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




 

Квантованное напряжение (1), возникающее на одном джозефсоновском контакте под воздействием внешнего электромагнитного поля с типичной частотой около 75 ГГц, обычно мало и не превышает 150 мкВ. Для увеличения выходного напряжения микросхемы V джозефсоновские контакты соединяют последовательно и пропускают через них общий ток смещения. Параметры контактов и условия их работы выбираются таким образом [4], чтобы на каждом контакте возникало напряжение (1), а суммарное напряжение было равно

V = NVJ (2)

где N - количество джозефсоновских контактов.

Условие (2) накладывает жесткие ограничения на разброс параметров контактов и высокие требования к равномерности их облучения внешним сигналом с частотой ƒ.

В современных государственных первичном [5] и вторичном [6] эталонах напряжения используются многоконтактные ниобиевые джозефсоновские микросхемы с выходным напряжением до 10 В, которые в России не производятся. Для работы этих микросхем необходимо применение жидкого гелия. Данное обстоятельство обусловливает большие эксплуатационные расходы и сдерживает применения таких приборов в России, например, в региональных центрах стандартизации, метрологии и испытаний (ЦСМ), а также аналогичных организациях других стран.

Развитие микроэлектроники, постоянное совершенствование теории и практики построения меры на основе эффекта Джозефсона привели в настоящее время к тому, что появилась возможность создания высокотехнологического автоматизированного устройства, практически лишенного вышеозначенных недостатков. Основой этого оборудования является разработанная в ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А. П. Горшкова» в сотрудничестве с Институтом физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН) джо-зефсоновской микросхемы на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), для охлаждения которых до рабочих температур достаточно использования жидкого азота 77 К (-196 °С). Один из вариантов микросхемы состоит из восьми сегментов, число контактов в которых включает попеременно 81 и 80 контактов. Последовательное соединение двух сегментов позволяет получить суммарное напряжение У = 25 мВ и использовать его в качестве опорного при калибровке делителя напряжения.

Вольтметры, синтезаторы и другие стандартные приборы, входящие в состав эталонов на основе эффекта Джозефсона заменены в новой мере напряжения специализированными микромодулями, а сосуд дьюара с жидким азотом - компактным электромеханическим криоохладителем, способным в небольшом объеме микросхемы создать температуру -196 °С. Эти современные средства позволят многократно снизить размеры и вес перспективной меры напряжения. Для получения сетки выходных напряжений от 0,1 В до 10 В с шагом 0,1 В создан многоступенчатый делитель, калибруемый по напряжению, вырабатываемому джозефсоновской микросхемой, что позволит получить полноценный калибратор постоянного напряжения с характеристиками вторичного эталона. Разработка такой меры напряжения заканчивается в настоящее время в ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А. П. Горшкова».

 

Концепция построения и алгоритм работы меры напряжения

 

В приборе джозефсоновское напряжение Vj = 25 мВ преобразуется в выходное напряжение меры до 10 В с помощью делителя напряжения (ДН). Таким образом, выходное напряжение, задаваемое стабилитроном, калибруется относительно встроенного источника квантового джозефсоновского напряжения.

Неопределенность выходного напряжения меры определяется неопределенностью нахождения коэффициентов деления делителя и минимальное её значение ограничено собственными шумами стабилитронов. С целью обеспечения стабильности коэффициентов делителя в процессе его калибровки и работы, ток питания ДН был выбран таким, чтобы ограничивать выделяемую на сопротивлениях ДН мощность величиной значительно меньшей, чем их предельно допустимая рассеиваемая мощность.

Делитель состоит из двух частей I и II, которые собраны из одинаковых прецизионных сопротивлений величиной 100 Ом. Сопротивления выполнены по фольговой технологии, маслонаполненные, герметичные, с низким температурным коэффициентом сопротивления менее 2х10'6/°С. Отклонение значений сопротивлений от номинального не превышает ±0,005%. Для калибровки и подачи напряжений на выход используются два механических переключателя на 23 положения и на 2 направления каждый. Специальный переключатель позволяет проводить измерения при двух полярностях тока. Эти переключатели имеют низкое и постоянное контактное сопротивление ЗхЮ3 Ом, что обеспечивает изменение термо-ЭДС контактов не более 0,5 нВ при смене положения переключателей. Для автоматизации процесса калибровки переключения выполняют с помощью программно-управляемых электромоторов с редукторами.

Делитель I состоит из секций с выходными напряжениями 0,1 В - 1 шт., 0,2 В - 2 шт., 0,5 В - 1 шт., 2 В - 2 шт. Делитель II состоит из секций с выходными напряжениями 0,1 В - 3 шт., 0,2 В - 1 шт., 0,5 В - 1 шт., 1 В - 2 шт. и 2 В - 1 шт. Полное падение напряжения на каждом делителе равно 5 В. При параллельном включении ДН I и ДН II проводится определение коэффициентов деления делителей. Последовательное включение делителей позволяет получать на выходе меры напряжение от 0 до 10 В с шагом ОД В, которое используется для калибровки источников постоянного напряжения.

Рис. 2. Схема секции с выходным напряжением 0,1 В, калибруемого относительно джозефсоновского напряжения V


Секция с выходным напряжением ОД В калибруется относительно джозефсо-новского напряжения V: и имеет оригинальную схему, предложенную С. И. Боровицким.

Особенность этой схемы заключается в том, что, с одной стороны она является делителем напряжения, а с другой - имеет постоянное выходное сопротивление 100 Ом для любых пар отводов. Принцип построения этой схемы, приведенной на рис. 2, пояснен ниже. Предположим, что мы имеем делитель на к, состоящий из одинаковых резисторов величиной R. Для того, чтобы сопротивление всего делителя было равно R, надо параллельно сопротивлению kxR включить цепочку, состоящую из последовательно соединённых сопротивления R и группы из 1 сопротивлений R, соединённых параллельно. Для проверки этого утверждения можно вычислить сопротивление делителя на 4, показанного на рис. 2.

Рис. 1.Блок схема меры напряжения на основе джозефсоновских контактов из ВТСП с резистивным делителем напряжения

С целью снижения электромагнитных наводок и обеспечения бесперебойного питания всех измерительных схем меры напряжения в качестве источников питания используются две литиевые аккумуляторные батареи, которые работают поочередно. Переключение батарей с режима работы на режим заряда производится программно методом «горячей замены». Сопротивление изоляции относительно корпуса прибора было не менее 1012 Ом.

Для автоматизации работы в состав прибора включен модуль ввода-вывода, предназначенный для связи меры напряжения с компьютером. Модуль связывается с компьютером по интерфейсу USB.

 

Описание отдельных узлов и блоков меры напряжения

 

Криоохладитель

Для охлаждения джозефсоновской микросхемы до азотных температур мера напряжения оснащена малогабаритным криоохладителем замкнутого цикла. Время, необходимое для создания рабочей температуры (-196 °С) составляет примерно 30 мин. Время, необходимое для завершения всех переходных процессов - около 2 часов. Потребляемая мощность, требуемая для поддержания рабочей температуры, равна примерно 60 Вт.

Малогабаритный синтезатор частоты Точность и стабильность квантованных ступеней напряжения, возникающих на ВАХ цепочек джозефсоновских контактов, определяется в значительной степени стабильностью и фазовыми шумами сигнала СВЧ, что видно из (1).

Вернуться Страница 2 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"