ЭТАЛОН НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТЕ ДЖОЗЕФСОНА

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для воспроизведения, хранения и передачи единицы постоянного напряжения.
Для воспроизведения размера единицы электрического напряжения используется эффект Джозефсона, который связывает воспроизводимое напряжение с частотой через фундаментальные физические константы - заряд электрона и постоянную Планка.
Известен эталон напряжения на эффекте Джозефсона (К.В.Jaeger, С.A.Zack. Industrial experience with an array Josephson junction. IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 38, N 2, April 1989, p.308-313).
Известное устройство содержит источник излучения миллиметровой мощности, криогенный зонд, джозефсоновские переходы которого через фильтры низкой частоты подключены к системам контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата относятся наличие больших термоэлектрических флуктуаций в цепи воспроизводимого напряжения.
Известен также эталон напряжения на эффекте Джозефсона (Y. Sakamoto, H.Yoshida, T.Sakuraba, A.Odawara, Y.Murayama, T.Endo. Josephson junction array voltage standard at the ETL. Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Digest, 1990, p.42), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого устройства.
Известный эталон содержит источник излучения миллиметровой мощности с волноводом, криогенный зонд с джозефсоновскими переходами, фильтры низкой частоты, установленные в верхней части зонда, блок контроля характеристик и смещения по току джозефсоновских переходов и блок контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения. Блоки через фильтры низкой частоты подключены к джозефсоновским переходам.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относятся наличие больших термоэлектрических флуктуаций и влияние сопротивлений утечки в цепи воспроизводимого напряжения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является повышение стабильности и точности воспроизводимого напряжения.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, заключается в уменьшении термоэлектрических флуктуаций и снижении влияния сопротивлений утечки в цепи воспроизводимого напряжения.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом эталоне напряжения на эффекте Джозефсона, содержащем источник излучения миллиметровой мощности с волноводом, криогенный зонд с джозефсоновскими переходами в его криогенной зоне и подключенные к переходам через фильтры низкой частоты блок контроля характеристик и смещения по току джозефсоновских переходов и блок контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения, в отличие от известного эталона, фильтры низкой частоты размещены в криогенной зоне зонда, а их индуктивности выполнены из сверхпроводников и криопермаллоя.
На фиг. изображен заявляемый эталон напряжения на эффекте Джозефсона.
1
2
Заявляемый эталон напряжения содержит источник излучения миллиметровой мощности 1 с волноводом 2, криогенный зонд 3, в криогенной зоне 4 которого установлены джозефсоновские переходы 5 и фильтры низкой частоты 6 и 6, и подключенные через них блок 7 контроля характеристик и смещения по току джозефсоновских переходов 5 и блок 8 контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения.
В верхней части 9 криогенного зонда 3 установлены разъемы (на фиг. не показаны) для подключения источника излучения 1, блока 7 контроля характеристик и смещения по току и блока 8 контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Фильтры низкой частоты 6 и 6 содержат индуктивности 10 и 10 и емкости 11 и 11. Провода фильтров низкой частоты 6 и 6 выполнены из сверхпроводящего материала (ниобий-титановый сплав), покрытого медной оболочкой и изоляцией, материал сердечников фильтров 6 и 6 выполнен на основе криопермаллоя.
Устройство работает следующим образом.
1
2
В рабочем состоянии криогенный зонд 3 своей криогенной зоной 4 с находящимися в ней джозефсоновскими переходами 5 и фильтрами низкой частоты 6 и 6 погружают в дьюар 12 с жидким гелием 13. охлаждая их до температуры 4.2 К. От источника излучения 1 сигнал в миллиметровом диапазоне волн с частотой F по волноводу 2 подается на джозефсоновские переходы 5.
С помощью тока смещения, подаваемого от блока 7 контроля характеристик и смещения по току, осуществляют выбор и контроль числа ступеней N на джозефсоновских переходах 5, формируя тем самым на выходе переходов 5 постоянное напряжение U в соответствии с уравнением Джозефсона:
U=F·N·h/2e,
где h - постоянная Планка,
е - заряд электрона.
1
2
Полученное на джозефсоновских переходах 5 напряжение U через фильтры 6 и 6 поступает на блок 8 контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения, в качестве которого, как правило, выступает вторичный эталон напряжения, подвергаемый сравнению (сличению).
1
2
1
2
Тепловой поток, поступающий по проводникам, соединяющим блоки 7 и 8 (установлеными в верхней части 9 зонда 3 при комнатной температуре) с джозефсоновскими переходами 5 стабилизируется на поверхности находящихся в состоянии сверхпроводимости катушек индуктивности 10 и 10 фильтров 6 и 6. Это позволяет существенно снизить флуктуации термоэдс в цепи, соединяющей джозефсоновские переходы 5 с блоками 7 и 8 и, тем самым, повысить стабильность напряжения, воспроизводимого заявляемым устройством.
1
2
1
2
Измерительный ток, протекая по всей цепи соединения джозефсоновских переходов 4 с блоками 7 и 8, выделяется на сопротивлении цепи и ответвляется по сопротивлению изоляции, снижая точность измерения напряжения. Протекание измерительного тока от джозефсоновских переходов 5 до блока 8 контроля и измерения воспроизводимого постоянного напряжения по части цепи - катушкам индуктивности 10 и 10 фильтров низкой частоты 6 и 6 не создает падения напряжения ввиду сверхпроводящих свойств применяемых проводников, что повышает точность воспроизводимого напряжения.
1
2
1
2
1
2
Размещение емкостей (конденсаторов) 11 и 11. фильтров 6 и 6 при температуре жидкого гелия 4.2 К резко уменьшает токи утечки за счет повышения сопротивления изоляции конденсаторов 11 и 11 по сравнению с их сопротивлением при комнатной температуре, что также повышает точность воспроизводимого заявляемым устройством напряжения.
Экспериментальная проверка заявляемого устройства при воспроизведении напряжения на уровне 10 В показала, что
- уровень флуктуации термоэдс составил менее 1 нВ за 10 мин.;
-8
- влияние сопротивлений и изоляции конденсаторов фильтра оценено на уровне 10 % по отношение к величине воспроизводимого напряжения.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемой полезной модели, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.