電學前沿計量技術在航天型號保障中的應用

黃曉釘 佟亞珍 蔡建臻

(北京東方計量測試研究所，北京 100190)

1 引 言

在航天器中齊納電壓基準、電阻基準和頻率基準是常用的內附基準，是航天器中多種測量和控制的參考點，對航天器的控制具有重要意義。由于齊納電壓基準、電阻基準會隨時間發生漂移，因此對于長期運行的衛星或長期儲存導彈的可靠性產生不良影響。確定內附電學基準長期變化量是航天產品研制和使用的關鍵任務之一，可為產品設計提供依據，為產品使用提供修正參數，對保障航天器的質量具有重要作用。由于在短期內電學基準的變化量極小，很難測量，通常采用年穩定性考核的方式實現，但效率過低、嚴重影響產品研制進度，成為航天產品研制亟待解決的問題。

電量的測量在控制及測量領域具有重要的基礎作用，在航天器中有大量的電量和非電量需要準確測量，很多非電量是通過傳感器轉換為電信號實現測量，因此電測量的靈敏度、穩定性、線性度是傳感器測量準確度的基礎，靈敏度和穩定性由傳感器的特性決定，線性度需通過校準得到，對于毫伏、微伏量級的小電壓，由于沒有小量值的標準電壓，不易校準，成為影響控制精度的關鍵因素，是當前航天傳感器校準的突出問題。

隨著航天技術的發展，衛星電推進技術取得新進展，采用電脈沖形成離子推進器，可節省寶貴的燃料，成為新型高軌衛星空間姿態調整的發展趨勢，但需要對電脈沖進行準確測量，確定其脈沖波形的上升時間、脈寬、下降時間等參數，其中需要通過電阻實現脈沖電壓的分壓和脈沖電流到電壓的轉換，而電阻具有時間常數，會產生時延，因而不能準確得到脈沖上升時間和下降時間。電阻時間常數的校準成為電脈沖測量的基本問題，測量電阻的時間常數通常采用與交流標準電阻進行比較的方式完成，但國內目前沒有建立交流電阻標準，成為電學計量的突出問題。

針對以上問題，本文提出采用電學量子基準和計算基準的解決方案。

2 電學量子基準技術

2.1 量子電壓基準

約瑟夫森效應是實現量子電壓基準的物理基礎，其特性為：采用兩塊被一絕緣層分開的超導體—如相隔1nm的超導鉛膜，形成S-I-S結構，如圖1所示。在接近絕對零度的條件下，用頻率為f的微波輻照約瑟夫森結，其電流-電壓特性曲線上會呈現出電流的臺階，如圖2所示。第n個臺階的電壓V和輻射頻率f的關系如下[1]

V=nf/KJ=nfh/2e

(1)

式中：n——整數；KJ——約瑟夫森常數;KJ=2e/h；h——普朗克常數；e——電子電荷量。

圖1 SIS結構約瑟夫森電壓器件Fig.1 Josephson voltage device with SIS structure

圖2 約瑟夫森效應電流電壓特性曲線Fig.2 I-V curve of the josephson effect

該效應由約瑟夫森發現，并于1975年獲得諾貝爾物理學獎。由多個約瑟夫森結串聯可組成量子電壓基準，其中1V、10V是常用基準。

2.2 可編程量子電壓基準

可編程量子電壓基準采用SINIS型約瑟夫森結陣建立，平臺更穩定，有效克服了SIS結陣臺階易跳躍的問題，可編程量子電壓基準對串聯陣列以二進制的形式分段[2,3]，輸出電壓可以任意設定，如圖3所示，隨著輻射頻率的不同，一個約瑟夫森結的輸出電壓可為十幾微伏至一百余微伏，通過二進制與十進制的轉換可得到從10μV～10V的任意點的電壓標準值，標準量值的不確定在10-7至10-9量級。目前1V可編程量子電壓基準比較成熟，不確定度可達10-9量級，10V可編程量子電壓基準難度較高，德國PTB采用64000結的二進制串聯陣列，實現了10V可編程量子電壓基準。

圖3 可編程約瑟夫森陣列Fig.3 Programmable josephson array

2.3 量子電阻基準

量子化霍爾效應是實現量子電阻基準的物理基礎，其特性為：采用高遷移率的半導體器件—如砷化鎵異質結實現“二維電子氣”結構，當溫度低到約1k左右時，外加一個約10T的強磁場，這時電子被完全極化。在通過器件的電流固定時，在霍爾電壓隨磁感應強度變化的曲線上，存在一些區域，在這些區域中，當磁感應強度變化時，霍爾電壓保持不變，這種現象稱為量子化霍爾效應，如圖4所示。這些恒定霍爾電壓的區域稱為霍爾平臺，由德國科學家馮·克里青發現[1]，并于1985年獲得諾貝爾物理學獎，量子化霍爾電阻Rh表示為

Rh=RH/i=h/ie2i=1,2,….

(2)

式中：RH——馮·克里青常數，RH=h/e2；i——正整數。

在實際應用中，一般使用霍爾平臺i=2作為量子電阻基準，其對應的霍爾電阻的量值為12906.4035Ω，該量值可通過高準確度的電流比較儀傳遞到1Ω實物基準，為電阻工作基準提供溯源途徑[4,5]。

圖4 量子化霍爾效應Fig.4 Quantum hall effect

2.4 交流量子電阻基準

近十余年，交流量子化霍爾效應是國際上復現交流阻抗量值的新方向，假定量子化霍爾效應在交流時仍成立，在量子化霍爾樣品中通以交流電流，由此就可直接得到交流量子電阻的量值，再用電橋法傳遞到實物交流電阻、電容和電感。但是在常規的量子化霍爾電阻樣品上實現交流量子化霍爾效應，其值呈現隨頻率變化的趨勢[6](如圖5所示)，與直流值的偏差為10-5至10-6量級。

圖5 交流量子化霍爾效應存在的問題Fig.5 Problem of the AC quantum hall effect

國際上對交流量子化霍爾效應進行了系統的研究，發現量子化霍爾電阻在交流工作狀態下仍存在頻率響應的問題，其主要原因是縱向電阻率的存在[7]，通過在量子化霍爾電阻器件底部增加兩片分裂的屏蔽門，并對這兩片屏蔽門施加電壓可以補償頻率和電壓誤差，使得音頻范圍內的交直流量子霍爾電阻值的差控制在2×10-8，如圖6所示。

圖6 交流量子化霍爾電阻結構Fig.6 Structure of the AC quantum hall resistance

3 計算電阻技術

在交流狀態下，電阻器中存在分布參數以及趨膚效應、鄰近效應等附加損耗，這主要由電阻器的形狀和電阻絲的位置決定。交直流差可計算電阻是一種形狀規則的電阻器，其周圍的電磁場可以準確地計算，從而使分布電感、分布電容、趨膚效應等均可計算出來，進而準確計算出電阻絲通以交流電時其電阻分量與直流時的差別，這樣就可完成從直流電阻到交流電阻的轉換，直流電阻可溯源到量子化霍爾電阻，因此交流電阻也有了可溯源性。交直流差可計算電阻通常有以下設計類型：同軸型[8](如圖7所示)、二維四極子型[9](如圖8所示)以及二維八極子型[10](如圖9所示)。

圖7 同軸型交直流可計算差電阻Fig.7 Coaxial resistor with calculable frequency dependence

圖8 二維四極子型交直流可計算差電阻Fig.8 Quadrifilar reversed resistor with calculable frequency dependence

圖9 二維八極子型交直流可計算差電阻Fig.9 Octofilar resistor with calculable frequency dependence

4 應用

通過對齊納電壓基準和電阻基準的物理和化學性質分析，高精度的齊納電壓標準和電阻標準的變化特性是隨時間單向變化的，多年的實測經驗證明了該結論。由于通過多年長期考核的方法確定電阻變化量的成本高、效率低、不易實現，而通過常規方法的短期考核極難發現其變化。因量子電阻的測量不確定度可達10-9量級，若采用其測量航天器中電阻基準短期變化量，可測量得到每天10-9量級的變化量，從而推算出月、年的變化量，乃至長達十年的變化量，對航天器的穩定控制具有重要作用；同樣齊納電壓也可采用該方法得到長期的變化量。

采用可編程量子電壓可以極小的不確定度校準多種傳感器輸出的毫伏、微伏量級電壓的線性度，其中標準電壓的不確定度在10-9量級，小于分辨力、熱電勢及各種干擾引入的不確定度，對航天器中傳感器測量靈敏度和準確度具有重要意義。

采用交直流差可計算電阻或交流量子化霍爾電阻可在10-9秒量級確定電脈沖測量中電阻引入的時延，對航天器中電推進系統的精確控制具有重要作用。

5 結束語

本文采用當前電學計量領域的國際前沿技術—量子基準和計算基準，有效解決了航天器中電學基準的長期穩定性、多種傳感器輸出電信號的線性度、電脈沖測量電阻引入的時延等航天電測領域的難題，具有準確度高、可實現性強的特點，為航天器研制提供了關鍵的計量保障。