Back to search

OFFPHD-Offentlig sektor-ph.d.

Design of optically controlled AC Josephson arrays and voltage dividers for high precision voltage metrology

Alternative title: Design av optisk kontrollerte AC Josephson arrays og spenningsdelere for høypresisjons spenningsmetrologi

Awarded: NOK 1.6 mill.

Measurements are becoming ever more important in our modern society, and increased accuracy and measurement frequency requirements are set. These demands led to the new SI system in 20th May 2019, where finally, the system was based on fundamental constants, rather than physical objects. This is a more robust system, and the primary standards have in principle now been made universally available. Increased consumption of electrical power and the development of more complex instruments have increased the demand to the traceability of the electrical units. To satisfy these requirements it is necessary to improve the traceability in both the realisation and the traceability transfer. Since the Josephson effect was introduced as the primary standard for AC voltage in 1990 it has been worked on methods to utilize this phenomenon realise quantum-accurate ac voltage waveforms as well. One method is to use photodiodes to operate Josephson arrays using fast current pulses. In this PhD research, work with development and use of unipolar and bipolar photodiode modules in liquid helium has been done. Mechanical robustness, optical connection, fast laser pulsation and sampling techniques have been important considerations in this work. Through this research, we have been able to synthesize quantum-accurate unipolar voltage waveforms via an optical interface. For bipolar waveforms however, we still need to do some more work. In large energy-demanding appliances such as chargers for electric cars, it is necessary for an extended traceability for voltage. To extend the traceability up to 1000 V, this voltage has to be scaled down to a few volt, so that it can be compared to realised voltages. This can be done by including a voltage divider, and preferably, a voltage divider loaded by a buffer amplifier. In this PhD research, it has been worked on the development of a buffer amplifier to be used in the voltage range 0.5-5 V from DC to 1 MHz with a frequency response less than 250 µV/V. It has also been worked on the development of a 10:1 resistive voltage divider for the voltage range 5-50 V from DC to 100 kHz with a frequency response of less than 125 µV/V.

Prosjektet har bidratt til å knytte sammen Metrologimiljøene i Norge, Finland, Storbritannia og Tyskland. Det har blitt utviklet felles instrumentering for optisk styring av Josephsonoverganger og arbeidet vil fortsette etter doktorgraden avsluttes.

Etter at Josephson effekten i 1990 ble innført som standard for likespenning (DCV) har det lenge vært ønsket å realisere vekselspenning (ACV) på en tilsvarende måte. I den anledning deltar Justervesenet i det europeiske forskningsprosjektet Q-Wave, som har for mål å utvikle et Josephson-system for ACV. Aller helst skal vi kunne realisere spenninger opp mot 1V i frekvensområdet 0Hz til 10MHz. Behovet for å utvikle en slik fullverdig realisering av ACV er å bedre kunne imøtekomme elektronikkindustriens store og økende behov for nøyaktighet på området, særlig når det gjelder konverteringer mellom analoge og digitale signaler. Doktorgradsarbeidet vil være med på å utvikle vår kompetanse innen ACV, og vil være en del av en videreføring av Q-Wave prosjektet. Arbeidet vil bestå av to hovedbolker. Utvikling av et eget AC-Josephson (ACJ) oppsett for å realisere ACV, og utvikling av beregnbare spenningsdelere. Første bolk består i å utvikle en robust fiberoptisk styring av ACJ-brikker ved 4K, karakterisere frekvensrespons, kvantisere gevinst av optisk versus elektrisk styring av ACJ, samt demonstrere økt spenning ved seriekobling av ACJ-brikker. Andre bolk vil bestå i å utvikle spenningsdelerne med markedsledende usikkerhet. En av hovedhensiktene med Justervesenets nasjonale laboratorium er å drive med forskning og utvikling innen målefysikk, noe som er med på å styrke tiltroen til presisjonen i norske næringer. Gjennom prosjekter slik som dette, EMPIR og Q-Wave vil vi kunne skape et mye tettere samarbeid med andre mer erfarne nasjonale laboratorier som PTB og NPL hvilket vil styrke vår organisasjon. For å videre kunne delta på EMPIR-prosjekter ser vi at våre allerede sterke kompetanser må ytterligere styrkes. Doktorgradsprosjektet vil bidra til videre oppbyggingen av Justervesenets forskningsmiljø, så vi i større grad vil kunne hevde oss i fagfelt med rask utvikling. Som følge av dette prosjektet vil vi også betydelig forbedre vår måledyktighet og tjenestetilbud.

Publications from Cristin

No publications found

No publications found

No publications found

No publications found

Funding scheme:

OFFPHD-Offentlig sektor-ph.d.

Funding Sources