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Josephson-Spannungsnormale für die Grundlagenforschung am CERN

11.10.2023

In der PTB entwickelte programmierbare 10-V-Josephson-Spannungs­normale wurden genutzt, um einen am CERN entwickelten Analog-Digital-Konverter (ADC) zu charakterisieren, der am High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) als Digitalisierer eingesetzt werden wird. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen die hervorragenden Eigenschaften des neuen Digitalisierers.

Die PTB unterstützt mit ihren Josephson-Spannungsnormalen und darauf basierenden selbst entwickelten Messeinrichtungen andere Metrologieinstitute, die Industrie, aber auch die Grundlagenforschung an Großforschungseinrichtungen wie Max-Planck-Instituten oder CERN.

CERN hat kürzlich einen neuen Digitalisierer (Typ HPM7177) entwickelt, um die erhöhten technischen Anforderungen für ein geplantes Experiment am HL-LHC zu erfüllen. Der Digitalisierer wird dabei Teil der Regelschleife für die Magnetstromversorgung sein, deren zeitliche Stabilität zehnmal höher als bisher sein soll. In einer Kooperation mit CERN hat die PTB unter Verwendung von programmierbaren Josephson-Spannungsquellen zwei Exemplare des neuen Digitalisierers bezüglich ihrer Performancegrenzen charakterisiert. Da Josephson-Spannungsquellen höchststabil und praktisch rauschfrei sind, konnten das elektrischen Rauschen des Digitalisierers breitbandig gemessen und die hohe zeitliche Stabilität der Nichtlinearität über den gesamten Spannungsbereich zwischen 0 V und 10 V bestimmt werden.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der neue Digitalisierer auch die besten kommerziellen Voltmeter beziehungsweise ADCs bezüglich wesentlicher Eigenschaften übertrifft: Die Kurzzeit-Stabilität ist besser als 1 µV/V, und die Änderung der Nichtlinearität innerhalb von zwölf Monaten ist kleiner als ein Teil in zehn Millionen. Die Resultate wurden in einer gemeinsamen Veröffentlichung zusammengefasst, die demnächst erscheinen wird.

 

Bild: Messaufbau zur Charakterisierung des neuen CERN-Digitalisierers (grüne Gehäuse oben links auf dem Instrumentenrack) im PTB-Labor. Wesentliche Elemente der Josephson-Spannungsquelle sind die Josephson-Schaltung (in der Heliumkanne rechts im Bild) und die dazugehörige Elektronik (im Rack auf der linken Seite).

 

Ansprechperson:

Luis Palafox

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“

luis.palafox@ptb.de