直流电压自然基准装置的研究及量值复现

    1 引 言

    20 世纪 70 年代前, 各国标准实验室均采用一组经过严格挑选的惠斯顿硫酸镉标准电池来保存本国的电压单位。随着时间的推移, 各国所保存的电压单位值将随着这些实物电池内部物理或化学的变化产生漂移, 为确定漂移的大小, 世界各国不得不将自己的实物电池组用传递标准经过长途运输与国际计量局保存的伏特进行比对再对本国的标准进行修正, 以使得世界各国的电压单位保持一致。由于是比较测量, 人们无法弄清楚这样的变化是本国的标准电池组还是国际计量局的电池组产生的, 也弄不清楚比对后的电池组经长途运输以及温度、振动对电压值带来多大的影响, 而只能用比对的结果对本国的标准进行修正。此外, 用这种方法保存电压单位的准确度仅约 10^-7量级, 远不适应当今社会与日俱增的对 10^-8量级微小电压测量的需要。所以人们迫切需要找到一种新的方法来保存本国的电压单位, 以及监视其电压值随时间的漂移情况。

    1962 年, 约瑟夫森[1]从理论上首先预言了两块弱耦合超导体( 即超导结) 之间存在如下关系:

    V_n=nf(/ 2e/h) =nf/K_J

式中 f 为外加的微波辐照频率, n 为台阶数, e 为电子电荷, h 为普朗克常数, K_J=2e/h 为约瑟夫森常数,V_n为第 n 个台阶处的电压。该关系从理论上为保存或统一全世界的电压单位奠定了基础。根据上式, 世界上各先进工业化国家先后建立了单结或两个结串联的约瑟夫森电压标准, 使电压的测量准确度提高了一两个量级。但是, 以单结或多结串联的约瑟夫森电压标准由于对各超导结需要独立的偏流源, 加之测量系统中使用了一台能将 5mV～10mV 的小电压提高到标准电池 1V 量级电压的电压比较仪, 所以该操作既困难又损失了测量的精确度。

    随着大规模集成电路技术的成熟以及 1977 年Levinsen 等发现约瑟夫森结在零偏置电流下出现的量子化电压台阶[2], 美国国家标准与技术研究院( NIST) 率先解决了以上困难, 并建成了一套 1 V 量级的实用约瑟夫森电压标准[3]。几年来, 该技术在世界各国获得了迅速的普及, 目前已有许多国家利用这一技术, 根据国际计量委员会推荐的 1990 年 1 月1 日生效的 K_J-90=483597.9GHz/V 来保存本国的电压单位, 使各国的电压单位勿需搬运比对即可与国际计量局的电压单位保持一致, 真正保证了电压单位在世界范围内的统一性, 而且复现电压单位的准确度也得到了进一步提高。

    中国测试技术研究院( NIMTT) 1985 年[4]在中国首先完成了 10mV( 两结串联) 的约瑟夫森电压标准, 之后即转向对 1V 结阵列电压标准的研究, 取得了一些初步的实验数据[5], 1993 年又与中国计量科学研究院合作建立了 1V 结阵列的电压标准装置,目前建立的直流电压自然基准装置紧邻原直流国家电压实物基准的房间内, 从 1994 至今对其进行了一系列监测, 取得了令人满意的结果。