基于可编程约瑟夫森直流电压标准的量子直流纳伏电压标准研究

朱 珠,康 焱,张力丹,胡毅飞

(北京无线电计量测试研究所,北京 100039)

1 引言

纳伏级直流电压的测量在国防计量测试领域应用十分广泛,主要应用于航天、国防设备中低电压控制信号的精密测量、精密低电压校准以及压力、温度等非电量精密传感器或敏感元件的低电压输出测量等各个领域。近年来,由于国防系统中用于测量纳伏级直流电压的电位差计使用起来操作复杂,而纳伏表具有体积小、操作简便的特点,使其逐步代替了电位差计,成为计量标准、测量装置的重要组成部分。随着纳伏表及高准确度数字直流电压表在直流小电压测量中的应用越来越广泛,国防系统对纳伏量级直流电压的校准需求逐渐增大,致使纳伏级直流电压的溯源需求越来越迫切。目前,纳伏表的代表设备有:美国是德科技34420A、美国吉时利公司2182A 等,其测量直流电压的最小量程为1 mV,分辨力可达到0.1 nV。虽然纳伏表在国防系统的广泛使用使纳伏级微小直流电压的溯源需求越来越迫切,但是受到现有标准仪器对纳伏级微小直流电压量值传递能力的限制,目前标准仪器和方法还无法完善纳伏级微小直流电压的量值溯源。电磁学标准装置采用实物标准如标准源进行量传,只能实现下限10 mV 的量值传递,目前,由北京无线电计量测试研究所研建的可编程量子直流电压标准也只能实现直流电压下限至1 mV 量传能力。另外,采用传统的分压器分压方式进行纳伏级微小直流电压量传时,虽然在理论上可达到微伏量级甚至低至100 nV,但受到分压器的固有热噪声、直流标准源的固有噪声以及系统热电势的影响,其实际测量不确定度较大且复现性不好,无法较好的满足纳伏级直流电压的量值溯源需求。

随着量子测量技术的发展,以量子物理学为理论基础的量子计量基准显示出了其特有的优越性,其溯源于自然常数,具有准确度高、不受其它量影响等优点[1],可为进一步完善直流电压基本量的高准确度溯源提供新的手段。目前国外知名计量机构,如德国PTB 和美国NIST 等,已开始采用量子技术实现纳伏级直流电压的量值传递。北京无线电计量测试研究所自八十年代起就开展了量子标准的研究工作,保存着直流电压国家副基准装置,还研制了可用于1 mV 直流电压量值传递的可编程约瑟夫森直流电压标准装置,并开展校准工作。基于可编程约瑟夫森直流电压标准,建立量子直流纳伏电压标准装置,利用量子测量技术开展纳伏级直流电压校准技术研究,可有效的解决国防计量中纳伏级直流电压的量值溯源需求,完善纳伏级直流电压溯源链,为国防装备纳伏级直流电压量值准确统一提供有力的计量保障。

2 可编程约瑟夫森直流电压标准

2.1 交流约瑟夫森效应

超导电流是超导体内的超导电子定向运动而形成的,当电流大于临界电流时,约瑟夫森结的两端将产生电压。当在约瑟夫森结的两端加直流电压时,约瑟夫森结中将产生交变的射频电流,这种现象称之为交流约瑟夫森效应[2]。因此,根据交流约瑟夫森效应,当将符合一定条件的微波辐照于超导状态下的约瑟夫森结,约瑟夫森结的两端将产生直流电压,直流电压与微波频率的关系为[3]:

式中:n——约瑟夫森结的台阶数;f——微波频率,GHz;KJ——约瑟夫森常数,GHz/V。

2.2 可编程约瑟夫森直流电压标准组成

可编程约瑟夫森直流电压标准主要由可编程约瑟夫森阵列结、微波系统、直流偏置源、低温测试探杆、低温系统等组成,其原理框图如图1 所示。

图1 可编程约瑟夫森直流电压标准原理框图Fig.1 Block diagram of programable Josephson DC voltage standard

可编程约瑟夫森结为按二进制序列排列的串联结阵,通过直流偏置源对不同数量的结阵进行驱动,从而得到不同的量子电压输出[4,5]:

式中:N——约瑟夫森结的个数;Vn——单个约瑟夫森结产生的量子电压值,V。

由式(1)和式(2)可知,可编程直流电压标准是通过改变驱动的约瑟夫森结的个数N来改变量子电压的输出量值[6],从而实现量子电压的可编程输出,输出量子电压的最小步进为单个量子电压台阶所对应的量子电压值[7,8]。

3 量子直流纳伏电压标准

3.1 量子直流纳伏电压标准实现原理

为了得到量子直流纳伏电压量值,采用改变两路约瑟夫森结的辐照微波频率的方式,对两路约瑟夫森结进行微波差分驱动控制,从而得到所需的量子化微小直流电压量值为:

式中:n1,n2——两路约瑟夫森结的台阶数,取-1,0,1;N1,N2——两路约瑟夫森结的个数;f1,f2——两路微波频率,GHz;KJ——约瑟夫森常数,GHz/V。

当两路约瑟夫森结的台阶数n1=n2=n,两路约瑟夫森结的个数N1=N2=N时,式(3)可以变换为:

由式(4)可知,固定驱动两路约瑟夫森阵列结的个数和台阶数,通过改变两路约瑟夫森阵列结微波驱动频率就可以得到量子纳伏直流电压信号。

由上可知,采用两套可编程约瑟夫森直流电压标准通过频率差分驱动就可以组建量子直流纳伏电压标准,得到量子直流纳伏电压信号,其原理框图如图2 所示。

图2 基于两套可编程约瑟夫森直流电压标准的量子直流纳伏电压标准原理框图Fig.2 Block diagram of quantum DC nanovolt voltage standard based on two sets of programmable Josephson voltage standard

3.2 量子直流纳伏电压标准改进设计

上述方案是基于约瑟夫森可编程直流电压标准原理,采用两套可编程量子直流电压标准,通过不同微波频率对两个可编程量子直流电压阵列结进行驱动,从而使两套可编程量子直流电压标准输出量值相近的量子化直流电压台阶,再通过两套可编程量子直流电压标准取差值的方法得到纳伏级量子直流电压。该方案可以实现100 nV～10 V 直流量子电压的输出,分辨力可以达到1 nV 甚至更小,但是由于同时运行两套可编程量子电压标准技术难度较大,仅适用于科学研究及纳伏级直流电压的测试验证工作,不适合经常性的开展量值传递工作。另外,采用两套低温系统实现纳伏电压标准时,两套系统的温差热电势不平衡将会叠加到测量链路引入的变化热电势上,给系统的不确定度评估带来一定的困难。

在原有两套约瑟夫森可编程直流电压标准差分驱动实现量子纳伏电压标准原理的基础上,对上述方案进行优化设计。采用两片可编程约瑟夫森结封装在一个电路板上,在一套低温系统中实现纳伏级量子化直流电压的输出,其原理如图3 所示。该设计方案不仅解决了同时运行两套约瑟夫森可编程直流电压标准操作困难的问题并降低了运行成本,而且还避免了由两套低温系统测量引线的温差热电势对测量结果引入的不确定度影响,提高了标准的性能。同时,本方案采用频率差分驱动与传统的约瑟夫森阵列结个数控制相结合的方式拓宽了标准的量子电压输出范围,满足国防计量对纳伏级直流电压的量值溯源需求。

图3 量子直流纳伏电压标准原理框图Fig.3 Block diagram of quantum DC nanovolt voltage standard

4 试验验证结果分析

由于量子直流纳伏电压标准属于量子化电压标准,只能采取比对的方式对其技术指标进行验证。我们采用可编程量子直流电压标准对量子直流纳伏电压标准的技术指标进行验证。量子直流纳伏电压标准测量范围为1 μV～1 mV,不确定度为20 nV (k=2);选用的可编程量子直流电压标准工作频率范围为(69～71) GHz,测量范围150 μV～10 V,不确定度为10 nV (k=2)。验证1 mV 时,量子直流纳伏电压标准与可编程量子直流电压标准分别输出1 mV,由34420A 进行测量;验证100 μV 时,量子直流纳伏电压标准直接输出100 μV,由34420A 进行测量,可编程量子直流电压标准通过设定不同的微波频率,输出两个量值相差100 μV 的量子电压值,由34420A 分别进行测量,并通过计算两次测量结果的差值得到100 μV;验证10 μV 和1 μV时也按照100 μV 相同的方法进行。测量结果如表1 所示,其中,V1为量子直流纳伏电压标准输出时34420A 的测量值,V2为可编程量子直流电压标准输出时34420A 的测量值,其中在1 mV 点为直接测量结果,在100 μV,10 μV,1 μV则为两次测量结果的差值。

表1 直流电压试验验证结果Tab.1 DC voltage verification results

通过表1 可以看出,量子直流纳伏电压标准与可编程量子直流电压标准的测量结果具有很好的一致性,验证了量子直流纳伏电压标准的不确定度。

5 结束语

量子直流纳伏电压标准的研制,能够提供高准确度纳伏级量子化直流电压信号,作为纳伏级直流电压量值溯源的最高源头,解决纳伏级直流电压的量值溯源,提升武器装备及其测试设备的测量能力,为国防武器系统作战效能的有效发挥提供有力的计量保障。同时,量子直流纳伏电压标准还可以广泛应用于国防测量设备如高准确度直流数字表、纳伏表等的纳伏级直流电压校准领域,满足国防装备纳伏级直流电压溯源的应用需求。