27.11.2017
Die pulsgetriebene Josephson-Impedanzbrücke der PTB nutzt spektral sehr reine Sinusspannungen, die von pulsgetriebenen Josephson-Schaltungen (JAWS) erzeugt werden. Weltweit erstmals wurde mit dieser Messbrücke ein 10 nF Kapazitätsnormal direkt auf den AC Quanten-Hall Widerstand (AC QHR) zurückgeführt.
Die im Vorjahr aufgebaute 2-Tor Quadraturbrücke auf Basis von Josephson Spannungsnormalen ermöglicht den Vergleich eines Kapazitätsnormals mit einem Quanten-Hall Widerstand. Bei einer Effektivspannung von 20 mV wurde sie nun eingesetzt, um weltweit erstmals den Wert eines 10 nF Kapazitätsnormal auf den Quanten-Hall Widerstand mit Hilfe von Josephson-Spannungen zurückzuführen.
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 geringe Messunsicherheit von 13,9 nF/F (k = 1) für diese Rückführung erreicht werden.
Aus dem für diese Messung erstellten vollständigen Unsicherheitsbudget geht hervor, dass der dominierende Beitrag von 11,5 nF/F durch die thermische Instabilität des 10 nF Normals zustande kommt. Der Beitrag der Quadraturbrücke (Josephson-Spannungsquellen und AC QHR) beträgt 7,8 nF/F. Das Ergebnis der Messung wurde mit dem durch eine konventionelle Verhältnisbrücke auf Basis induktiver Spannungsteiler ermittelten Ergebnis verglichen. Innerhalb der Messunsicherheit stimmen beide überein.
Der gesamte Aufbau und vor allem der Abgleich der Brücke konnte mittlerweile durch einen neuen Pulsgenerator weiter vereinfacht werden. Im neuen Gerät sind zwei Generatoren kombiniert, und es bietet die Möglichkeit, einen Phasenwinkel mit einer Auflösung von weniger als einer Pikosekunde einzustellen.
In einem nächsten Schritt soll mit dieser modifizierten Brücke die Rückführung des 10 nF Normals wiederholt werden, diesmal allerdings bei einer Signalspannung von 100 mV, wodurch das Signal-zu-Rausch Verhältnis erhöht wird. Dabei werden dann auch Messungen bei unterschiedlichen Signalfrequenzen durchgeführt, eine Möglichkeit, die konventionelle Brücken nur sehr begrenzt bieten.
Abbildung 1: Überblick über das Josephson System. Links im Bild der Kleinkühler mit Probenstange. Rechts im Bild die benötigte Elektronik.