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, auch bekannt als Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, erzeugt quantenbasierte Spannungen mit hervorragender Amplitudenstabilität. Die Verwendung von zwei Josephson-Schaltungen zur Erzeugung reiner Sinusspannungen in Impedanzmessbrücken 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 durch die flexible Einstellung von Phasenwinkeln und Amplitudenverhältnissen zwischen den beiden Josephson-Schaltungen Messungen für beliebige Impedanzverhältnisse im Bereich von 1:1 bis 1:10 durchgeführt werden. Die Josephson-Impedanzmessbrücken erleichtern damit sowohl Verhältnis-als auch Quadraturmessungen und stellen so eine direkte Verbindung zwischen einem Impedanznormal und einem graphenbasierten Quanten-Hall-Widerstandsnormal (QHR) her. Diese Flexibilität und Anpassungsfähigkeit überwindet somit die Einschränkungen herkömmlicher Impedanzmessbrücken, die in der Regel bei festen Verhältnissen und Frequenzen innerhalb weniger kHz arbeiten. Die Josephson-Impedanzmessbrücke ist in zwei Konfigurationen entwickelt worden. In einer früheren Phase erforderte die Brücke einen manuellen Abgleich, während die jetzige Brücke mit verbesserten Stromversorgungsquellen und Detektoren vollständig automatisiert ist. Beide Konfigurationen wurden einer gründlichen Bewertung, Validierung und umfassenden Unsicherheitsanalysen unterzogen. Die automatisierte Brücke liefert hochpräzise Ergebnisse und weist eine ausgezeichnete Stabilität auf, die die Unsicherheiten auf ein Niveau reduziert, das mit dem konventioneller Brücken vergleichbar ist. 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 und damit den Aufbau im Vergleich zu herkömmlichen Brücken, die komplexe Quadraturnetzwerke erfordern, vereinfachen. Mit der Quadraturkonfiguration können 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 berechneten Verhältnisse werden mit den von der IVD-Impedanzmessbrücke erhaltenen Werten verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine minimale Abweichung von −5 nF/F ± 13 nF/F (k =1). Die Bewertung des indirekten Verhältnisses dient als Indikator für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit als Quadraturbrücke, indem sie mit einem Referenzwert einer herkömmlichen Impedanzmessbrücke verglichen wird. 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 im Bereich von 23 nΩ/Ω bis 0.5 μΩ/Ω. Die Hauptquelle der Messunsicherheit ist auf die frequenzabhängigen Eigenschaften der AC QHR zurückzuführen. Alle Messungen weisen eine hohe Reproduzierbarkeit innerhalb ihrer jeweiligen Messunsicherheitsbereiche auf. Darüber hinaus konnte durch Allan-Analysen gezeigt werden, dass das gemessene Rauschen mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmt.weiterlesen