10V直流电压标准研究

　　1　引言

　　自1990年1月1日起,国际上统一采用约瑟夫森常数KJ-90=483 597·9 GHz/V来复现各国的电压单位。1991年,国家技术监督局确定我所的10 mV约瑟夫森电压标准作为国家临时电压自然基准。1993年,我所引进美国国家标准技术研究院(NIST)设计的1 V/10 V约瑟夫森阵列电压标准[1],1998年国家技术监督局确定其为国家直流电压副基准。

　　但是,通过多年的维护和运行,我们发现10 V阵列结的维护非常困难,热循环引入的潮湿水气极易损坏阵列结;此外,10 V阵列结的价格昂贵,且根据NIST的Hamilton的研究结果,10 V阵列结的平均寿命又仅为五年[2]。而1 V阵列结可以经受多次热循环,且价格相对便宜,使用寿命较长,便于使用和维护。

　　由于以上原因,我们采用1 V约瑟夫森阵列结输出1 V直流电压,通过准确的直流电压比例装置升压到10 V,从而建立了新型10 V直流电压标准[3]。为此,我们研制了高准确度直流电压比例装置和高稳定度低噪声恒流源。

　　2　工作原理

　　新型10 V电压标准的工作原理是,利用已有的1 V约瑟夫森阵列结输出准确的1 V基准直流电压,通过9∶1哈蒙电压比较仪,输出10 V直流电压,从而建立10 V直流电压标准,用于校准各种高准确度的10 V固态电压标准。

　　1 V约瑟夫森阵列电压标准采用零偏置的交流约瑟夫森效应,输出的量子化电压Vn与微波频率f的关系式为

　　式中:KJ-90=483 597·9 GHz/V,n为台阶数。1 V约瑟夫森阵列电压标准是自然基准。

　　9∶1哈蒙电压比较仪是哈蒙网络结构的双串-并联电压比较仪,由两套同名义值的主电阻器R1和R2组成,当一套主电阻器以串联方式连接时,另一套则以并联方式连接,两套主电阻器的比值为N2∶1(N为主电阻数),两套主电阻器的状态可以互换。

　　新型10 V直流电压标准原理框图如图1所示,其中CCS是电流源,VJ为阵列电压标准输出电压,Vr为待测电压,G1、G2是两台高准确度数字电压表。假设N=3,R1S、R2S为每套主电阻处于串联状态的阻值,R1P、R2P为并联状态的阻值。下标S表示主电阻处于串联状态,P表示主电阻处于并联状态。当R1串联、R2并联时,G1、G2的读数分别为VG11、VG21;当R1并联、R2串联时,G1、G2的读数分别为VG12、VG22。

　　根据基尔霍夫定律、欧姆定律和哈蒙原理,可得

　　测出VJ1、VJ2、VG11、VG12、VG21、VG22,即可得出待测固态电压标准的输出电压Vr。

　　3　测量系统组成

　　新型10 V直流电压标准测量系统由1 V约瑟夫森阵列电压标准、9∶1哈蒙电压比较仪、高稳定度恒流源、HP3458 A型数字电压表、KE2002型数字电压表、KE182纳伏电压表、PC/AT386计算机组成,系统框图如图2所示。我们研制了9∶1哈蒙电压比较仪和高稳定恒流源。