09.12.2011
Konventionelle Impedanzmessbrücken nutzen induktive Teiler und erreichen im 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 dagegen 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 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-kΩ-Widerständen 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 beträgt die Unsicherheit im kHz-Bereich weniger als 1 × 10–8. Nur bei noch kleinerer Frequenz steigt sie dann entsprechend der Impedanz 1/ωC an. Bei 25 Hz ist sie aber mit 2 × 10–7 immer noch 20-mal geringer 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.
Bild 1:
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.
Ansprechpartner: L. Palafox
Fachbereich 2.6 : Elektrische Quantenmetrologie