10.12.2010
Das neue Josephson-Doppelpotentiometer für Widerstandskalibrierungen kann als Alternative zu einer Kryo-Stromkomparator-Messbrücke eingesetzt werden. Das Funktionsprinzip zur Messung des Widerstandsverhältnisses basiert auf der Messung der Spannungsabfälle über zwei Widerstände, die vom selben Messstrom durchflossen werden.
Wie in Abb. 1 gezeigt, wird der Messstrom mit Hilfe einer Konstantspannungsquelle (UI) und eines Vorwiderstands (RI) erzeugt und fließt, periodisch durch den Stromrichtungsumschalter (S) umgepolt, sowohl durch den Normal-Widerstand (RX,A) als auch durch den zu kalibrierenden Widerstand (RX,B). Die Messung des Spannungsabfalls über die beiden Widerstände erfolgt derart, dass der Spannungsabfall durch die sehr genau bekannte Spannung der Josephson-Spannungsnormale (JA und JB) fast vollständig kompensiert wird, so dass nur die verbleibende kleine Differenz-Spannung (im µV Bereich) durch die Nano-Voltmeter gemessen werden muss. Dadurch können die Nano-Voltmeter als Nulldetektoren betrieben werden und Linearitätsfehler der Messgeräte haben einen vernachlässigbar kleinen Einfluss.
Für die Ansteuerung der Josephson-Spannungsnormale wurden DAC basierte Stromquellen (DSA und DSB) entwickelt, die einen automatisierten Abgleich des Doppelpotentiometers sowie eine sehr flexible Variation der zu messenden Widerstände erlauben.
Die erreichten relativen Unsicherheiten für das Verhältnis eines Quanten-Hall-Widerstands von 12,9 kΩ zu einem 10 kΩ Normalwiderstand liegen im Bereich von 5 x 10-9.
Abbildung 1: Schematischer Aufbau des Josephson-Doppelpotentiometers. Der Betrieb der Josephson-Spannungsnormale JA und JB erfordert einen Gunn Oszillator (G), der die Mikrowelle über Hohlleiter (WG) zu den Josephson-Arrays transferiert, sowie einen Frequenzzähler zur Stabilisierung der Mikrowellenfrequenz.
Ansprechpartner: Florian Beug
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie