朱 珠 康 焱 王 路 胡毅飛

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

計量學(xué)發(fā)展至今,實現(xiàn)和保存SI單位量值的方法有三種，即實物基準(zhǔn)、絕對測量和基本物理常數(shù)（自然常數(shù)）。在電磁計量領(lǐng)域，主要的實物基準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)電池基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)電阻基準(zhǔn)；在絕對測量方面，我國已實現(xiàn)了安培、歐姆和伏特的絕對測量；在基本常數(shù)方面，約瑟夫森標(biāo)準(zhǔn)是與自然常數(shù)2e/h相聯(lián)系的量子電壓標(biāo)準(zhǔn)，在世界上已普遍推廣使用，是技術(shù)上最成熟的量子標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前國際計量體系正在經(jīng)歷歷史性變革，國際單位制將以自然界基本物理常數(shù)為基礎(chǔ)重新定義計量單位，計量基準(zhǔn)將迎來量子化時代。

2 量子電壓歷史回顧

在20世紀(jì)70年代以前，各國都是用一組飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢平均值來保存本國的電壓單位。1962年隨著低溫物理弱連接理論研究的深入，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)（Josephson Effect），建立了電壓—頻率的關(guān)系式這里電壓僅與頻率f和物理常數(shù)相關(guān)，這就是約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)，它不隨時間而變化，是一種僅與自然物理常數(shù)有關(guān)的量子基準(zhǔn)。自1990年1月1日以來，國際上統(tǒng)一根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)原理，用常數(shù)KJ-90來復(fù)現(xiàn)國際單位制的電壓單位，以保證國際范圍內(nèi)溯源性的一致。

上世紀(jì)七十年代末，我們根據(jù)當(dāng)時航天型號和軍事計量發(fā)展對直流電壓高準(zhǔn)確度測量的需求，開展了約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。該項目涉及到超導(dǎo)物理、薄膜制備、微波技術(shù)、低溫工程、精密電測等多個專業(yè)，整套裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度極大。項目組人員經(jīng)過多年艱苦努力，于1987年研制成功我國首臺直流量子電壓基準(zhǔn)［1］。1988年，曾代表中國參加了約瑟夫森常數(shù)的國際平差［2］，測得我國的約瑟夫森常數(shù)值為483597．88GHz/V，與國際計量局公布的平差值483597．9GHz/V僅相差4×10-8，得到國際計量局和各國專家的好評。該套約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置經(jīng)過3年的考核在1991年被國家技術(shù)監(jiān)督局確定為國家臨時電壓自然基準(zhǔn)。

3 直流電壓國家計量副基準(zhǔn)現(xiàn)狀

多年來，我們一直保存和維護(hù)著“直流電壓國家計量副基準(zhǔn)”［3］，與計量科學(xué)研究院的直流電壓國家計量基準(zhǔn)共同承擔(dān)著我國的直流電壓量值傳遞工作［4］。并于“十一五”至“十二五”期間，相繼開展了可編程約瑟夫森直流電壓標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用研究、可編程超導(dǎo)低頻電壓標(biāo)準(zhǔn)研究、寬量程量子化電壓校準(zhǔn)裝置等量子電壓相關(guān)計量科研工作。

3.1 直流電壓國家計量副基準(zhǔn)

1991年，國家技術(shù)監(jiān)督局確定10mV約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)作為國家臨時電壓自然基準(zhǔn)。1993年，我們研建了1V/10V約瑟夫森陣列電壓標(biāo)準(zhǔn)，1998年國家技術(shù)監(jiān)督局確定其為國家直流電壓副基準(zhǔn)?！爸绷麟妷簢矣嬃扛被鶞?zhǔn)”由超導(dǎo)陣列結(jié)、耿式振蕩器及混頻器、鎖相計數(shù)器、偏流源、程控開關(guān)、示波器、低溫實驗系統(tǒng)、傳遞標(biāo)準(zhǔn)及計算機(jī)等組成。頻標(biāo)為銫鐘輸出的10MHz頻率標(biāo)準(zhǔn)，通過耿式振蕩器及混頻器產(chǎn)生75GHz的工作頻率。該頻率的微波輻射到浸泡在液氦中的超導(dǎo)約瑟夫森陣列結(jié)上，產(chǎn)生高準(zhǔn)確度的100mV～10V的量子基準(zhǔn)電壓，測量不確定度達(dá)到5×10-9。

3.2 可編程約瑟夫森直流電壓標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用研究

“十一五”期間，開展了可編程約瑟夫森直流電壓標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用研究?？删幊碳s瑟夫森結(jié)是可編程約瑟夫森直流電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置中的超導(dǎo)器件，工作于4K的低溫環(huán)境中。在結(jié)構(gòu)上，與傳統(tǒng)的約瑟夫森結(jié)不同，它不再是直接由大量單結(jié)串聯(lián)而成，而是將約瑟夫森單結(jié)按照二進(jìn)制序列進(jìn)行了排列，分成了多組二進(jìn)制結(jié)串，可以實現(xiàn)分組結(jié)串偏置。在特性上，可編程約瑟夫森結(jié)直接由偏置電流進(jìn)行驅(qū)動，大大改善了傳統(tǒng)約瑟夫森結(jié)由于零偏置特性造成的穩(wěn)定性差的難題。

可編程約瑟夫森結(jié)由8192個單結(jié)組成，共分為14路，構(gòu)成各路結(jié)串的結(jié)的個數(shù)分別為4096、2048、1024、512、256、128、64、32、16、8、4、2、1、1，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?？删幊碳s瑟夫森結(jié)對應(yīng)于每組結(jié)串都有一個電流輸入端，可以分別對各結(jié)串進(jìn)行單獨偏置，最終通過結(jié)串電壓的疊加來獲得所需的量子電壓值。在70GHz微波和偏置電流的作用下，可編程結(jié)將產(chǎn)生如圖所示的穩(wěn)定量子化電壓臺階。當(dāng)結(jié)串受到偏置時，所產(chǎn)生的量子電壓即為本結(jié)串各單結(jié)產(chǎn)生量子電壓之和?？删幊塘孔又绷麟妷簶?biāo)準(zhǔn)的量子電壓輸出范圍為-1．2V～+1．2V，測量不確定度為6×10-9（k=1，1V）。

圖1 二進(jìn)制陣列結(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of binary arrays

3.3 可編程超導(dǎo)低頻電壓標(biāo)準(zhǔn)研究

在可編程約瑟夫森直流電壓標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上，我們開展了可編程超導(dǎo)低頻電壓標(biāo)準(zhǔn)的研究。

按二進(jìn)制序列組成串聯(lián)結(jié)陣的約瑟夫森陣列結(jié)通過14路偏流源選擇不同數(shù)量的結(jié)工作狀態(tài)，從而得到不同的輸出量子電壓，采用計算機(jī)對需要輸出的一定幅值的交流電壓進(jìn)行編碼，然后把該編碼數(shù)據(jù)傳輸給交流高速偏流源內(nèi)部存儲器保存起來，在掃描時可以快速以不同頻率輸出相應(yīng)的偏置電流。高速偏流源的輸出端直接連接到交流測試探桿頂部的接線盒上，通過測試探桿內(nèi)的低溫引線將偏置電流引入到低溫杜瓦中的可編程約瑟夫森陣列結(jié)上。同時，微波系統(tǒng)產(chǎn)生適當(dāng)頻率的微波并輻照到可編程約瑟夫森陣列結(jié)上，使結(jié)陣產(chǎn)生量子化電壓臺階。由此可以根據(jù)約瑟夫森結(jié)陣的不同組合，輸出所需的高準(zhǔn)確度量子化電壓。通過交流高速偏流源以固定頻率對約瑟夫森結(jié)陣的不同組合進(jìn)行控制，就可得到模擬量子交流電壓，其輸出的合成量子電壓波形如圖2所示［5,6］。

圖2 由不同個數(shù)采樣點合成的正弦波形圖Fig.2 Sinusoidal waveforms by different samples for different frequency

我們組建了可編程超導(dǎo)低頻電壓標(biāo)準(zhǔn)，量子電壓輸出范圍7．2mV～1．1V（幅值），頻率范圍10Hz～1kHz，測量不確定度達(dá)到6×10-6（幅值1V，1kHz）［7,8］。

3.4 寬量程量子化電壓校準(zhǔn)裝置

“十二五”期間在可編程約瑟夫森直流電壓標(biāo)準(zhǔn)及可編程超導(dǎo)低頻電壓標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上開展了寬量程量子化電壓校準(zhǔn)裝置的研究，有效地拓展了現(xiàn)有可編程量子電壓標(biāo)準(zhǔn)的輸出能力和范圍，超低頻信號合成原理框圖如圖3所示，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖3 超低頻信號合成原理框圖Fig.3 Schematic diagram of synthesis ultra-low frequency signal

表1 寬量程量子化電壓標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specifications of Wide Range Quantum Voltage standards

4 量子電壓發(fā)展

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，目前量子電壓朝著寬頻帶、便攜化方向發(fā)展。

4.1 脈沖驅(qū)動式量子電壓技術(shù)研究

上世紀(jì)90年代末，國際上開始探索采用脈沖驅(qū)動技術(shù)的方式合成低中頻量子電壓信號。該技術(shù)不再以改變約瑟夫森等式中結(jié)數(shù)的方法來合成電壓信號，而是通過改變頻率來實現(xiàn)量子電壓的合成，其利用微波脈沖驅(qū)動約瑟夫森脈沖結(jié)，當(dāng)微波脈沖工作在量子電壓臺階內(nèi)時，約瑟夫森結(jié)陣會產(chǎn)生時間積分面積恒等于h/2e的量子電壓脈沖，如圖4所示。當(dāng)一系列高速的微波脈沖序列輸出到約瑟夫森結(jié)，即可合成量子電壓波形，這樣得到的量子電壓從原理上避免了瞬態(tài)誤差的產(chǎn)生，因此可獲得1kHz以上的高準(zhǔn)確度低中頻量子電壓輸出［9］。

圖4 脈沖驅(qū)動約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生量子電壓脈沖示意圖Fig.4 Diagram of pulse-driven quantum voltage

脈沖驅(qū)動式量子電壓技術(shù)采用Σ-Δ編碼方式替代了以往的正弦信號理論值編碼方式，因為相比之下，Σ-Δ編碼可在實現(xiàn)對模擬信號同步采樣的同時可獲得比理論值編碼更高的分辨率。并且，其利用高頻過采樣技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字濾波，可進(jìn)一步降低量化噪聲的影響，為合成較高頻率量子電壓奠定了基礎(chǔ)。脈沖驅(qū)動方式的具體合成方法為：首先利用Σ-Δ調(diào)制算法將待合成的近似電壓波形調(diào)制成一系列的數(shù)字編碼，將生成的數(shù)字編碼儲存到脈沖信號發(fā)生器內(nèi)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高速脈沖輸出，與微波信號合成后驅(qū)動約瑟夫森結(jié)，得到與待合成波形一致的量子電壓信號。其符合約瑟夫森等式：

式中：n——量子電壓臺階的級數(shù)；m——約瑟夫森結(jié)的單結(jié)數(shù)量；φ0——磁通量子φ0=h/2e；f（Pt）——微波脈沖的重復(fù)頻率；A∑Δ——ΣΔ代碼幅度因子，0＜A∑Δ＜1。

約瑟夫森脈沖結(jié)由沿著寬帶傳輸線的m個約瑟夫森單結(jié)串聯(lián)而成，當(dāng)一個脈沖信號沿傳輸線傳播，就會產(chǎn)生一個與脈沖信號通過的單結(jié)數(shù)一致的值為mφ0的量子電壓脈沖。當(dāng)頻率為f的脈沖隊列沿著傳輸線傳播，在結(jié)陣兩邊將產(chǎn)生一個均值為mφ0f的電壓。通過對輸入脈沖隊列進(jìn)行控制，就可以得到一個復(fù)雜的輸出波形。最大脈沖重復(fù)頻率受限于脈沖信號發(fā)生器可達(dá)到的上限時鐘頻率，與頻率相關(guān)的最大輸出電壓受到幅度因子的影響而減小，但當(dāng)A∑Δ＜1時，可得到想要的頻譜純度較高的波形，其原理框圖如圖5所示。

脈沖驅(qū)動式量子電壓標(biāo)準(zhǔn)的特點是能夠合成1kHz以上的高準(zhǔn)確度量子電壓信號，彌補(bǔ)了可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)無法合成較高頻率信號的不足。另外，由于可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)臺階式的合成方式，造成了其合成信號帶有大量的諧波分量，而脈沖驅(qū)動式量子電壓標(biāo)準(zhǔn)則從原理上避免了大量諧波的產(chǎn)生，其輸出具有非常好的頻譜純度，因此其對濾波器頻率特性要求不高，新型約瑟夫森脈沖結(jié)的片上濾波器已完全可以滿足濾波要求，量子電壓標(biāo)準(zhǔn)的輸出端不需再額外設(shè)計濾波功能。

4.2 10V便攜免液氦型量子電壓標(biāo)準(zhǔn)

為滿足軍事計量的特殊需求，隨時隨地提供高準(zhǔn)確度量子電壓計量校準(zhǔn)服務(wù)，研制便攜式免液氦型量子電壓標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)提上日程。便攜式免液氦型量子電壓標(biāo)準(zhǔn)將采用固態(tài)低溫制冷技術(shù)替代液氦冷媒來提供低溫環(huán)境，滿足約瑟夫森結(jié)的工作環(huán)境要求，并有效縮減低溫系統(tǒng)的體積和重量，并著重研究制冷機(jī)冷頭與約瑟夫森超導(dǎo)器件的熱連接特殊結(jié)構(gòu)，偏置信號和微波信號低損耗傳輸方式，約瑟夫森結(jié)自身引入熱量造成的超導(dǎo)器件與冷頭之間溫度梯度對約瑟夫森結(jié)臨界電流和臺階特性的影響等關(guān)鍵技術(shù)，針對制冷機(jī)噪聲、順磁相位轉(zhuǎn)換等干擾因素設(shè)計抗干擾方案，以保證約瑟夫森結(jié)正常工作。

圖5 脈沖驅(qū)動式量子電壓標(biāo)準(zhǔn)原理框圖Fig.5 Schematic diagram of pulse-driven quantum voltage standards

便攜式免液氦型量子電壓標(biāo)準(zhǔn)在保證技術(shù)指標(biāo)前提下，解決量子基準(zhǔn)的移動性、小型化要求，實現(xiàn)高準(zhǔn)確度電壓參數(shù)現(xiàn)場測量問題，進(jìn)一步擴(kuò)展了量子電壓基準(zhǔn)的實際應(yīng)用價值。

5 量子電壓的應(yīng)用前景

“直流電壓國家計量副基準(zhǔn)”長期為國防、軍隊系統(tǒng)及地方計量技術(shù)機(jī)構(gòu)提供高準(zhǔn)確度直流電壓的量值傳遞工作?？删幊塘孔与妷簶?biāo)準(zhǔn)的技術(shù)研究已經(jīng)在高準(zhǔn)確度交流電壓參量方面逐步推廣應(yīng)用。由于可編程量子電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置實現(xiàn)了獨立輸出穩(wěn)定的交直流量子電壓，可以作為量子電壓源對高準(zhǔn)確度交直流電壓表直接進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)而開展高準(zhǔn)確度交直流數(shù)字電壓表及交直流轉(zhuǎn)換儀的校準(zhǔn)方法研究，為實現(xiàn)低頻、超低頻交流電壓量值溯源到自然基準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

目前國際上許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展了交流量子電壓的應(yīng)用研究，將交流量子電壓應(yīng)用于電學(xué)計量、熱力學(xué)計量等許多領(lǐng)域。交流量子電壓的應(yīng)用研究取得的科研成果開拓了交流量子電壓的應(yīng)用前景，為交流量子電壓的進(jìn)一步發(fā)展提供了方向。從最新的研究進(jìn)展可知，頻率為10mHz～10Hz的低頻交流量子電壓主要用于校準(zhǔn)各種低頻電參數(shù)和電壓表；50Hz～70Hz的交流量子電壓主要用于建立電功率標(biāo)準(zhǔn)；1kHz左右的交流量子電壓主要用于建立約瑟夫森阻抗電橋，進(jìn)行阻抗測量，也可研制交流量子電壓計，用于對交流電壓的精密測量，還可用于電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（ADC）的校準(zhǔn)；1kHz以上高頻低幅值量子電壓主要用于噪聲測溫技術(shù)，如圖6所示。

圖6 交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用Fig.6 Application of AC quantum voltage standards

6 結(jié)束語

量子電壓標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)基礎(chǔ)研究是精密電壓測量的一種不可替代的技術(shù)手段，不僅可以完善現(xiàn)有的計量標(biāo)準(zhǔn)，提高我國計量能力和水平，而且對于交直流電壓的高端測試開拓了很好的應(yīng)用前景。

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