Logo der PTB - Messen, Forschen, Wissen

Neuartige quantenbasierte Impedanzmessbrücken

02.12.2020

Die PTB untersucht im Rahmen eines europäischen Metrologieforschungsprojekts die Nutzbarkeit von neuartigen Quanten-Hall-Widerstandsnormalen auf der Materialbasis von Graphen für die Impedanzmetrologie. Die Arbeiten dienen der Entwicklung quantenbasierter Impedanzmessbrücken für vereinfachte Kalibrierungen elektrischer Wechselspannungsgrößen für den praxisnahen, flexiblen und effizienten Einsatz.

  

 

Die Darstellung elektrischer Einheiten beziehungsweise die Kalibrierung elektrischer Größen im Wechselstrombereich (Impedanzen) werden heutzutage meist mittels berechenbarer konventioneller Artefakte durchgeführt, oder über Gleich-Wechselstromtransfer ausgehend von Quanten-Widerstandsnormalen basierend auf dem Quanten-Hall-Effekt. Die dabei eingesetzten Messbrücken beruhen auf induktiven Spannungsteilern und erreichen hervorragende Messunsicherheiten von nur wenigen Teilen in einer Milliarde. Diese Messbrücken sind jedoch in ihrem Einsatz bezüglich der realisierbaren Spannungsverhältnisse, Phasenwinkel und Messfrequenzen limitiert und zudem wegen ihrer Komplexität und der notwendigen manuellen Bedienung nur für den Expertenbetrieb geeignet.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, betreibt die PTB zusammen mit zehn anderen Partnerinstituten im Rahmen eines europäischen Metrologieforschungsprojekts (Graphene impedance quantum standard, „GIQS“) die Entwicklung flexibler und automatisierbarer Impedanzmessbrücken. Dabei werden für die Erzeugung der Brückenspannungen anstelle von induktiven Spannungsteilern unter anderem moderne Quanten-Spannungsquellen eingesetzt, die auf pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen beruhen. Diese sogenannten „Josephson-Impedanzmessbrücken“ erlauben die flexible und exakte Darstellung von Wechselspannungen bei unterschiedlichen Frequenzen mit beliebigen Phasenlagen und mit hoher zeitlicher Stabilität. In Kombination mit einem Quanten-Hall-Referenzwiderstand lassen sich nahezu beliebige Impedanzen präzise kalibrieren.

Der in der PTB verfolgte Einsatz eines Quanten-Hall-Widerstands aus Graphen bietet weitere Vorzüge für den praxisnahen Einsatz von Josephson-Impedanz-messbrücken. Herkömmliche Quanten-Hall-Widerstände aus Halbleiter-Heterostrukturen müssen typischerweise bei hohen Magnetfeldern und bei tiefen Temperaturen betrieben werden, was den Einsatz teurer und aufwendiger Kryo-Magnetsysteme sowie die Versorgung mit Flüssighelium erfordert. Im Vergleich dazu ermöglichen die besonderen Eigenschaften von Graphen den Einsatz in kostengünstigeren und leicht bedienbaren Kleinkühler-Magnetsystemen. Dadurch wird diese Realisierung auch für kleinere nationale Metrologieinstitute oder gar die Industrie interessant.

Allerdings müssen die Graphen-Schaltungen für diese Einsatzzwecke noch optimiert werden. Die hohe Präzision der Josephson-Impedanzmessbrücke bietet ideale Voraussetzungen für diese Untersuchungen. Erste Messungen der PTB an einem 10 nF-Kondensator zeigten bereits eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Messresultate im Bereich von wenigen Teilen in 108 und belegen damit das hohe Potential der neuen Messmethodik. An weiteren Optimierungen der Brückenmesstechnik und der Graphen-Widerstandsnormale wird gearbeitet.

Schematisches Schaltbild einer Josephson-Impedanzmessbrücke kombiniert mit einem Quanten-Hall-Referenzwiderstand (QHR)

Bild: Schematisches Schaltbild (stark vereinfacht) einer Josephson-Impedanzmessbrücke kombiniert mit einem Quanten-Hall-Referenzwiderstand (QHR). Der Messstrom wird von zwei Stromquellen (links und rechts) eingespeist, die Spannungsmessung erfolgt quantenbasiert über zwei pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale (U1 und U2). Nach Abgleich der Messbrücke durch Justierung der Spannungsverhältnisse und Phasenwinkel ist die durch den Detektor gemessene Spannung Null - damit ist das Verhältnis der Impedanzen des Prüflings (ZDUT) und des Quanten-Hall-Impedanznormals (ZQHR) gleich dem sehr genau bekannten Verhältnis der beiden Brückenspannungen U1 und U2.

 

 

 

 

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“