Ein quantenbasiertes Rauschspannungsnormal für die primäre Rauschthermometrie

In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für Anwendungen in der primären Rauschthermometrie aufgebaut und charakterisiert. Das Ziel der Arbeit besteht darin die Rauschquelle für den Betrieb im vorgesehenen Signalfrequenzbereich bis 225 kHz zu optimieren, um eine Amplitudengenauigkeit im einstelligen μV/V-Bereich bei zukünftigen Rauschthermometer-Kalibrierungen zu gewährleisten.
Das System basiert auf einer Serienschaltung pulsgetriebener Josephson-Kontakte und ermöglicht es quantenbasierte Spannungen zu erzeugen. Nach der umfassenden Systemcharakterisierung und -beschreibung wird die exzellente Funktionalität, welche die Josephson-Spannungsrauschquelle bietet, experimentell demonstriert. Die Optimierung der Probenstangenabschirmung und Filterung des Pulse-Bias-Stroms bewirkt eine Reduktion potentieller Störeinflüsse durch elektromagnetische Interferenz und Übersprechen.
Erstmalig erfolgen im Verlauf der Arbeit Wechselspannungsvergleiche zwischen zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen zur Überprüfung der Amplitudengenauigkeit für einen Frequenzbereich bis 500 kHz. Die hochfrequenten Amplitudenabweichungen durch die Ausgangsverkabelung und den Pulse-Bias-Strom werden systematisch analysiert. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit dem erstellten Modell über ein und liegen für alle untersuchten Konfigurationen nach Korrektur der erwarteten Frequenzabhängigkeit innerhalb ±1 μV/V bis 500 kHz.
Abschließend erzeugt die optimierte Josephson-Spannungsrauschquelle verzerrungsarme Mehrtonwellenformen zur Kalibrierung des Frequenzgangs und Untersuchung der Signalverstärkungslinearität kritischer Rauschthermometerkomponenten. Der Vergleich unterschiedlicher Mehrtonwellenformen demonstriert den Einfluss von Intermodulationsverzerrung während der Kalibrierung. Es kann eine Verstärkungslinearität des Signalpfads einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers und eines Prototyp-Verstärkers für das neue Thermometer 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. Darüber hinaus liefern die Erkenntnisse substanzielle Beiträge zum vertieften Verständnis pulsgetriebener Josephson-Spannungsnormale bis 500 kHz. Ferner tragen die Ergebnisse zur Verbesserung des zukünftigen Rauschthermometers bei.