10V约瑟夫森结阵电压基准

    0　引言

    自1990年1月1日以来,国际上统一使用约瑟夫森效应原理,用常数KJ-90来复现国际单位制的电压单位,以保证国际范围内溯源性的一致。中国计量科学研究院(NIM)量子部电压实验室于1993年底建立起1V约瑟夫森结阵电压基准,测量不确定度达到6×10-9。1995年11月,与国际计量局(BIPM)的1V约瑟夫森电压基准进行了直接比对,比对的综合不确定度为:(-0.01±0.11)nV。

    作为保存电压单位量值的1V量子电压基准,对高于1V的电压量值进行测量的准确度受到了局限。而目前通过先进的半导体技术,可以将上万个或更多的结串联而形成多结结阵,制作出10V结阵。通过10V结阵可以复现10V量子电压台阶,从而建立起10V约瑟夫森结阵电压基准。

    1　原理

    约瑟夫森结阵电压基准的基本原理是:当微波辐射到处于超导状态下的约瑟夫森结器件上时,约瑟夫森结上将产生量子化阶梯电压。所有电压阶梯的高度相等且与所加微波频率f正比,第n个台阶的电压U(n)与频率f之间满足如下关系:

     U_n=n×(h/2e)×f          (1)

或          U_n=n×f/K_J-90

其中,n为阶梯数,h为普朗克常数,e为基本电荷常数,K_J-90为约瑟夫森常数,定义值为483597.9GHz/V。上述原理表明,约瑟夫森电压与整数n和频率f正比,由于频率测量的准确度很高,利用这一原理我们可以得到高准确度的电压值。

    初期的约瑟夫森结阵电压标准,采用毫伏量级的约瑟夫森结,经过100∶1或更大比例的传递与1V量级的电压标准进行比对。目前利用微电子技术可以在一个芯片上制作数千或数万个约瑟夫森结,即约瑟夫森结阵。它在符合一定条件的微波辐射下,能产生稳定的1V至10V的电压,而电压与频率仍满足上述的同一正比关系,从而使这种约瑟夫森结阵电压成为新一代电压自然基准。

    2.装置

    10V约瑟夫森结阵电压基准主要由毫米波锁相微波源、低温探头、结阵偏置源及精密电压测量系统几部分组成,其原理框图如图1所示。

    2.1　微波源及锁相环路部分

    微波部分主要由一耿氏(GUNN)振荡器及其锁相环路和定向耦合器、可变衰减器等组成。GUNN振荡器产生毫米波并辐射到约瑟夫森结阵上,其输出功率约为90mW,工作频率70～75GHz。锁相环路部分包括EIP578B锁相频率计数器和电压反馈电路。GUNN振荡器频率输出的变化可由直流电压控制,定向耦合器从主波导中引出一部分功率接到EIP578B锁相频率计进行频率的计数与锁定。当振荡频率与锁定频率产生差值时,EIP578B将输出一差值电压,该差值电压经电压反馈电路送到GUNN振荡器的电压控制端从而实现频率的锁定。频率锁定后波动一般不超过±50Hz。频率计采用HP5343A频率计提供的外时基,其频率值用中央电视台发射的标准频率校准。上述方法可以保证频率具有5×10-10的不确定度。低插入损耗的可变衰减器用于输入功率大小的调节,使结阵器件具有稳定的电压阶梯。