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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., In this thesis a quantum-based reference voltage noise source for metrological applications in primary noise thermometry is built and characterised. The main objective of the work is to optimise the noise source for operation in the frequency range up to 225 kHz and to ensure amplitude accuracy at the single-digit μV/V level in future noise thermometer calibrations. The system is based on pulse-driven Josephson junctions connected in series and enables quantum-based voltages to be generated. After the comprehensive system characterisation and description, the excellent functionality offered by the Josephson voltage noise source is experimentally demonstrated. Optimising the cryoprobe shielding and filtering of the pulse bias current efficiently reduces additional possible errors from electromagnetic interference and crosstalk. For the first time, AC voltage comparisons between two pulse-driven Josephson voltage standards for a signal frequency range up to 500 kHz have been carried out as part of this work in order to check the system’s amplitude accuracy. High-frequency amplitude deviations due to the output cabling and the pulse bias current are analysed systematically. The measurement results show very good agreement with the model created and are within ±1 μV/V up to 500 kHz for all configurations investigated, once the expected frequency dependence is corrected. Finally, the optimised Josephson voltage noise source generates low-distortion multi-tone waveforms for calibration of the frequency response and investigation of the signal gain linearity of critical noise thermometer components. Two different types of multi-tone waveforms are compared to demonstrate the effect of intermodulation distortion during calibration. A gain linearity of the signal path including a prototype amplifier for the new noise thermometer and an analogue-to-digital-converter is experimentally demonstrated within ±2 μV/V for input-referred noise levels from 9.7 μV to 465 μV. The results of this work prove the suitability and accuracy of the Josephson voltage noise source for the calibration of the new noise thermometer up to 225 kHz. Furthermore, this work has thoroughly extended the understanding of pulse-driven Josephson voltage standards up to 500 kHz. Moreover, the results contribute to the improvement of the future noise thermometer., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 71

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 µA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 µA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden. Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCA-Variante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren. Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 µA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird., The importance of small direct currents in the sub-nano ampere range is steadily increasing in science and technology. The highest accuracy requirements currently exist in the characterization of single electron pumps. Uncertainties of below 0.1 µA/A at 100 pA are required. Until 2014, however, only uncertainties of typically 10 µA/A were possible in this range. In the past years, the development of the ultrastable low-noise current amplifier (ULCA) has enabled significant improvement of the measurement uncertainty in the field of small-current metrology, and new world records were achieved in the field of single-electron pump research. The ULCA is a semiconductor-based amplifier for the measurement and generation of small currents. Its gain factor (transresistance) is extremely stable. At very low currents, however, the noise level of 2.4 fA/sqrt(Hz) limits the uncertainty achievable in practice. Within the scope of this work, the ULCA was further developed and optimized. For this purpose, a model for noise and input bias current was developed. This model was used to develop a noise-optimized ULCA variant that achieves an improved noise level without degradation in stability. The unchanged high stability was proven by extensive measurements. The noise-optimized ULCA therefore allows one to reduce the long measurement times in the characterization of single-electron pumps for a given uncertainty by up to a factor of two. For very small currents of below about 1 pA an ULCA variant with minimal noise was developed. It achieves a noise level of 0.4 fA/sqrt(Hz) and allows uncertainties down to 10 µA/A. In addition, the input bias current of this variant is below 100 aA and is very stable as a function of time and temperature. As a result, the polarity reversal of the measuring current typically used for precision measurements to suppress offset effects is not required in many cases. With this ULCA variant, the current noise of cables was investigated, and a low-noise cabling for cryogenic measurement setups of single-electron pumps was found. The results of this work provided valuable contributions to the precision measurement of small direct currents. The noise-optimized ULCA is now commercially available and it is to be expected that this instrument will establish itself as a standard in small-current metrology., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 67