Поиск по сайту:
Главная страница » Эталоны » Клушин А.М., Хоршев С.К., Максимов В.Ю., "Многозначная мера напряжения на основе джозефсоновских контактов, работающих при температуре жидкого азота"

Многозначная мера напряжения на основе джозефсоновских контактов, работающих при температуре жидкого азота




A. М. Клушин, доктор физ. -мат. наук, Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, a_klushin@ipmras.ru

С.К. Хоршев, ННИПИ «Кварц» им. АЛ. Горшкова, Нижний Новгород, cryoiab@bk.ru

B. Ю. Максимов, ФБУ «Нижегородский ЦСМ», Нижний Новгород, maksimo v@nncsm.ru


Одна из основных задач современной метрологии состоит в разработке системы эталонов на основе физических констант, что предполагает, в частности, использование квантовых эффектов. Последние достижения науки и техники позволили кардинально изменить измерительную технику.

Постепенный, начиная с конца прошлого века, отказ от аналоговых приборов привёл к тому, что в настоящее время повсеместно используются высокотехнологичные и высокоточные цифровые измерительные системы. В связи с этим и в метрологии произошли значительные перемены с точки зрения повышения точности поверочного оборудования. Так, современные рабочие средства измерений обладают характеристиками, сопоставимыми с эталонным оборудованием 20-30-летней давности. Например, компании Fluke и Agilent выпускают вольтметры постоянного напряжения, точность которых составляет 0,004...0,05 %. Для поверки этих приборов используются калибраторы в три-пять раз более высокой точности. 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 были самостоятельными приборами (П320, П321, В1-9 и т.п.), то теперь калибратор представляет собой целый измерительный комплекс, сочетающий в себе эталоны пяти-семи различных единиц электрических величин. Поэтому и поверка таких калибраторов - комплексная задача, успешное решение которой требует наличия у поверочного подразделения соответствующей эталонной базы.

Тем не менее с ростом точности эталонов исчезла возможность объединять конструктивно в одном приборе комплекс различных единиц величин. Поэтому эталоны высших разрядов представляют собой устройства, хранящие единицу только одной величины. (Это, как правило, меры.)

Таким образом, лаборатории, осуществляющей поверку соответствующих высокоточных калибраторов, необходимо иметь в распоряжении целый набор мер различных величин. Одной из таких мер и является мера напряжения постоянного тока.

Согласно ГОСТ 8.027-2001 (см. изм. № 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 млн-1 в год. Стабильность среднего напряжения группы термостатированных насыщенных элементов достигаем 0,1 мл гг1 в год. Среднеквадратическое отклонение (СКО) среднего напряжения, которое характеризует кратковременную нестабильность группы хорошо термостатированных элементов, достигает 0,005 млн'1 за 8 ч и 0,02 млн-1 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 силой уже в единицы микроампер 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. Все перечисленные факторы, а также ряд других, например наличие в элементах кадмия и ртути, обусловили практическое прекращение производства НЭ.

Меры напряжения на стабилитронах по эксплуатационным параметрам гораздо привлекательнее насыщенных НЭ. Они могут транспортироваться как обычные приборы, не боятся трясок и вибраций. Также у твердотельных мер гораздо выше нагрузочная способность (от 1 до 10 мА). Однако такие меры обладают большой кратковременной нестабильностью: для твердотельных мер из-за наличия собственных шумов в полосе частот от мегагерц (что не так важно) до тысячных долей герца (а эти частоты отфильтровать крайне сложно) даже при усреднении напряжения группы из нескольких мер достигнуто только СКО среднего напряжения, равное 0,1 млн-1

Наиболее перспективно выглядит использование меры напряжения, основанной на эффекте Джозефсона [1, 2]. Этот эффект, наблюдаемый при криогенных температурах, заключается в преобразовании переменного сигнала высокой частоты в постоянное напряжение, погрешность воспроизведения которого определяется исключительно погрешностью задания частоты сигнала. Квантованное напряжение, возникающее на одном джозефсоновском контакте под воздействием внешнего электромагнитного поля, обычно мало, и для его увеличения до метрологически значимой величины необходимо включить в схему последовательно большое число когерентно осциллирующих контактов.

В настоящее время в ИФМ РАН и ННИПИ «Кварц» разработана технология изготовления микросхем с цепочками джозефсоновских контактов из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), работающих при температуре жидкого азота. Микросхема, изготавливаемая примерно из 160 джозефсоновских ВТСП-контактов, позволяет получать при температурах 72...77 К ступени тока размахом более 100 мкА при квантовом напряжении примерно 25 мВ под воздействием сверхвысокочастотного сигнала (частотой « 75 ГГц). На основе этой микросхемы в ННИПИ «Кварц» разработана мера напряжения Н4-21 (рис. 1), в которой квантовое напряжение преобразуется с помощью делителя (ДН) в выходное напряжение в диапазоне -10...10 В е относительной нестабильностью 0,05 млн-1. Шаг изменения выходного напряжения составляет 0,1 В. Для охлаждения джозефсоновских контактов используются либо сосуд Дьюара с жидким азотом, либо малогабаритный криоохладитель замкнутого цикла. Криоохладитель обеспечивает рабочую температуру 77 К через 30 мин после включения, потребляемая им мощность не превышает 100 Вт.


Необходимое выходное напряжение меры, задаваемое оператором, формируется от источника опорного напряжения на стабилитроне, подключённом к ДН на прецизионных сопротивлениях, которые расположены в блоке 2 (см. рис. 1). Благодаря автоматической калибровке делителя относительно квантового напряжения цепочки джозефсоновских ВТСП-контактов Ц, втсп выходное напряжение становится нормированным с указанной ранее малой неопределенностью. В свою очередь малая погрешность L/d втсп определяется погрешностью частоты синтезатора частот, задаваемой опорным сигналом рубидиевого стандарта частоты 10 МГц с нестабильностью не хуже 3x1010 в сут (дрейф частоты в год не более 2x10 9). Эталон напряжения рассчитан на непрерывную круглосуточную работу от сети 220 В. Бесперебойная работа источника опорного напряжения обеспечивается аккумуляторными батареями, зарядка которых осуществляется автоматически. Аккумуляторные батареи расположены в блоке питания и управления 3. Мера подключена к персональному компьютеру 4 через кабель USB. Программное обеспечение с удобным экранным меню позволяет оператору контролировать и управлять всеми режимами работы меры. Время непрерывной работы составляет не менее 1 года.

Для нахождения выходного напряжения меры используется оригинальный алгоритм её калибровки относительно квантового напряжения 5 мВ [3]. Для реализации этого алгоритма потребовались два резистивных делителя ДНИ и ДН2 з максимальным выходным напряжением 5 В каждый и два источника опорного напряжения. Источники выполнены на прецизионных стабилитронах LTZ1000. Делители собраны на резисторах фирмы Vishay с низким температурным коэффициентом сопротивления (< 2x10^ °С“1) и представляют собой герметичные и маслонаполненные сопротивления, выполненные по фольговой технологии. Отклонение значений сопротивлений от номинального не превышает ±0,005%. Для калибровки и подачи напряжения на выход используются два механических переключателя S1 и S2. Дополнительный переключатель S3 позволяет проводить измерения при двух полярностях тока. Переключатели имеют низкое и постоянное контактное сопротивление 3x10-3 Ом, что обеспечивает изменение термоЭДС контактов не более 0,5 нВ при смене положений контактов переключателей. При калибровке ДН1 и ДН2 включаются параллельно, а при сличении с внешним источником напряжения - последовательно.

В целях автоматизации процесса калибровки переключения производятся с помощью программно управляемых электромоторов с редукторами. Входящий в состав меры нановольтметр измеряет разницу напряжений при калибровке. Для уменьшения термоЭДС и повышения стабильности выходного напряжения меры все перечисленные узлы прибора помещены в общий термостат, температура в котором поддерживается с точностью ±0,001 °С. От микросхемы из ВТСП, помещенной в криоохладитель, квантовое напряжение ил втсп поступает по специальному термостабильному кабелю в блок переключателей. Поддержание рабочей температуры в сосуде Дьюара или криоохладителе с точностью не хуже ±0,001 °С также обеспечивает стабильность термоЭДС при квантовой калибровке.

Квантовая калибровка заключается в сравнении четырех напряжений по 25 мВ в секциях делителя с напряжением микросхемы ВТСП Ud втсп при разных полярностях. По результатам измерений разностей напряжений вычисляется среднее значение напряжения U01J на отводе делителя с напряжением ~ 0,1 В. Далее выполняется взаимная калибровка обоих делителей относительно напряжения Uou. В результате автоматической калибровки вычисляются средние значения всех напряжений секций делителей, из которых может формироваться выходное напряжение меры. Для автоматизации работы в состав меры напряжения включён модуль цифрового и аналогового ввода-вывода, который осуществляет связь с компьютером по интерфейсу USB.



Для исследования метрологических параметров меры напряжения, проверки алгоритма её работы, а также выявления возможных систематических погрешностей выполнено сравнение выходного напряжения меры UBTCn, полученного в результате калибровки относительно напряжения 03 втсп, с выходным напряжением меры на ниобиёвой микросхеме UNb, полученным в результате сличения с соответствующим квантовым напряжением Uj Nb [2]. В эксперименте использовалась цепочка-контактов типа Nb-NbxSi1x-Nb, изготовленная в метрологическом центре в ФРГ. При охлаждении цепочки до температуры 4,2 К и облучении её сигналом на частоте 75562,3986 МГц, получено напряжение Ud Nb = 1,000003 В. Выполнены пять циклов сличений. На рис. 2 отмечены значения относительных разностей UBTCn - UNb {см. ромбики) и среднее значение разности напряжений при стандартной неопределенности типа A UA = 0,033 млн-1 {см. красный квадратик). Измерения показали, что метрологические характеристики новой меры напряжения удовлетворяют требованиям, предъявляемым к вторичным (рабочим) эталонам согласно ГОСТ 8.027-2001. Заметным преимуществом предложенной меры по сравнению с применяемыми в метрологической практике приборами на стабилитронах является независимость выходно-
го напряжения нового прибора от температуры, влажности и давления окружающей среды.

Мера напряжения Н4-21 предназначена для использования в национальных метрологических институтах в составе эталонов вольта, в центрах стандартизации, метрологии и испытаний, а также аналогичныхорганизацияхзарубежныхстран, метрологических лабораториях предприятий и фирм, научных учреждениях и метрологических службах Министерства обороны. Может также применяться для калибровки прецизионных цифровых вольтметров и калибраторов постоянного напряжения. Разработанная технология многоконтактных джозефсоновских систем из ВТСП и появление новых эталонов вольта с азотным уровнем охлаждения расширяют сферу использования квантовых эффектов в фундаментальной и прикладной метрологии, а также прецизионной ра-диоизмерительной технике.

Меру напряжения Н4-21 производит АО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» им. А.П. Горшкова». В настоящее время готовится поставка Н4-21 в ФБУ «Нижегородский ЦСМ». Также планируется аттестация прибора для подтверждения его метрологических характеристик во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». 


Литература

1. Мера напряжения Н4-21 на основе джозефсоновской микросхемы из высокотемпературного сверхпроводника // Сайт ФГУП ННИПИ «Кварц». - http://www.kvarz.com/general/N4-21.html (29.01.2017).

2. Khorshev, S.K. Accuracy of the New Voltage Standard using Josephson junctions cooled to 77 К / S.K. Khorshev, A.I. Pashkovsky, N.V. Rogozhkina et al. // Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016): digest, art. no. 7540701. - D01:10.1109/CPEM.2016.7540701.

3. Клушин, A.M. Мера напряжения на основе джозефсоновских контактов из высокотемпературных сверхпроводников: состояние исследований и перспективы / А.М. Клушин, С.К. Хоршев, А.И. Пашковский и др.//Радиоэлектроника и измерения КВАРЦ. — 2014. — Nq 20. — С. 10-20.


Добавить комментарий


Главная страница » Эталоны » Клушин А.М., Хоршев С.К., Максимов В.Ю., "Многозначная мера напряжения на основе джозефсоновских контактов, работающих при температуре жидкого азота"