13.11.2012
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. Außerdem dürfen die zu vergleichenden Impedanzwerte nicht mehr als 10-4 von einem dekadischen Nennwert abweichen.
Kürzlich wurde nun gezeigt, dass ein Abgleich der in der PTB entwickelten Josephson-Impedanzmessbrücke (siehe Jahresberichte 2010 und 2011) auch für beliebige Impedanzverhältnisse genau so einfach ist, wie für das Verhältnis 1:1. Die Wechselspannungsamplituden von zwei Josephson-Schaltungen werden über ihre Josephson-Kontaktanzahl und die Mikrowellenfrequenz variiert, und die Phasenlage der synthetisierten Spannungen wird über eine Verzögerungselektronik mit ps-Auflösung eingestellt. Innerhalb von nur 60 Minuten können automatische Messungen über einen Frequenzbereich von 25 Hz bis 20 kHz durchgeführt werden (Bild). In Messungen von R:R oder C:C bei von 1:1 verschiedenen Verhältnisssen sind die erreichbaren Unsicherheiten durch die jeweils kleinere Spannung und deren Signal-Rausch-Verhältnis bestimmt.
Damit ist die Josephson Impedanzmessbrücke universell als Impedanzkomparator einsetzbar. Für Verhältnisse von Widerständen zu Kondensatoren (R:C) wird die Messunsicherheit derzeit noch durch höhere Frequenzkomponenten auf einige 10–6 begrenzt.
Bild: Frequenzabhängigkeit eines 10:1 Verhältnisses aus zwei Kondensatoren mit 10 pF und 100 pF Nennwert. Ergebnisse einer Messung mit konventioneller Brücke bei zwei festen Frequenzen sind ebenfalls eingetragen.
Ansprechpartner: L. Palafox
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie