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Programmierbare 10-V-SINIS-Schaltungen für AC-Anwendungen

07.12.2006

Zunehmendes Interesse an hochgenauen AC-Spannungen hat zu verschiedenen Entwicklungen geführt, Messsysteme auf der Basis von Josephson-Reihenschaltungen auch für diese Anwendungen einzusetzen. Reihenschaltungen aus überdämpften Josephson-Kontakten mit einer binären Teilung für Spannungen bis 1 V werden bereits für verschiedene Anwendungen im Frequenzbereich bis etwa 1 kHz eingesetzt. Zur weiteren Reduzierung der relativen Messunsicherheiten ist die Erhöhung der Ausgangsspannung auf 10 V notwendig. Hierfür muss die Anzahl der Josephson-Kontakte von 8192 bei 1-V-Schaltungen auf etwa 70.000 erhöht werden, wenn die Schaltungen bei einer Mikrowellen-Frequenz um 70 GHz betrieben werden. In zwei unterschiedlichen Designvarianten sind die Kontakte in 64 bzw. 128 parallelen Mikrowellen-Ketten mit einer quasi-binären Teilung integriert.
Trotz der gewaltigen technologischen Herausforderungen aufgrund der großen Zahl von Kontakten konnten nun weltweit erstmals funktionsfähige Schaltungen hergestellt werden (s. a. Rubrik: Nachrichten des Jahres). Das Bild 1 zeigt ein Photo solch einer Schaltung. Die überdämpften Kontakte werden in SINIS-Technologie realisiert (S: Supraleiter (Niob), I: Isolator (Aluminiumoxid), N: Normalleiter (Aluminium)). Die Stromstärke-Spannungs-Kennlinie in Bild 2 zeigt eine Stufe konstanter Spannung bei 10 V. Weltweit erstmalig wurde ein direkter Vergleich dieser 10-V-Spannung mit der 10-V-Spannung eines konventionellen SIS-Josephson-Spannungsnormals durchgeführt. In Bild 3 ist mit hoher Auflösung die Differenz der Ausgangsspannungen beider Systeme aufgetragen. Mit einer Auflösung besser als 5 nV weist die 10-V-Stufe der programmierbaren SINIS-Schaltung über einen Strombereich von 625 µA eine konstante Spannung auf ("gerade" Stufe). Darüber hinaus konnte die Übereinstimmung beider Spannungen auf besser als 2·10-10 (d.h. 2 nV) gezeigt werden. Die einwandfreie Funktionalität der Schaltung ist damit nachgewiesen. Über den Einsatz dieser neuen 10-V-Schaltungen für erste AC-Anwendungen wird in diesem Jahresbericht an anderer Stelle informiert.


Bild 1: Photo einer programmierbaren 10 V-Schaltung mit 69.932 SINIS-Josephson-Kontakten.


Bild 2: Stromstärke-Spannungskennlinie einer binär geteilten 10-V-SINIS-Schaltung bei Einstrahlung von 70-GHz-Mikrowellen, die eine Stufe bei 10 V hervorruft.


Bild 3: Hochaufgelöste Darstellung der Differenz der Ausgangsspannungen einer binär geteilten 10-V-SINIS-Schaltung und eines konventionellen 10-V-Josephson-Spannungsnormals. Die Stufenbreite der 10-V-Stufe beträgt mehr als 625 µA.

Die Arbeiten wurden teilweise im Rahmen des EUROMET-Projekts 848 (Binary Josephson Array Power Standard) durchgeführt.