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Betrieb eines JAWS-Systems im Kleinkühler demonstriert

21.11.2013

Das JAWS-System der PTB wurde erstmalig erfolgreich in einem Pulse-Tube-Kleinkühler betrieben. Es zeigte sich, dass die Temperaturstabilität und die Kälteleistung des Kleinkühlers ausreichen, um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen. Dabei wurden mit Schaltungen von 4000 Josephson-Kontakten Ausgangsspannungen von 70 mVRMS bzw. 200 mVPP erzielt.

Pulsgetriebene Josephson-Schaltungen sind die wesentliche Komponente des AC-Josephson-Spannungsnormals für beliebige Wellenformen (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer: JAWS). Für die Mikrochips mit den entsprechenden Schaltungen wurde ein spezieller Probenstab hergestellt, um  den Betrieb in einem Pulse-Tube-Kleinkühler bei 4.2 K zu ermöglichen (Bild 1). Mit Chips, die in ihrer Standardausführung zwei separate JAWS-Schaltungen mit je 4000 Josephson-Kontakten enthalten, wurden reine Sinuswellen mit einer Frequenz von 3750 Hz und einer Spannung von 70 mVRMS bzw. 200 mVPP synthetisiert. Die erzielten Ergebnisse entsprechen denen beim Betrieb in einem Dewar mit flüssigem Helium.               

Der Kleinkühler ermöglicht zwar die gezielte Einstellung der Temperatur, jedoch sind seine Temperatursensoren einige Zentimeter vom Chip entfernt, so dass die genaue Chiptemperatur nur unzureichend bekannt ist. Um genauere Aussagen über die Chiptemperatur im Pulsbetrieb zu erhalten, wurde während des Betriebes einer Schaltung die zweite auf dem Chip befindliche (inaktive) Schaltung als Temperatursensor verwendet. So konnte gezeigt werden, dass sich die JAWS-Schaltungen bis zu einer Temperatur von 5.6 K mit stabilen Parametern betreiben lassen [1]. Außerdem konnte der Einfluss der eingestrahlten Hochfrequenz-Pulse auf die Chiptemperatur analysiert werden.

Da sich der Kleinkühler für diese ersten Testmessungen in einer ungeschirmten Laborumgebung befand, war das gemessene Signal noch von einem Störspektrum überlagert, das auch nach Ausschalten von Kleinkühler und JAWS-Elektronik vorhanden war. Es konnte daher separat gemessen und das Messsignal entsprechend korrigiert werden, wodurch klar bestätigt wurde, dass das synthetisierte Signal frei von höheren Harmonischen ist (Bild 2).

Der erfolgreiche Betrieb in einem Aufbau ohne Flüssighelium-Versorgung erweitert die Leistungsfähigkeit des JAWS-Systems und ist für potentielle Anwendungen des JAWS an vielen Instituten interessant.

 

[1]        Kieler, O., Scheller, T., Kohlmann, J., „Cryocooler Operation of a Pulse-Driven AC Josephson Voltage Standard at PTB”, World Journal of Condensed Matter Physics, vol. 3 no. 4, 2013, accepted for publication.

 

 

Bild 1: Der experimentelle Aufbau zeigt auf der linken Seite die JAWS Elektronik mit einem bipolaren Pulsgenerator als Herzstück. Rechts ist der Pulse-Tube-Kleinkühler mit dem installierten Probenstab zu erkennen.

 

 

 

Bild 2: Frequenzspektrum (oberes Bild) und Zeitdomänen-Darstellung (unteres Bild) einer Sinuswelle mit einer Frequenz von 3750 Hz und einer Spannung von 70.2 mVRMS (199 mVPP) bei einer Temperatur von 4.7 K. Im oberen Bild wurde das Störspektrum vom Signal abgezogen. Die nacheinander gemessenen Spektren von Sinuswelle und Störsignal sind in der oberen Grafik als Extrabild eingefügt.

 

 

 

 

Ansprechpartner: O. Kieler
Fachbereich 2.4:  Quantenelektronik