ЭТАЛОН ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для воспроизведения и передачи единицы постоянного напряжения.
Известен эталон постоянного напряжения с использованием туннельного эффекта в стабилитронах (734В/732В DC Reference standard. Instruction manual. Fluke corporation. 1999).
Известный эталон содержит источник тока, нагруженный на прецизионный стабилитрон. При воспроизведении размера единицы напряжение со стабилитрона подается на выходные контакты эталона. Значение воспроизводимого постоянного напряжения известного эталона определяется выходным напряжением стабилитрона.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата относятся наличие шумов стабилитрона, зависимости выходного напряжения стабилитрона от времени, давления, температуры и влажности окружающей среды.
Известен также эталон постоянного напряжения на эффекте Джозефсона (Kupferman, S.L.; Hamilton, C.A.; Naujoks, G.; Vickery, A. A compact transportable Josephson voltage standard. Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Digest, 1996, p.146-147), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого устройства
Известное устройство содержит криогенный зонд с джозефсоновскими переходами, размещенными в нижней криогенной зоне корпуса, СВЧ волновод, три электрических разъема на верхней части корпуса, источник излучения миллиметровой мощности, подключенный к волноводу через первый разъем, блок смещения по току, подключенный через второй разъем и кабель к джозефсоновским переходам, которые соединены через соответствующий кабель с контактами третьего (выходного) разъема.
При воспроизведении размера единицы напряжение с джозефсоновских переходов подается на контакты выходного разъема известного эталона с помощью кабеля. Значение выходного постоянного напряжения известного эталона определяется как сумма точного значения постоянного напряжения джозефсоновских переходов и термо-эдс проводов кабеля, соединяющих джозефсоновские переходы в криогенной зоне с зоной контактов выходного разъема, расположенного при комнатной температуре.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, является наличие неконтролируемого значения термо-эдс в цепи между джозефсоновскими переходами и контактами выходного разъема.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности воспроизведения постоянного напряжения.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, заключается в исключении влияния термо-эдс на напряжение, воспроизводимое на контактах выходного разъема.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом эталоне постоянного напряжения, содержащем криогенный зонд с джозефсоновскими переходами в его нижней криогенной части корпуса, СВЧ волновод, три электрических разъема на верхней части корпуса, источник излучения миллиметровой мощности, подключенный к волноводу через первый разъем, блок смещения по току, подключенный через второй разъем и кабель к джозефсоновским переходам, которые соединены через второй кабель с контактами третьего (выходного) разъема, в отличие от известного эталона криогенный зонд снабжен установленным в верхней части корпуса переключателем с возможностью изменения полярности сигналов от джозефсоновских переходов к блоку смещения по току и к контактам третьего выходного разъема.
На фиг.1 изображен заявляемый эталон постоянного напряжения, на фиг.2 изображена принципиальная схема переключателя полярности.
Заявляемый эталон сравнения напряжений содержит криогенный зонд 1, в криогенной зоне 2 которого установлены джозефсоновские переходы 3, подключенные через кабели 4 и 5 к переключателю полярности 6; источник излучения миллиметровой мощности 7, подключенный к волноводу 8 через разъем 9; блок смещения по току 10, подключенный через разъем 11 к переключателю полярности 6, и выходной разъем 12, подключенный к переключателю полярности 6.
Устройство работает следующим образом.
В рабочем состоянии криогенный зонд 1 своей криогенной зоной 2 с находящимися в ней джозефсоновскими переходами 3 погружают в дьюар 13 с жидким гелием 14, охлаждая их до температуры 4.2 К. От источника излучения 7 сигнал в миллиметровом диапазоне длин волн с частотой F по волноводу 8 подается на джозефсоновские переходы 3.
J
С помощью тока смещения, подаваемого от блока 10 через переключатель полярности 6 и кабель 4, осуществляют выбор числа ступеней N на джозефсоновских переходах 3, формируя, тем самым, на выходе джозефсоновских переходов 3 постоянное напряжение U в соответствии с уравнением Джозефсона:
J
U=F·N·h/2e,
где h - постоянная Планка,
е - заряд электрона.
J
J
Положение переключателя полярности 6 определяет полярность тока смещения и, тем самым, определяет полярность постоянного напряжения U. Полученное на джозефсоновских переходах 3 напряжение U по кабелю 5 поступает на переключатель полярности 6 и далее на контакты выходного разъема 12.
J
B
Тепловой поток, поступающий по проводникам, соединяющим переключатель полярности 6 (установленным в верхней части 15 зонда 1 при комнатной температуре) с джозефсоновскими переходами 3 (установленными в нижней части 2 зонда 1 при температуре жидкого гелия), вызывает появление термо-эдс Е в кабеле 5, которая суммируется с напряжением U. Постоянное напряжение U на контактах выходного разъема 12 при одном положении переключателя полярности 6 равно
B
J
U=U+E,
а при другом положении переключателя полярности 6 равно
B
J
J
U=-(-U+E)=U-E.
B.CP
Среднее напряжение U на контактах выходного разъема 12 при двух положениях переключателя полярности 6 равно
B.CP
J
J
J
U=0,5((U+Е)+(U-E))=U.
Это позволяет существенно снизить зависимость постоянного напряжения на контактах выходного разъема 12 от значения термо-эдс в цепи, соединяющей их с джозефсоновскими переходами 3, и, тем самым, повысить точность постоянного напряжения, воспроизводимого заявляемым устройством на контактах выходного разъема 12.
Экспериментальная проверка заявляемого устройства при воспроизведении постоянного напряжения показала, что
-8
- влияние термо-эдс снизилось со значения 500 мкВ до уровня 1 нВ, что составляет 10% по отношению к значению воспроизводимого постоянного напряжения на уровне 10 В.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемой полезной модели, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.