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Josephson-Spannungsrauschquelle erfolgreich für Linearitätsmessungen an Kernkomponenten eines innovativen Rauschthermometers eingesetzt

02.12.2020

Die Abteilung „Elektrizität“ der PTB Braunschweig entwickelt derzeit gemeinsam mit der Abteilung „Temperatur und Synchrotronstrahlung“ in Berlin ein neues praktisches Rauschthermometer für metrologische und industrielle Anwendungen. Eine eigens entwickelte und optimierte Quanten-Spannungsrauschquelle, die auf dem Josephson-Effekt basiert, wurde erfolgreich für Linearitätsuntersuchungen an kritischen Komponenten des Rauschthermometers eingesetzt.

 

 

Ziel der Entwicklung ist die Realisierung eines quantengestützten elektrischen Thermometers, welches nur gelegentlich mittels elektrischer Quantennormale kalibriert werden muss. Das in der PTB unter dem Begriff „Dual-mode Auto-calibrating Resistance Thermometer“ (DART) entwickelte neuartige Thermometriesystem kombiniert die Vorteile von Widerstands- und Rauschthermometrie. Kernkomponente ist eine rauscharme, hochstabile und hochlineare Messelektronik zur Verstärkung des extrem kleinen elektrischen Rauschspannungssignals, welches von einem elektrischen Sensor-Widerstand als thermisches Rauschen erzeugt wird.

Die Rückführung der hochgenau gemessenen elektrischen Signale auf elektrische Quanteneffekte (d.h. auf den Josephson-Effekt für die elektrische Spannung und auf den Quanten-Hall-Effekt für den elektrischen Widerstand) ermöglicht schließlich die Realisierung eines primären Temperaturnormals mit vielen Vorteilen für praktische Anwendungen.

Die Kalibrierung der Messelektronik erfolgt mittels einer Josephson-basierten Rauschquelle, die auch zur Überprüfung der Verstärkungsstabilität und -linearität eingesetzt wurde. Quantenbasierte und über einen weiten Amplitudenbereich synthetisierte Pseudo-Rauschsignale wurden an den Eingang des analogen Verstärkers angelegt und dessen Ausgangssignal mit einem Analog/Digital-Umsetzer (ADC) detektiert. Aufgrund der genau bekannten Signalamplitude konnte aus den detektierten spektralen Leistungsdichten die Signalverstärkung in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude bestimmt werden. Die im Bild dargestellten Messergebnisse belegen eine hervorragende Signalverstärkungslinearität innerhalb von ±2 µV/V über mehr als zwei Größenordnungen der Eingangsamplitude.

Weitere mit Hilfe der Josephson-Spannungsrauschquelle gewonnenen Erkenntnisse konnten bereits zur Optimierung des DART-Konzepts in der Entwicklungsphase beitragen.

Relative Abweichung der Signalverstärkung für unterschiedliche Messkonfigurationen in Abhängigkeit der Eingangsamplitude am ADC-Eingang

Bild: Relative Abweichung der Signalverstärkung ΔG/G0 für unterschiedliche Messkonfigurationen in Abhängigkeit der (auf VFS = 1 V normierten) Eingangsamplitude Vrms,F am ADC-Eingang. Fehlerbalken repräsentieren statistische Standardmessunsicherheiten.

 

 

 

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“