Logo PTB

Fortschritte bei der Rückführung von Kapazitätsnormalen auf den Quanten-Hall Widerstand mit pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen

19.11.2018

In einer pulsgetriebenen Josephson-Impedanzmessbrücke können jetzt spektral sehr reine Sinusspannungen bis zu einem Effektivwert von 100 mV erzeugt werden. Diese Messbrücke der PTB ist aktuell die weltweit einzige Josephson-Impedanzmessbrücke, mit der Kapazitätsnormale direkt auf den Quanten-Hall Widerstand zurückgeführt werden können.

 

 

Die an der PTB implementierte Quadraturmessbrücke auf Basis von pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen und eines Quanten-Hall Widerstands ist eine Verbindung zweier schon lange einzeln genutzter Quantennormale, die hochpräzise und sehr rauscharme Impedanzmessungen ermöglicht.
Nach ersten erfolgreichen Messungen eines 10 nF Kapazitätsnormals in einer 2-Tor Quadraturbrücke mit einer Effektivspannung vom 20 mV wurde die Messspannung mittlerweile auf 100 mV erhöht. Durch die höhere Spannung wurde direkt das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. So kann nun bereits nach einer Messzeit von 100 s eine Typ-A Unsicherheit von weniger als 1 nV/V erreicht werden (siehe Abbildung 1). Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur angestrebten Gesamtmessunsicherheit von besser als 1 x 10-8.

Verlauf der Allan-Deviation über der Messzeit 

Abbildung 1:Verlauf der Allan-Deviation über der Messzeit. In Schwarz ist die Messung für 20 mV und in Rot für 100 mV dargestellt.

 

Durch diese Erhöhung der Ausgangsspannung konnte ein weiterer wichtiger Test zur Vereinfachung der Kapazitätsmesskette durchgeführt werden. Es wurde ein 1 nF Kapazitätsnormal direkt auf den Quanten-Hall (QH) Widerstand zurückgeführt. Da bei der konventionellen, nicht auf Josephson-Spannungen basierten Methode üblicherweise 10 nF als Startwert genutzt werden, reduziert sich die Messkette bis zum Wert 10 pF, dem international anerkannten Vergleichswert, um einen Schritt. Ein weiterer Vorteil ist, dass 1 nF Normale verbreiteter und meist stabiler in ihren Eigenschaften sind als 10 nF Kapazitätsnormale.

Diese Messung stellt eine 10:1 Quadraturmessung dar, welche sich mit klassischen, Transformator basierten Messbrücken nur schwer realisieren lässt. Durch das Impedanzverhältnis von 10:1 und die aktuell noch begrenzte Messspannung von 100 mV stehen am QH Widerstand nur 10 mV zur Verfügung, was zu einer Reduzierung der Sensitivität der Messung führt. Dennoch zeigten die durchgeführten Messungen lediglich eine Abweichung von 3 x 10-8 von den mit einer konventionellen Impedanzmessbrücke erzielten Ergebnissen.

Mit dieser ersten Messung konnte das Potential der pulsgetriebenen Impedanzmessbrücke weiter unterstrichen werden. Eine weitere Erhöhung der Ausgangsspannung für die 1:10 Messung am Quanten-Hall Widerstand verspricht eine weitere Verbesserung der Messunsicherheiten.