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Impedanzmetrologie mit Josephson-Spannungsnormalen

Konventionelle Impedanzmessbrücken basierend auf induktiven Teilern erreichen hervorragende Unsicherheiten von einigen 10-9. Allerdings muss die Brücke manuell für jede Frequenz neu abgeglichen werden. Diese Prozedur ist sehr aufwendig und die induktiven Teiler schränkten außerdem die Bandbreite, bei der diese Brücken sehr präzise funktionieren, auf den Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 kHz ein.


Mit den in der PTB neu entwickelten Josephson-Impedanzmessbrücken ist der Abgleich der Messbrücke sehr einfach. Die Spannungsamplituden der beiden Josephson-Schaltungen werden über ihre Mikrowellenfrequenz variiert und die Phasenlage der synthetisierten Spannungen lässt sich über eine Verzögerungselektronik mit einer Auflösung von 1 ps einstellen. Somit lassen sich z.B. 20 Frequenzen innerhalb von nur 30 Minuten messen.

 

Schematischer Aufbau der Quantenbrücke

Schematischer Aufbau der Quantenbrücke. Über die Variation der Mikrowellenfrequenzen f1 und f2 werden die Quantenspannungen eingestellt und die Brücke abgeglichen. Die Synchronisierung der Stromquellen 1 und 2 und Verzögerungselektronik erlaubt einen Phasenabgleich für Wechselspannungen.


Für 1:1 Verhältnisse von 10-kΩ Widerständen und 100-pF Kapazitäten wurde das neue Verfahren in hervorragender Weise demonstriert. Mit der neuen Josephson Impedanzmessbrücke wurde das Widerstandsverhältnis über den Frequenzbereich von 25 Hz bis 10 kHz mit einer Messunsicherheit von etwa 2 × 10-8 gemessen. Und auch für Kapazitätsverhältnisse liegt die Unsicherheit im kHz-Bereich unter 4 × 10-8  und steigt dann – entsprechend der Impedanz 1/ωC - mit kleiner werdender Frequenz an und erreicht eine Unsicherheit von etwa 2 × 10-7 bei 25 Hz.


In weiteren Entwicklungsschritten ist geplant, die neue Josephson-Messbrücke auch für Verhältnismessungen von Widerständen zu Kapazitäten anzuwenden. Eine Einbeziehung des frequenzunabhängigen Quanten-Hall-Widerstandes würde es dann erlauben, den Frequenzgang von Kapazitäten bis in den Bereich von Netzfrequenzen mit hoher Präzision zu kalibrieren.

 

Ausgewählte Publikationen der Arbeitsgruppe

 

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