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Quantenbasierte Impedanzmessbrücken

Besonders interessant für:
  • Metrologieinstitute
  • Kalibrierlaboratorien
  • Hersteller von Präzisionswiderständen

Eine neu entwickelte Messbrücke, bei der programmierbare Joseph-son-Schaltungen eingesetzt werden, erlaubt die breitbandige Charakterisierung von Widerstands- und Kapazitätsverhältnissen mit hoher Präzision innerhalb einer kurzen Messzeit.

Schematischer Aufbau der Quantenbrücke. Über die Variation der Mikrowellenfrequenzen ƒ1 und ƒ2 werden die Quantenspannungen eingestellt und die Brücke abgeglichen. Die Synchronisierung der Stromquellen 1 und 2 und der Verzögerungselektronik erlaubt einen Phasenabgleich der Wechselspannungen.

Konventionelle Impedanzmessbrücken nutzen induktive Teiler und erreichen in ihrem Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 kHz hervorragende relative Messunsicherheiten von einigen 10–9. Dabei muss die Brücke allerdings in einer aufwendigen Prozedur manuell für jede Frequenz neu abgeglichen werden.

Mit der in der PTB neu entwickelten Josephson-Impedanzmessbrücke ist der Abgleich der Messbrücke sehr einfach. Die Wechselspannungsamplituden von zwei Josephson-Schaltungen werden über ihre Mikrowellenfrequenz variiert, und die Phasenlage der synthetisierten Spannungen wird über eine Verzögerungselektronik mit einer Auflösung von 10 ps eingestellt. Beides geschieht vollautomatisch. Die Verwendung von Quantennormalen zur Erzeugung einer Spannung auf beiden Seiten der Brücke macht eine
Noch sauberer mit Ultraschall Testverfahren zur Optimierung von Ultraschallbädern Wie gut ist mein Ultraschallbad? Wie viel Leistung ist nötig, ab wann nimmt das Reinigungsgut Schaden? Herstellern und Anwendern standen bisher keine objektiven Parameter zur Qualitätssicherung solcher Reinigungsbäder zur Verfügung, weil die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen schwer zu bestimmen sind. In der PTB wurden nun Testverfahren entwickelt, die in der Praxis leicht anwendbar sind. Mit ihnen können Reinigungs-
Justierung für alle weiteren Frequenzen überflüssig. So kann man z. B. innerhalb von nur 30 Minuten präzise Messungen bei 20 verschiedenen Frequenzwerten durchführen.

Für 1:1-Verhältnisse von 10-kΩWiderständen und 100-pF-Kondensatoren wurde die Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens in hervorragender Weise demonstriert. So wurde das Widerstandsverhältnis über den Frequenzbereich von 25 Hz bis 10 kHz mit einer Messunsicherheit von etwa 2 · 10–8 bestimmt. Für Kapazitätsverhältnisse liegt die Unsicherheit im kHz-Bereich unter 1 · 10–8. Mit kleiner werdender Frequenz steigt sie dann entsprechend der Impedanz 1/ωC an. Mit 2 · 10–7 bei 25 Hz ist die Unsicherheit aber immer noch 20-mal kleiner als bei einer Messung mit konventionellen Brücken.

In weiteren Entwicklungsschritten soll die neue Josephson-Messbrücke auch für Verhältnismessungen angewendet werden, bei denen Widerstände mit Kondensatoren verglichen werden. Eine Einbeziehung des frequenzunabhängigen Quanten-Hall-Widerstandes würde es dann erlauben, den Frequenzgang von Kondensatoren bis in den Bereich technischer Frequenzen (in Deutschland: 50 Hz) mit hoher Präzision zu kalibrieren.

Ansprechpartner:

Luis Palafox,
Fachbereich 2.6 Elektrische Quantenmetrologie,
Tel. (0531) 592-2140,
E-Mail: luis.palafox(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Lee, J.; Schurr, J.; Nissilä, J.; Palafox, L.; Behr, R.: The Josephson two-terminalpair impedance bridge. Metrologia 47 (2010) 453–459