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Josephson-basierte Kapazitätsmessbrücke für die dielektrische Gaskonstanten-Thermometrie

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  • Fundamentals of Metrology
27.10.2022

Schematische Darstellung der koaxialen Zwei-Tor-Josephson-Kapazitäts-messbrücke. Details siehe Text.

In der Abteilung „Elektrizität“ der PTB in Braunschweig wird eine neue kompakte Kapazitätsmessbrücke basierend auf programmierbaren 1 V-Josephson-Arrays aufgebaut, mit der quantenbasiert Eins-zu-eins-Verhältnisse von 10-pF Kondensatoren bei etwa 1 kHz Messfrequenz bestimmt werden sollen, wie sie in der dielektrischen Gaskonstanten-Thermometrie benötigt werden. Ein rauscharmer Vorverstärker und optimierte Transienten der programmierbaren Josephson-Arrays ermöglichen verbesserte Messunsicherheiten im Bereich von zehn Teilen in einer Milliarde für die Verhältnismessung.

 

Die dielektrische Gaskonstanten-Thermometrie beruht auf der Messung der Veränderung der dielektrischen Konstanten eines Gases mit der Temperatur. Diese Veränderung wird mittels elektrischer Kondensatoren gemessen, die mit dem Gas befüllt sind - also indirekt über eine Kapazitätsänderung, die hochgenau gemessen werden muss. Praktisch geschieht dies durch die Messung des Kapazitätsverhältnisses zweier solcher Kondensatoren mit Nennwerten von 10 pF, wobei einer der Kondensatoren mit einem Gas gefüllt wird, dessen dielektrische Konstante und Druck bekannt sind. Der andere Kondensator befindet sich auf der gleichen Temperatur und dient als Referenz. In der Abteilung „Temperatur und Synchrotronstrahlung“ der PTB (Berlin) wurde dazu bislang eine hochpräzise manuell zu bedienende Brücke auf Basis induktiver Spannungsteiler verwendet. Die neue kompakte Josephson-Brücke, welche programmierbare 1 V-Josephson-Spannungsnormale verwendet, wird derzeit entwickelt, um einen flexibleren, einfacher zu bedienenden und automatisierten Kalibrieraufbau zu ermöglichen. Neben der Anwendung in der Primärthermometrie werden damit auch Messungen thermophysikalischer Eigenschaften oder der Aufbau eines neuen Normals für die Größe „Druck“ auf der Grundlage von Kapazitätsmessungen möglich.


Das Schema der koaxialen Zwei-Tor-Josephson-Kapazitätsbrücke ist in der Abbildung gezeigt. Die beiden Josephson-Systeme dienen als Quantennormale für elektrische Spannungen und sind direkt an die Kapazitätsnormale angeschlossen. Jeder der beiden Brückenarme besteht aus einem Josephson-Array, das von einem kompakten Mikrowellensynthesizer bei 70 GHz (nicht gezeigt) angetrieben und einer Stromquelle gesteuert wird. Die Brückenspannung wird mit einem Lock-in-Verstärker (LIA) in Kombination mit einem Vorverstärker (A) gemessen. Rechteckige Wellenformen, die von den beiden Stromquellen geliefert werden, minimieren den Einfluss von Transienten. 50-W Widerstände in Serienschaltung mit jedem Array und mit kurzgeschlossenen Koaxialkabeln verbunden (blauer Bereich und „Compensation 1“ bzw. „Compensation 2“) reduzieren Reflektionen und verkürzen die Dauer auftretender Transienten auf unter 60 ns. Mit zwei Zweikanal-Generatoren werden die beiden Josephson-Systeme synchronisiert, die Phase eingestellt und das Referenzsignal für den Lock-in-Verstärker geliefert. Die elektrische Last der einzelnen Kapazitätsnormale, die auf die Josephson-Systeme wirkt, wird durch die Dummy-Last am Eingang von C2 angepasst. Um die Brücke möglichst kompakter zu gestalten, wurden bei der experimentellen Umsetzung beide Josephson-Arrays in einen gemeinsamen Probenstab eingebaut.

 

Zurzeit wird die Josephson-basierte Kapazitätsmessbrücke mittels Vergleichsmessungen in der PTB Braunschweig elektrisch validiert, danach wird sie von für den Einsatz in der Thermometrie zum PTB-Institut Berlin überführt.

 

Bild: Schematische Darstellung der koaxialen Zwei-Tor-Josephson-Kapazitäts­messbrücke. Details siehe Text.

 

 

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Ralf Behr

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie"

ralf.behr@ptb.de

 

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