| Zugriffsnummer |
46345 |
| Dokumenttyp |
Dissertation
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| Peer Review |
unbekannt |
| Sprache |
Deutsch
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| Titel |
Ein quantenbasiertes Rauschspannungsnormal für die primäre Rauschthermometrie |
| Autor(in); Institution |
Kraus, Marco; 2.6, Elektrische Quantenmetrologie, PTB-Braunschweig
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| Quelle/Jahr |
(2021), VII, 101 S.
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| Schriftenreihe |
Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik: 71 |
| Dissertationsvermerk |
Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2021 |
| ISBN |
978-3-96729-111-7
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| DOI |
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| Persistent Identifier |
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| Verlag |
Berlin: Mensch & Buch Verlag
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| Zusammenfassung |
In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für metrologische Anwendungen in der primären Rauschthermometrie aufgebaut und charakterisiert. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin, die auf den Josephson-Effekt beruhende Rauschquelle für den Betrieb im vorgesehenen Signalfrequenzbereich bis 225 kHz zu optimieren, um eine Amplitudengenauigkeit im einstelligen μV/V-Bereich bei zukünftigen Kalibrierungen des neuen und patentierten Rauschthermometers der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt zu gewährleisten. Das System basiert auf einer Serienschaltung pulsgetriebener Josephson-Kontakte und ermöglicht es arbiträre, quantenbasierte Spannungssignale zu erzeugen. Es erfolgt eine umfassende Beschreibung des experimentellen Aufbaus und der Funktionsweise. Darüber hinaus wird das System grundlegend charakterisiert und die exzellente Funktionalität, welche die Josephson-Spannungsrauschquelle bietet, experimentell demonstriert. Auftretende Sigma-Delta-Konvertierungsfehler nach der Puls-Dichte-Modulation werden diskutiert, berechnet und berücksichtigt. Die Optimierung der Probenstangenabschirmung und Filterung des PulseBias-Stroms bewirkt eine effiziente Reduktion weiterer potentieller Störeinflüsse durch elektromagnetische Interferenz und Übersprechen. Erstmalig erfolgen im Verlauf der Arbeit direkte und indirekte Wechselspannungsvergleiche zwischen zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen zur Überprüfung der Amplitudengenauigkeit für einen erweiterten Signalfrequenzbereich bis 500 kHz. Die hochfrequenten Amplitudenabweichungen durch die Ausgangsverkabelung und den Pulse-Bias-Strom werden systematisch untersucht und analysiert. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit dem erstellten Modell überein und liegen für alle untersuchten Konfigurationen nach Korrektur der erwarteten Frequenzabhängigkeit innerhalb ±1 μV/V bis 500 kHz. Abschließend wird die optimierte Josephson-Spannungsrauschquelle, die verzerrungsarme Mehrtonwellenformen bis 240 kHz synthetisiert, zur Untersuchung und Kalibrierung des Frequenzgangs sowie der Signalverstärkungslinearität kritischer Rauschthermometerkomponenten eingesetzt. Der Vergleich zweier unterschiedlicher Mehrtonwellenformen demonstriert den Einfluss von Intermodulationsverzerrung während der Kalibrierung. Weitere Messergebnisse zeigen den Einfluss von Dither und angelegter Offsetspannung auf die Nichtlinearität des untersuchten Analog-Digital-Wandlers. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse kann eine hervorragende Verstärkungslinearität des Signalpfads einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers und eines Prototyp-Verstärkers für das neue Rauschthermometer innerhalb ±2 μV/V für eingangsbezogene Rauschpegel von 9,7 μV bis 465 μV experimentell nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Einsatztauglichkeit und Genauigkeit der Josephson-Spannungsrauschquelle zur Kalibrierung des neuen Rauschthermometers bis 225 kHz, eine der Grundvoraussetzungen, um das langfristige Ziel in einem primären Thermometrieverfahren eine Messunsicherheit besser als 10 μK/K zu erreichen. Darüber hinaus liefern die Erkenntnisse substanzielle Beiträge zum vertieften Verständnis pulsgetriebener Josephson-Spannungsnormale bis 500 kHz. Ferner konnten wichtige wissenschaftliche Fragestellungen erfolgreich überprüft und zur Verbesserung des neuen Rauschthermometer-Konzepts genutzt werden. |
