基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究

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1、2012年6月宇航计测技术Jun．．2012第32卷第3期JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementV01．32．No．3文章编号：1000-7202(2012)03—0031—04中图分类号：TM933．21文献标识码：A基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究朱珠康焱王路胡毅飞(北京无线电计量测试研究所，北京100039)摘要叙述了基于约瑟夫森效应的交流电压标准的原理、实现方法以及主要不确定度来源，并对波形合成法和脉冲调制法两种实现方法所得到的交流电压标准性能进行比较。波形合成法适

2、用于建立低频计量标准，脉冲调制法适用于高频计量标准。关键词约瑟夫森效应交流电压标准波形合成脉冲驱动ResearchonACVoltageStandardBasedonJosephsonEffectZHUZhuKANGYanWANGLuHUYi．fei(BeijingInstituteofRadioMetrologyandMeasurement，Beijing100039)AbstractThispaperdescribestheprinciple，realizationmethodsofACvoltagestandardb

3、asedonJosephsoneffectandsourcesofuncertainty．TheperformanceofACvoltagestandardusingthemethodsofsynthesiswaveformsandpulse-driveniscompared．TheACvoltagestandardusingthemethodsofsynthe—siswaveformsisapplicabletoestablishlow-frequencymetrologystandardandusingthemetho

4、dsofpulse-drivenisapplicabletoestablishhigh—frequencymetrologystandard．KeywordsJosephsoneffectACVoltagestandardSynthesiswaveformsPulse．driven1引言处于超导状态下的约瑟夫森结在微波辐照下，结的两端产生直流电压K，约瑟夫森结电压K与微波频率厂的关系为K=妒KJ(1)式中，K，——约瑟夫森常数。自1990年1月1Et起，国际上统一采用约瑟夫森常数KJ一粥=483597．9GHz／V来复现各

5、国的电压单位；Ⅳ为约瑟夫森结的电压台阶数。我国于1993年和1999年先后建立了1V和IOV约瑟夫森量子电压基准¨]。随着科学技术的日益发展，约瑟夫森结阵的研究得到长足发展，加工工艺也越来越成熟，其响应速度快，台阶电压宽，性能稳定可靠，为量子交流电压标准的研究奠定了基础。国际上开始研究用约瑟夫森效应直接复现交流电压，建立量子交流电压标准，现已取得了很大进展。目前，我国正在开展约森夫森交流电压标准的研究。2约瑟夫森交流电压标准的实现方法目前，国际上在约瑟夫森交流电压标准的实现上有两种不同的方法：波形合成法和脉冲调制法[2-l

6、o]。宇航计测技术2012年2．1波形合成法利用波形合成法来实现约瑟夫森交流电压标准所使用的超导结为二进制约瑟夫森结阵，即各段结阵的单结数量按二进制的排列为1(20)，1(20)，2(21)，4(22)，8(23)，⋯，2¨1(2肛1)，阵列中共有2Ⅳ个单结，结构图如图1所示。输入偏置电流图1二进制约瑟夫森结阵结构图通过控制偏置电流源可以使输人结阵中各段结的偏置电流为一，。，0或者+厶，即可得到从一2Nf／KJ～2Nf／KJ的直流电压值，其步进值为．厂／K，。按一定程序使用偏置电流源对约瑟夫森结阵进行快速扫描就可以合成在时

7、间上连续、幅值上离散的交流电压波形，32个采样点合成60Hz及265个采样点合成400Hz正弦波形图分别如图2和图3所示。mml500mVl：}l酣嘀。一t·J—t一：‘：j‘i：—～丰：：^：。：-膏：-士：■-：：’·。‘一-王‘，：-!-：：P‘■上‘：·-．．·：_娃：o-．+●15+‘‘矿!·l+’■‘⋯‘‘。。1■●■⋯-■一一■■●。’●一-■●■。■●-■●■：．-：_．!?■．●：rV·V-图232个采样点合成60I-Iz正弦波形图由于合成的正弦波是一个离散的波形，每一部分为一段约瑟夫森直流电压。合成正弦

8、波的有效值可以按式(2)来确定ⅣyIViIi=1r式中：卜输出交流电压的有效值，单位为V；一≯瓜锻I⋯r；r∥1W；W；jV：“图3256个采样点合成400Hz正弦波形图K——输出的量子电压值，单位为V；△￡——输出量子电压的时间间隔，单位为S；卜交流电压的周期，单位为s；Ⅳ——一个周期内输出的量子电压