28.11.2016
Bei Kalibrierungen mit Josephson-Wechselspannungen ist bei höheren Frequenzen der Einfluss der Kabel zwischen Chip und Prüfling zu berücksichtigen. Durch Halbierung der Kabellänge auf 0,6 m in einem Mini-Kryostaten gelang es in gemeinsamen Messungen mit dem VSL (Niederlande), die AC-DC Transferdifferenz bei 1 MHz um mehr als eine Größenordnung auf 700 µV/V zu reduzieren.
Das pulsgetriebene AC-Josephson-Spannungsnormal ermöglicht die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen, weshalb es auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser (JAWS) bezeichnet wird. Mit einem JAWS können Wellenformen bis in den MHz-Bereich mit Quantengenauigkeit synthetisiert werden.
Ein Problem stellt die Verbindung des bei 4,2 K betriebenen JAWS-Chip zur „Außenwelt“ bei 300 K dar, da hier die Leitungsimpedanzen insbesondere für Frequenzen ab 100 kHz bereits einen großen Fehlerbeitrag liefern. Typisch in bisherigen Veröffentlichungen zum JAWS sind Leitungslängen von ca. 1,5 m in einem Helium-Dewar oder Kleinkühler. Durch Einsatz eines kommerziellen Mini-Kryostaten konnte die Leitungslänge für den Betrieb des JAWS nun erstmalig auf nur 0,6 m (Strecke vom Chip zum Prüfling bei Raumtemperatur) verringert werden.
Im Rahmen des EMPIR Projekts Q-WAVE wurden mit dem VSL gemeinsame Messungen an einem JAWS System an der PTB ausgeführt. Hierbei kam ein JAWS System mit 9000 Josephson-Kontakten zum Einsatz. Der experimentelle Aufbau ist in Bild 1 gezeigt. Für die AC-DC Messungen wurde ein kommerzielles AC/DC-Transfernormal verwendet. Mit dem JAWS wurden Sinus-Wellenformen in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz erzeugt (Bild 2). Die Ergebnisse wurden durch Anwendung der in [1] genannten quadratischen Methode korrigiert (siehe Bild 3). Die Daten stimmen sehr gut mit den aus einer konventionellen Kalibriermethode (Mikropotentiometer) erhaltenen überein, was die Richtigkeit des Modells bestätigt. Die AC-DC Transferdifferenz bei 1 MHz wurde erheblich reduziert, und zwar von 10 000 µV/V [1] auf 700 µV/V.
Verschiedene andere Einflüsse (z.B. Kabellänge, Kabeltyp, Details beim Betrieb des Quantennormals) wurden untersucht. Die Ergebnisse wurden auf der Fachkonferenz CPEM 2016 vorgestellt und werden demnächst in einem ausführlichen Konferenzartikel erscheinen.
Bild 1: Schematische Darstellung der AC-DC Transfermessung mit dem JAWS in einem Mini-Kryostat.
Bild 2: Frequenzspektren der mit dem JAWS generierten Sinus Wellenformen der Amplitude 50 mV (RMS) und verschiedenen Signalfrequenzen von 1 kHz bis 1 MHz.
Bild 3: AC-DC Differenz gemessen mit einem Transferstandard Fluke 792 bei 20 mV (RMS) in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz. Die Messwerte wurden mit dem quadratischen Modell korrigiert und mit der Mikropot-Kalibrierung verglichen.
[1] Brom, H. v.d, Houtzager, E. "Voltage lead corrections for a pulse-driven
ac Josephson voltage Standard", Meas. Sci. Technol. 23 (2012) 124007 (7pp), doi:10.1088/0957-0233/23/12/124007