Rückgeführte räumlich aufgelöste Erzeugung und Messung der magnetischen Flussdichte

Rott, Nicolas

doi:10.24355/dbbs.084-202210280914-0

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Rückgeführte räumlich aufgelöste Erzeugung und Messung der magnetischen Flussdichte

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In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für metrologische 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.

The generation and measurement of the magnetic flux density vector require the traceability to the unit Tesla, moreover the direction can be subject of a calibration both in relation to a coordinate system and the alignment of the individual axes to each other. If one leaves the homogeneous field and considers the spatial distribution of the flux density vector, the field generator and also the sensor acquire an additional spatial dependence. This work provide a foundation to represent the flux density vector as a spatially resolved quantity and to extend the traceability of the unit Tesla by the angular and length division.

On the generation side, this work deals with the calculation, construction and validation of a 3D field coil. Besides the homogeneity of the magnetic flux density, the orthogonality of the coil axes to each other is optimized. The coil system is able to generate gradient and saddle fields and their suitability for position determination is investigated. The goal was a transfer standard whose flux density vectors are functionally known in a spatially resolved manner.

For the measurement, a sensor body is introduced whose mirror surfaces allow its direction and position to be determined optically. The mirror surfaces thereby define a coordinate system in which, the directions and positions of the magnetic field sensors can be determined. Hall chips are used as sensors, the position of which are traced via an opto-tactile coordinate measuring device. Different measurement methods for direction and position determination from the magnetic field are investigated with these sensors and the achievable uncertainties are determined. Thus, these 3D sensors are transfer standards for measuring the flux density vector with known direction and position.