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Entwicklung einer Echtzeit-Kontrolleinheit für programmierbare Josephson-Schaltungen (iMERA Quickstart Projekt)

07.12.2006

Innerhalb eines speziellen Projektes (iMERA Quickstart) ist in Kooperation mit den Metrologieinstituten Frankreichs und Großbritanniens, LNE und NPL, eine Echtzeit-Kontrolleinheit entwickelt worden, die das Verfolgen beliebiger Spannungen quantengenau innerhalb von etwa 100 µs erlaubt. Damit kann die Spannungsrampe von etwa 1 V/s, die in der dynamischen Phase eines Wattwaagen-Experiments auftritt, mit hoher Präzision verfolgt werden (s. Bild 1).
Ein unter Linux eingerichteter Computer steuert dabei die Stromquelle zur Ansteuerung der Josephson-Schaltung in Echtzeit. Die Stromquelle ist speziell für binäre Josephson-Schaltungen entwickelt worden. Sie besitzt einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU), dessen gemessene Spannung direkt in den entsprechenden digitalen Code für die Josephson-Schaltung umgerechnet wird. Mit der Taktrate von 10 kHz wird nun die am ADU gemessene Spannung mit der Josephson-Spannung kompensiert. Die differentielle Spannung für Rampen moderater Geschwindigkeit ist damit immer kleiner als 1 mV, so dass ein Nulldetektor permanent im empfindlichsten Messbereich betrieben werden kann. So kann mit hoher Auflösung die induzierte Wattwaagen-Spannung von etwa 1 V über die gesamte Zeit des Durchlaufens durch die Magneten, die nur etwa 20 s beträgt, gemessen werden.
Zur Zeit werden die Grenzen des Systems bestimmt, das auch für andere Anwendungen sehr nützlich sein dürfte, in denen das Messen oder Regeln dynamischer Spannungen mit höchster Präzision erforderlich ist.


Bild 1: "Verfolgtes" 5 Hz-Dreiecksignal (blau) und Ausgangsspannung des Josephson-Arrays (lila, zur besseren Übersicht um 100 mV nach unten verschoben).