit einer Effektivspannung vom 20 mV betrieben. Damit wurde erstmals der Wert eines Kapazitätsnormals auf den Quanten-Hall Widerstand mit Hilfe von Josephson-Spannungen zurückgeführt. Die Kapazität hatte einen Wert von 10 nF und die Arbeitsfrequenz betrug 1233 Hz. Durch die Anwendung einer speziellen Verschaltung des Quanten-Hall Widerstandes (triple-series connection), die den Einfluss von Leitungs- und Kontaktwiderständen auf ein vernachlässigbares Niveau reduziert, konnte eine für eine 2-Tor Messbrücke außerordentlich hohe Präzision erreicht werden.
Die Daten einer viertägigen Messkampagne wurden gemittelt und mit den Ergebnissen einer konventionellen Verhältnisbrücke auf Basis von induktiven Spannungsteilern verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine hervorragende Übereinstimmung von besser als 10-7. Zurzeit wird ein vollständiges Unsicherheitsbudget der neuen Quadraturbrücke erstellt.
In naher Zukunft sollen diese sehr guten Eigenschaften der Quadraturbrücke weiter optimiert werden. Dazu soll insbesondere die Messspannung und dadurch das Signal-zu-Rausch Verhältnis weiter erhöht, sowie das Frequenzverhalten des 10 nF-Kondensators untersucht werden. Auch eine Erweiterung auf eine 4-Tor Anordnung ist in Vorbereitung.
Abbildung: Foto des Messaufbaus der pulsgetriebenen Quadraturbrücke. Im Hintergrund sind die Elektronikschränke (blau und grau) der Spannungsnormale zu sehen. Im Vordergrund die Impedanznormale. Gezeigt ist hier die Messung von einem 10 nF Kapazitätsnormal gegen ein 10 kΩ Widerstandsnormal.