Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Жезлов Д.А., Клушин А.М.,Коршунов Б.С., Максимов В.Ю., Хоршев С.К., "Перспективы разработки и создания малогабаритной квантовой меры напряжения"

Перспективы разработки и создания малогабаритной квантовой меры напряжения




Д.А. Жезлов, инженер 1 категории по метрологии ФБУ «Нижегородский ЦСМ»;

А. Клушин, заведующий лабораторией ИФМ РАН, главный научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А. П. Горшкова»;

Б. С. Коршунов, инженер по метрологии ФБУ «Нижегородский ЦСМ»;

В. Ю. Максимов, начальник лаборатории электрических измерений и испытаний ФБУ «Нижегородский ЦСМ»;

С. К. Хоршев, начальник сектора ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А. П. Горшкова»

 

 

Введение

Последние достижения науки и техники эзволили кардинально изменить измерительную технику. Постепенный отказ от аналоговых приборов, который начался в конце рошлого века, привёл к тому, что в настоя-ее время повсеместно используются высокотехнологичные и высокоточные цифровые измерительные системы.

В связи с этим и в метрологии произошли значительные перемены в плане повышения точности поверочного оборудования. Современные рабочие средства измерений обладают характеристиками сопоставимыми с эталонным оборудованием 20-30 летнёй давности. Например, такие фирмы как FLUKE и Agilent выпускают вольтме-ы постоянного напряжения с точностью 004% - 0,05%. Для поверки этих приборов используются калибраторы с точностью в 3-5 раз лучшей, чем рабочие средства измерений. Указанные приборы занимают всё большую долю в эталонном оборудовании метрологических служб предприятий и центров метрологии.

С другой стороны, определилась чёткая тенденция к многофункциональности метрологических приборов. Если раньше калибраторы переменного и постоянного токов и напряжений представляли собой отдельные приборы. (П320, П321, В1-9, и т. п.), то теперь современный калибратор представляют собой целый измерительный комплекс, сочетающий в себе эталоны 5-7 различных единиц электрических величин. Поэтому и поверка таких калибраторов - комплексная задача, требующая для её успешного решения наличия соответствующей эталонной базы у поверочного подразделения. Однако, с ростом точности эталонов, уже конструктивно невозможно объединить в себе комплекс различных единиц величин. Поэтому эталоны высших разрядов представляют собой устройства, хранящие единицу только одной величины. Это, как правило, меры. Это значит, что лаборатории осуществляющей поверку таких высокоточных калибраторов необходимо иметь в своём составе целый набор мер различных величин. Одной из таких мер и является мера напряжения постоянного тока.

 

Особенности эксплуатации и требования, предъявляемые к мерам напряжения

 

Согласно ГОСТ 8.027-2001 изм. № 1 [1] в качестве рабочих эталонов могут быть использованы: нормальные элементы (НЭ), меры напряжения на стабилитронах или меры напряжения на основе эффекта Джозефсона.

Насыщенные НЭ обладают высокими метрологическими характеристиками. Гарантированная временная стабильность термостатированных насыщенных элементов достигает 2 ppm в год. У среднего напряжения группы термостатированных насыщенных элементов стабильность достигает ОД ppm в год. Среднеквадратическое отклонение (СКО), которое характеризует кратковременную нестабильность группы хорошо термостатированных элементов достигает 0,005 ppm за 8 часов и 0,02 ppm за неделю. Однако в эксплуатации насыщенные НЭ достаточно сложны, поскольку очень чувствительны к механическим воздействиям, в частности - к транспортировке. Сильно ограничивает применяемость НЭ низкая нагрузочная способность. При протекании тока уже в единицы микроампер (мкА) в течение нескольких минут НЭ выходит из строя полностью или на длительное время (от минут до недель).

Сложность эксплуатации НЭ высшей точности, даже термостатированных, заключается в необходимости поддержания с высокой точностью температуры окружающей среды, что обусловлено конечным значением коэффициента регулирования термостата. Всё выше перечисленное, а также ряд других факторов, например, наличие в элементах кадмия и ртути, привело к тому, что производство НЭ практически прекращено.

Меры напряжения на стабилитронах по своим эксплуатационным параметрам гораздо привлекательнее насыщенных НЭ. Они могут транспортироваться как обычные приборы, не боятся трясок и вибраций. Так же утвердотельных мер гораздо выше нагрузочная способность (от 1 мА до 10 мА). Однако, такие меры обладают большой кратковременной нестабильностью: утвердотельных мер, даже при усреднении напряжения группы из нескольких мер, достигнутое СКО только ОД ppm из-за наличия собственных шумов в полосе частот от мегагерц (что не так важно) до тысячных долей герца (а эти частоты отфильтровать крайне сложно).

Наиболее перспективно выглядит использование меры напряжения основанной на эффекте Джозефсона [2]. Одно из наиболее важных применений эффекта Джозефсона в сверхпроводниковой электронике связано с созданием эталонов напряжения. Принципиальная важность этого объясняется тем, что неизвестны другие физические эффекты, которые могли бы составить конкуренцию эффекту Джозефсона в метрологии поточности воспроизведения единицы напряжения.

Основой использования эффекта Джозефсона в метрологии является тот факт, что под воздействием внешнего электромагнитного поля с частотой f на вольтамперной характеристике (ВАХ) перехода «сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник», находящегося при температуре ниже сверхпроводящего перехода, возникают ступени тока при напряжениях

VJ = nf/(2e/h), (1)

где 2 e/h = 483,5979 ГГц/мВ - постоянная Джозефсона, а  n- номер ступени, целое число.

Справедливость соотношения (1), его независимость от условий эксперимента (материалов, температуры, типа контактов) является фундаментальным условием для использования джозефсоновских контактов в метрологии [3]. Таким образом, величина постоянного напряжения Vj определяется только квантовыми константами и частотой облучения.

Главными достоинствами данного решения стоит отметить следующие. Напряжение опорного элемента меры зависит только от физических констант (постоянная Планка, заряд электрона) и частоты облучения. Кроме того, одной из ключевых особенностей меры является возможность получения не просто фиксированной величины напряжения, а получение сетки напряжений с шагом, например, 0,1 В. Это открывает возможность полноценной поверки калибраторов и вольтметров постоянного напряжения по всему пределу измерения.

Однако джозефсоновская мера является сложным радиотехническим устройством, включающим в себя целый комплекс электронных устройств, необходимо обеспечить простоту эксплуатации и предусмотреть максимально возможные интервалы обслуживания и автономной работы узлов и агрегатов меры. Для этого необходимо полностью автоматизировать процессы самодиагностики, автокалибровки и измерений.

 

Джозефсоновская высокотемпературная сверхпроводниковая(ВТСП) микросхема:

принцип построения и параметры

Страница 1 из 3 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Жезлов Д.А., Клушин А.М.,Коршунов Б.С., Максимов В.Ю., Хоршев С.К., "Перспективы разработки и создания малогабаритной квантовой меры напряжения"