Four Terminal Pair Impedance Bridge based on two pulse-driven Josephson Arrays and a Graphene Quantum Hall System
This research presents the successful development and comprehensive characterizations of a four-terminal-pair Josephson impedance bridge based on a pulse-driven Josephson voltage standard. The four-terminal-pair configuration reduces cable and connector errors and ensures that the bridge is immune from external disturbances.The pulse-driven Josephson voltage standard produces pure sine wave voltages in impedance bridges, offering various advantages. This approach simplifies the bridge setup compared to traditional inductive voltage divider (IVD) networks. Additionally, the Josephson standard provides voltages with a broad range of frequencies compared to a single IVD-based source, expanding the operational frequency range of the Josephson bridge from 53 Hz to 50 kHz, depending on the compared impedances. Furthermore, impedance measurements can be performed across a wide integer and non-integer ratio range from 1:1 to 1:10. The bridges are utilized to measure capacitance ratios between two 10 nF capacitance standards across a frequency range from 53 Hz to 50 kHz. The bridge achieves uncertainties from 2 nF/F to 185 nF/F. The ratios obtained from the Josephson bridges exhibit excellent agreement with results achieved from a PTB's IVD-based impedance bridge, with the smallest deviation being -2 nF/F ± 3 nF/F (k = 1) at 1,233.15 Hz.Moreover, the bridges are capable of measuring resistance ratios between 12.9 kΩ and 10 kΩ resistance standards spanning a frequency range from 53 Hz to 50 kHz. The bridge achieves uncertainties from 4 nΩ/Ω to 24 nΩ/Ω. At the lowest frequency of 53 Hz, the deviation of the value achieved by the bridge from a DC value obtained from a PTB's 14-bit cryogenic current comparator bridge is -4 nΩ/Ω ± 5 nΩ/Ω (k = 1).
The Josephson bridges demonstrate remarkable versatility by enabling ratio and quadrature measurements without the need for additional components. Two sets of measurements are conducted, each involving a 10 nF capacitance standard and a 12.9 kΩ resistance standard, to estimate an indirect capacitance ratio. The calculated ratios are compared with the values obtained from the IVD-based impedance bridge. The results demonstrate a minimum deviation of -5 nF/F ± 13 nF/F (k = 1).Furthermore, measurements with an AC graphene QHR, including resistance ratio and quadrature measurements are carried out over a frequency range from 246 Hz to 30 kHz contingent on the impedances being compared. The measurements yield uncertainties from 23 nΩ/Ω to 0.5 µΩ/Ω.
Diese Forschungsarbeit stellt die erfolgreiche Entwicklung und umfassende Charakterisierung einer Vier-Tor-Impedanzmessbrücke vor, die auf einem pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormal basiert. Die Vier-Tor-Konfiguration reduziert Kabel- und Kontaktfehler und gewährleistet, dass die Brücke immun gegen externe Störungen ist. Das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal erzeugt reiner Sinusspannungen in Impedanz-messbrücken bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Impedanzmessbrücken mit induktiven Spannungsteilern (IVD). Dieser Ansatz vereinfacht den Brückenaufbau und erweitert den Frequenzbereich auf 53 Hz bis 50 kHz, je nach den zu messenden Impedanzen. Darüber hinaus können Messungen für beliebige Impedanzverhältnisse im Bereich von 1:1 bis 1:10 durchgeführt werden. Die Josephson-Impedanzmessbrücken werden zur Messung von Kapazitätsverhältnissen zwischen zwei 10 nF-Kapazitätsnormalen über einen Frequenzbereich von 53 Hz bis 50 kHz eingesetzt und erreicht Messunsicherheiten, die von 2 nF/F bis 185 nF/F reichen. Die mit den Josephson-Impedanzmessbrücken erzielten Verhältnisse stimmen hervorragend mit den Ergebnissen einer IVD-Impedanzmessbrücke der PTB überein, wobei die geringste Abweichung -2 nF/F ± 3 nF/F (k = 1) bei 1.233,15 Hz beträgt. Darüber hinaus sind die Brücken in der Lage, Widerstandsverhältnisse zwischen 12,9 kΩ und 10 kΩ über einen Frequenzbereich von 53 Hz bis 50 kHz zu messen. Dabei erreicht die Brücke Messunsicherheiten von 4 nΩ/Ω bis 24 nΩ/Ω. Bei der niedrigsten Frequenz von 53 Hz beträgt die Abweichung zu einem Gleichstromwert, der mit einer 14-Bit-Kryo-stromkomparatorbrücke der PTB gemessen wurde, -4 nΩ/Ω ± 5 nΩ/Ω (k = 1). Die Josephson-Impedanzmessbrücken zeigen eine bemerkenswerte Vielseitigkeit, da sie Verhältnis- und Quadraturmessungen ohne zusätzliche Komponenten ermöglichen. Zwei Sätze von Messungen durchgeführt werden, jeweils zwischen einem 10 nF-Kapazitätsnormal und einem 12,9 kΩ-Widerstandsnormal, um ein indirektes Kapazitätsverhältnis zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen eine minimale Abweichung von -5 nF/F ± 13 nF/F (k = 1). Darüber hinaus werden Messungen mit einem AC-Graphen QHR, einschließlich Widerstandsverhältnis- und Quadraturmessungen, über Frequenzen von 246 Hz bis 30 kHz durchgeführt, je nach den zu vergleichenden Impedanzen. Die Messungen ergeben Messunsicherheiten von 23 nΩ/Ω bis 0.5 µΩ/Ω.
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