Quantenvoltmeter: TYPO3 Site p557353

Das AC-Quantenvoltmeter ist ein programmierbares Josephson-Spannungsnormalsystem, optimiert für den Einsatz in der Hochpräzisionsmesstechnik im Bereich von DC bis 100 kHz.

Entwickelt wurde es von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (PTB) in Zusammenarbeit mit den Firmen esz AG und der Supracon AG.

Das Primärnormal für Gleich- und Wechselspannungen gewährleistet die automatisierte Kalibrierung von:

Sekundärnormalen
Fluke Kalibratoren
Linearität und Nichtlinearitäten von Voltmetern
Multijunction Thermal Converter

Auf Basis des Referenzwiderstands lassen sich automatisierte Strom- und Widerstandskalibrierungen im Gleich- und Wechselspannungsbereich durchführen. Durch den direkten Zugriff auf einzelne Komponenten können zudem über ein TCP Protokoll eigene Kalibrierroutinen entwickelt werden.

Ausführungen

System-Kühler AC/DC

System Helium AC/DC

System Helium DC

Spezifikationen

Typische Kalibriergenauigkeit (direkter Vergleich mit einem zweiten Josephson-Spannungsstandard)
±1 nV bei 10 V
ΔV/V10V=1×10^-10
Typische Kalibriergenauigkeit von Gleichspannungsstandards, z. B. Fluke 732B (begrenzt durch das Rauschen des Gleichspannungsstandards)
±100 nV bei 10 V
ΔV/10V = 1×10^-8

Typische Kalibriergenauigkeit (direkter Vergleich von zwei Josephson-Wellenformen mit 4 Abtastungen)
±200 nV @ 20 V_PP, 1 kHz
ΔV/V = 2×10^-8
Typische Kalibriergenauigkeit von Kalibratoren, z. B. Fluke 5720A (begrenzt durch das Rauschen des Kalibrators)
ΔV/V = 5×10^-7 @ V ≤ 7,1 V(rms), f ≤ 1 kHz, 1 min Messzeit
ΔV/V < 3.5×10^-6 @ V ≤ 1Vrms, f ≤ 100 kHz (mit neuem Abtastmodus)

PJVS Array

Das AC-Quantenvoltmeters mit einer programmierbaren 10-Volt-Josephson-Spannungsstandardschaltung als Herzstück bietet diese Leistungsmerkmale:

69632 Josephsonkontakte
±10,08 V Maximale Ausgangsspannung
70 GHz Mikrowellenfrequenz
min. 1 mA stufenbreite Shapirostufe 1. Ordnung
±6 mA Basisstrom

V = n × f / K_J90

V = Josephson-Spannung	KJ90 = Josephson-Konstante
n = programmierbare Integerzahl	f = Mikrowellen-Frequenz

Anwendungen

Über eine TCP-Schnittstelle lassen sich Quantenvoltmeter und Quantenkalibrator per Software extern ansteuern, um eigene Anwendungen zu erstellen. Dies eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für automatische Kalibrierungen, sollte die benötigte Variante serienmäßig nicht verfügbar sein.

Fluke-Kalibrator
Der Fluke Kalibrator, verfügbar in den Versionen 5700A, 5720A oder 5730A, kann vollautomatisch für Gleich- und Wechselspannungen, aber auch für Gleich- und Wechselströme eingesetzt werden. Grundlage für die Stromkalibrierung sind dabei die Referenzwiderstände.
DC-Stromkalibrierung
AC-Stromkalibrierung
Zener Referenz
Als weitere Variante lassen sich Zener-Referenzen automatisch kalibrieren. Dazu werden 3 Spannungen oder 3 Zener-Referenzen gleichzeitig an den Multiplexer angeschlossen und nacheinander gemessen. Wie viele Messpunkte gemessen werden sollen, kann der Benutzer operativ entscheiden.
Voltmeter
Mit dem Voltmeter lassen sich Linearitäten und Nichtlinearitäten automatisch für eine ganze Reihe von bekannten Spannungsmessern bestimmen, sowohl in Bezug auf ganze Bereiche als auch auf einzelne Spannungsbereiche. Für die Messung kann sowohl mit Standardeinstellungen des Systems als auch mit benutzerspezifischen Einstellungen gearbeitet werden. So kann durch den Nutzer variabel bestimmt werden, bei welchen Spannungspegeln gemessen werden soll oder ob spezifische Einstellungen (NPLC, Filter, Anzahl der Messwerte) am Voltmeter für die Auslesung genutzt werden.
Thermokonverter
Für die Charakterisierung von thermischen Konvertern (TC) und AC/DC-Transfernormalen steht das auf dem Update des Setup AC Quantum basierende Voltmeter "Quantum Calibrator" zur Verfügung.
Der Quantum Calibrator wird zur Kalibrierung von thermischen Konvertern und AC/DC-Transfernormalen bei niedrigen Frequenzen (10 Hz bis 2 kHz) und für Spannungen bis zu 7 VRMS eingesetzt.
Für eine Charakterisierung geeignet sind diese Wärmewandler und AC/DC-Transfernormale:
Thermische Einzelschicht-Wandler (SJTCs)
Thermische Wandler mit planaren Mehrfachanschlüssen (PMJTCs)
AC/DC-Übertragungsstandards, z. B. Fluke 792A
DC-Stromkalibrierung
AC-Stromkalibrierung
Widerstandsverhältnis
Die Kalibrierung von Widerständen ist mit dem Upgrade "AC Quantum Calibrator" möglich. Für diesen Messmodus wird eine Spannungsquelle, wie der Fluke 57XX Kalibrator, zwei in Reihe geschalteten Widerständen vorgespannt, um den Spannungsabfall über die Widerstände nacheinander mit dem AC Quantum Voltmeter zu messen. Ist der Wert eines Widerstands bekannt, kann der andere über das Verhältnis der Spannungsabfälle exakt bestimmt werden.
DC-Stromkalibrierung
AC-Stromkalibrierung
Spannungsteiler
Es ist möglich, Spannungsteiler automatisch zu messen. Hierfür wurden verschiedene Messroutinen entwickelt, die im Benutzerhandbuch des Systems erläutert werden.

Komponenten

Ein Josephson-Spannungsnormalsystem besteht aus speziell von der Supracon AG entwickelten Komponenten sowie von externen Herstellern bezogenen Geräten. Die Grafik zeigt neben diesen Komponenten auch deren Verbindungen im System. Das in unserem Reinraum hergestellte Josephson Voltage Array wird entweder mit flüssigem Helium oder in einem ebenfalls von der Supracon AG hergestellten Pulse Tube Cryocooler gekühlt. Eine eigene kompakte Bias-Quelle mit isolierter Stromversorgung steuert das PJVS-Array. Hinzu kommt unsere PJVS-Steuerelektronik, die Multiplexer, Kryokühler und Flip-Chip-Heizung zur Beseitigung des eingeschlossenen Flusses koordiniert, sowie mit den Sensoren zur Erfassung der Umgebungsbedingungen verbunden ist.