Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Programmierbares Josephson-Spannungsnormal bis zu 80 V

Categories:
  • Fundamentals of Metrology
28.10.2022

Foto von zwei 20-V-Josephson-Arrays auf einem Probenhalter. Zwei weitere 20-V-Arrays sind auf der Unterseite montiert. Rechts im Bild sind die Mikrowellenleiter für den Antrieb der Josephson-Arrays sichtbar.

Programmierbare Josephson-Spannungsnormale sind etablierte elektrische Quantennormale bestehend aus Serienschaltungen (Arrays) von einigen Tausend Josephson-Kontakten, mit denen nationale Metrologieinstitute die Einheit der elektrischen Spannung, das Volt, bis hinauf zu Spannungen von etwa 10 V realisieren. Nun ist der PTB gelungen, durch eine Reihenschaltung von vier Arrays mit je 20 V weltweit erstmalig Ausgangsspannungen bis zu 80 V zu realisieren.

 

Motivation für diese Entwicklung war eine Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, welches ultrastabile und rauscharme Spannungsquellen für atomphysikalische Experimente mit Penning-Fallen benötigt. Um im PENTATRAP-Experiment des MPIK Ionenmassen mit relativen Unsicherheiten auf dem Niveau von 10-11 zu bestimmen, wird bislang eine konventionelle Spannungsquelle mit Ausgangsspannungen bis 90 V eingesetzt, die eine relative Stabilität von 2 × 10-8 über 10 Minuten gewährleistet. Diese konventionelle Spannungsquelle soll nun durch ein programmierbares Quantenspannungsnormal – das 80 V-Josephson-Spannungsnormal – ersetzt werden, um unter anderem die Mess­unsicherheiten im PENTATRAP-Experiment weiter zu verbessern.

 

Das Bild zeigt zwei der vier 20 V-Josephson-Arrays, die über dünne Kupferdrähte verschaltet sind und gesteuert werden. Alle vier Arrays werden mit einem einzigen Mikrowellengenerator unter Einsatz von Mikrowellenleistungsteilern angetrieben. Die Reihenschaltung der Josephson-Arrays wurde bereits in einem ersten Vergleich mit einer relativen Übereinstimmung von besser als 10-9 erfolgreich validiert, wobei jeweils zwei Arrays mit 40 V Ausgangsspannung direkt miteinander verglichen wurden.

 

Zurzeit wird an einer automatisierten Elektronik gearbeitet, die ein einfaches, programmierbares Einstellen der Ausgangsspannung über den gesamten Spannungsbereich ermöglicht.

 

Bild: Foto von zwei 20-V-Josephson-Arrays auf einem Probenhalter. Zwei weitere 20-V-Arrays sind auf der Unterseite montiert. Rechts im Bild sind die Mikrowellenleiter für den Antrieb der Josephson-Arrays sichtbar.

 

 

Ansprechperson:

Ralf Behr und Luis Palafox

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie"

ralf.behr@ptb.de

luis.palafox@ptb.de

 

Contact

Head of Press and Information Office

Dr. Dr. Jens Simon

Phone: +49 531 592-3005
Email:
jens.simon(at)ptb.de

Address

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig