基于可編程約瑟夫森直流電壓標準的量子直流納伏電壓標準研究

朱 珠,康 焱,張力丹,胡毅飛

(北京無線電計量測試研究所,北京 100039)

1 引言

納伏級直流電壓的測量在國防計量測試領域應用十分廣泛,主要應用于航天、國防設備中低電壓控制信號的精密測量、精密低電壓校準以及壓力、溫度等非電量精密傳感器或敏感元件的低電壓輸出測量等各個領域。近年來,由于國防系統(tǒng)中用于測量納伏級直流電壓的電位差計使用起來操作復雜,而納伏表具有體積小、操作簡便的特點,使其逐步代替了電位差計,成為計量標準、測量裝置的重要組成部分。隨著納伏表及高準確度數字直流電壓表在直流小電壓測量中的應用越來越廣泛,國防系統(tǒng)對納伏量級直流電壓的校準需求逐漸增大,致使納伏級直流電壓的溯源需求越來越迫切。目前,納伏表的代表設備有:美國是德科技34420A、美國吉時利公司2182A 等,其測量直流電壓的最小量程為1 mV,分辨力可達到0.1 nV。雖然納伏表在國防系統(tǒng)的廣泛使用使納伏級微小直流電壓的溯源需求越來越迫切,但是受到現有標準儀器對納伏級微小直流電壓量值傳遞能力的限制,目前標準儀器和方法還無法完善納伏級微小直流電壓的量值溯源。電磁學標準裝置采用實物標準如標準源進行量傳,只能實現下限10 mV 的量值傳遞,目前,由北京無線電計量測試研究所研建的可編程量子直流電壓標準也只能實現直流電壓下限至1 mV 量傳能力。另外,采用傳統(tǒng)的分壓器分壓方式進行納伏級微小直流電壓量傳時,雖然在理論上可達到微伏量級甚至低至100 nV,但受到分壓器的固有熱噪聲、直流標準源的固有噪聲以及系統(tǒng)熱電勢的影響,其實際測量不確定度較大且復現性不好,無法較好的滿足納伏級直流電壓的量值溯源需求。

隨著量子測量技術的發(fā)展,以量子物理學為理論基礎的量子計量基準顯示出了其特有的優(yōu)越性,其溯源于自然常數,具有準確度高、不受其它量影響等優(yōu)點[1],可為進一步完善直流電壓基本量的高準確度溯源提供新的手段。目前國外知名計量機構,如德國PTB 和美國NIST 等,已開始采用量子技術實現納伏級直流電壓的量值傳遞。北京無線電計量測試研究所自八十年代起就開展了量子標準的研究工作,保存著直流電壓國家副基準裝置,還研制了可用于1 mV 直流電壓量值傳遞的可編程約瑟夫森直流電壓標準裝置,并開展校準工作。基于可編程約瑟夫森直流電壓標準,建立量子直流納伏電壓標準裝置,利用量子測量技術開展納伏級直流電壓校準技術研究,可有效的解決國防計量中納伏級直流電壓的量值溯源需求,完善納伏級直流電壓溯源鏈,為國防裝備納伏級直流電壓量值準確統(tǒng)一提供有力的計量保障。

2 可編程約瑟夫森直流電壓標準

2.1 交流約瑟夫森效應

超導電流是超導體內的超導電子定向運動而形成的,當電流大于臨界電流時,約瑟夫森結的兩端將產生電壓。當在約瑟夫森結的兩端加直流電壓時,約瑟夫森結中將產生交變的射頻電流,這種現象稱之為交流約瑟夫森效應[2]。因此,根據交流約瑟夫森效應,當將符合一定條件的微波輻照于超導狀態(tài)下的約瑟夫森結,約瑟夫森結的兩端將產生直流電壓,直流電壓與微波頻率的關系為[3]:

式中:n——約瑟夫森結的臺階數;f——微波頻率,GHz;KJ——約瑟夫森常數,GHz/V。

2.2 可編程約瑟夫森直流電壓標準組成

可編程約瑟夫森直流電壓標準主要由可編程約瑟夫森陣列結、微波系統(tǒng)、直流偏置源、低溫測試探桿、低溫系統(tǒng)等組成,其原理框圖如圖1 所示。

圖1 可編程約瑟夫森直流電壓標準原理框圖Fig.1 Block diagram of programable Josephson DC voltage standard

可編程約瑟夫森結為按二進制序列排列的串聯結陣,通過直流偏置源對不同數量的結陣進行驅動,從而得到不同的量子電壓輸出[4,5]:

式中:N——約瑟夫森結的個數;Vn——單個約瑟夫森結產生的量子電壓值,V。

由式(1)和式(2)可知,可編程直流電壓標準是通過改變驅動的約瑟夫森結的個數N來改變量子電壓的輸出量值[6],從而實現量子電壓的可編程輸出,輸出量子電壓的最小步進為單個量子電壓臺階所對應的量子電壓值[7,8]。

3 量子直流納伏電壓標準

3.1 量子直流納伏電壓標準實現原理

為了得到量子直流納伏電壓量值,采用改變兩路約瑟夫森結的輻照微波頻率的方式,對兩路約瑟夫森結進行微波差分驅動控制,從而得到所需的量子化微小直流電壓量值為:

式中:n1,n2——兩路約瑟夫森結的臺階數,取-1,0,1;N1,N2——兩路約瑟夫森結的個數;f1,f2——兩路微波頻率,GHz;KJ——約瑟夫森常數,GHz/V。

當兩路約瑟夫森結的臺階數n1=n2=n,兩路約瑟夫森結的個數N1=N2=N時,式(3)可以變換為:

由式(4)可知,固定驅動兩路約瑟夫森陣列結的個數和臺階數,通過改變兩路約瑟夫森陣列結微波驅動頻率就可以得到量子納伏直流電壓信號。

由上可知,采用兩套可編程約瑟夫森直流電壓標準通過頻率差分驅動就可以組建量子直流納伏電壓標準,得到量子直流納伏電壓信號,其原理框圖如圖2 所示。

圖2 基于兩套可編程約瑟夫森直流電壓標準的量子直流納伏電壓標準原理框圖Fig.2 Block diagram of quantum DC nanovolt voltage standard based on two sets of programmable Josephson voltage standard

3.2 量子直流納伏電壓標準改進設計

上述方案是基于約瑟夫森可編程直流電壓標準原理,采用兩套可編程量子直流電壓標準,通過不同微波頻率對兩個可編程量子直流電壓陣列結進行驅動,從而使兩套可編程量子直流電壓標準輸出量值相近的量子化直流電壓臺階,再通過兩套可編程量子直流電壓標準取差值的方法得到納伏級量子直流電壓。該方案可以實現100 nV～10 V 直流量子電壓的輸出,分辨力可以達到1 nV 甚至更小,但是由于同時運行兩套可編程量子電壓標準技術難度較大,僅適用于科學研究及納伏級直流電壓的測試驗證工作,不適合經常性的開展量值傳遞工作。另外,采用兩套低溫系統(tǒng)實現納伏電壓標準時,兩套系統(tǒng)的溫差熱電勢不平衡將會疊加到測量鏈路引入的變化熱電勢上,給系統(tǒng)的不確定度評估帶來一定的困難。

在原有兩套約瑟夫森可編程直流電壓標準差分驅動實現量子納伏電壓標準原理的基礎上,對上述方案進行優(yōu)化設計。采用兩片可編程約瑟夫森結封裝在一個電路板上,在一套低溫系統(tǒng)中實現納伏級量子化直流電壓的輸出,其原理如圖3 所示。該設計方案不僅解決了同時運行兩套約瑟夫森可編程直流電壓標準操作困難的問題并降低了運行成本,而且還避免了由兩套低溫系統(tǒng)測量引線的溫差熱電勢對測量結果引入的不確定度影響,提高了標準的性能。同時,本方案采用頻率差分驅動與傳統(tǒng)的約瑟夫森陣列結個數控制相結合的方式拓寬了標準的量子電壓輸出范圍,滿足國防計量對納伏級直流電壓的量值溯源需求。

圖3 量子直流納伏電壓標準原理框圖Fig.3 Block diagram of quantum DC nanovolt voltage standard

4 試驗驗證結果分析

由于量子直流納伏電壓標準屬于量子化電壓標準,只能采取比對的方式對其技術指標進行驗證。我們采用可編程量子直流電壓標準對量子直流納伏電壓標準的技術指標進行驗證。量子直流納伏電壓標準測量范圍為1 μV～1 mV,不確定度為20 nV (k=2);選用的可編程量子直流電壓標準工作頻率范圍為(69～71) GHz,測量范圍150 μV～10 V,不確定度為10 nV (k=2)。驗證1 mV 時,量子直流納伏電壓標準與可編程量子直流電壓標準分別輸出1 mV,由34420A 進行測量;驗證100 μV 時,量子直流納伏電壓標準直接輸出100 μV,由34420A 進行測量,可編程量子直流電壓標準通過設定不同的微波頻率,輸出兩個量值相差100 μV 的量子電壓值,由34420A 分別進行測量,并通過計算兩次測量結果的差值得到100 μV;驗證10 μV 和1 μV時也按照100 μV 相同的方法進行。測量結果如表1 所示,其中,V1為量子直流納伏電壓標準輸出時34420A 的測量值,V2為可編程量子直流電壓標準輸出時34420A 的測量值,其中在1 mV 點為直接測量結果,在100 μV,10 μV,1 μV則為兩次測量結果的差值。

表1 直流電壓試驗驗證結果Tab.1 DC voltage verification results

通過表1 可以看出,量子直流納伏電壓標準與可編程量子直流電壓標準的測量結果具有很好的一致性,驗證了量子直流納伏電壓標準的不確定度。

5 結束語

量子直流納伏電壓標準的研制,能夠提供高準確度納伏級量子化直流電壓信號,作為納伏級直流電壓量值溯源的最高源頭,解決納伏級直流電壓的量值溯源,提升武器裝備及其測試設備的測量能力,為國防武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的有效發(fā)揮提供有力的計量保障。同時,量子直流納伏電壓標準還可以廣泛應用于國防測量設備如高準確度直流數字表、納伏表等的納伏級直流電壓校準領域,滿足國防裝備納伏級直流電壓溯源的應用需求。