双通道约瑟夫森结阵测试系统的设计

针对目前逐渐增多的芯片测试需求,设计了双通道约瑟夫森结阵测试系统,包括低温测试探杆、微波传输结构等关键部分。测试系统可实现对两个可编程约瑟夫森结阵器件进行同时测量,还可以实现两个芯片的叠加电压输出,通过对一个双通道可编程器件的测量验证了测试系统的上述功能。所测器件的最佳工作频率为17GHz,在未加功率放大器的情况下工作功率为11 dBm。双通道小电压可编程约瑟夫森结阵器件最小结阵为1个结,输出电压为35.15μV;最大结阵为512个结,输出电压为17 998.42μV,量子电压台阶的展宽范围为2μV,这是由于34 420A(1 V档)噪声和测试系统噪声导致,满足量子电压测试需求。双通道的量子电压单结叠加输出为70.30μV,512个结叠加输出为35 996.84μV,叠加后量子电压台阶的展宽范围也在2μV以内,证明双通道约瑟夫森结阵测试系统不仅能对两个独立可编程芯片进行测量,还能够实现量子电压叠加输出功能,在不增加工艺难度的前提下,实现了更大量子电压的输出。     

1V脉冲驱动型交流量子电压源研究

脉冲驱动型交流量子电压标准ACJVS通过高速脉冲序列驱动约瑟夫森结阵芯片的方式实现宽频带交流量子电压的合成,相比于可编程型交流量子电压标准PJVS,具有免台阶切换、频谱纯净、频带宽等优点。搭建的系统主要包括8位高速脉冲码型发生器、微波放大器、直流阻断、约瑟夫森结阵芯片等。通过驱动包含4个子阵列,每个子阵列含12810个约瑟夫森结的结阵芯片,并结合4通道联合低频补偿的方式,成功产生了1V有效值的脉冲驱动型交流量子电压,为进一步建立交流量子电压基准打下了坚实的基础。最后,展望了脉冲驱动型交流量子电压在量子阻抗桥、交流量子功率源、交流量子功率表方面的应用价值。     

可编程约瑟夫森结阵偏置组合算法研究

在可编程约瑟夫森量子电压标准系统中，快速并准确地计算各约瑟夫森子结阵的偏置状态是实现量子电压精准输出的前提。传统的枚举-索引算法通过遍历所有可能的偏置组合以寻找最优解，因此计算效率较低，难以适应量子电压非周期性连续变换输出等特殊应用场景。基于此，提出了一种面向三进制可编程约瑟夫森结阵的偏置组合算法。首先根据各子结阵中包含的约瑟夫森单结数量特征对子结阵进行自适应分组，并据此快速计算预偏置组合；进一步地，结合近似计算方法和量化误差补偿方法，克服预偏置组合中可能存在的子结阵失效、亚分辨率设计等特殊问题。实验结果表明，该算法在多种条件下均能找到最优偏置组合，并且计算效率明显优于传统的枚举-索引算法。     

计量院电压基准装置获国家科技进步奖

本刊讯中国计量科学研究院研制的“10伏约瑟夫森结阵电压基准”装置,荣获2003年度国家科技进步奖二等奖。10伏约瑟夫森结阵电压基准是量子基准,该基准利用低温超导结电子跃迁效应复现电压量值,可在很宽范围内复现高精度的电压量值。该装置的创新在于,硬件方面较好地解决了微波源,同时满足了结阵特性、输出功率、锁相环路三方面对微波频率的要求,在软件方面采用了数据处理技术,消除了10伏结阵电压阶数不稳定而对测量数据造成的影响,对提高测量效率及改善不确定度有着重要意义。计量院建立的10伏约瑟夫森电压基准,按照国际计量委员会的推荐用…     

10V约瑟夫森结阵电压基准

在 1V约瑟夫森结阵电压基准的基础上 ,10 V约瑟夫森结阵电压基准于 1999年底在中国计量科学研究院量子部电压实验室建立。其校准电压在 0 .1V～ 10 V范围内连续可调。校准固态电压标准 10 V输出值的合成不确定度为 5.4× 10 -9(1σ)     

10伏约瑟夫森结阵电压基准获国家科技进步奖

我院研制的“10伏约瑟夫森结阵电压基准”装置,荣获2 0 0 3年度国家科技进步奖二等奖。10伏约瑟夫森结阵电压基准是量子基准。1990年1月1日,国际计量委员会推荐用约瑟夫森效应复现电压单位量值,以保证国际范围内溯源的一致性。美、德、法、日等发达国家相继建立了1伏及10伏的约瑟夫森电压基准。我院1994年研制出1伏约瑟夫森结阵电压基准,1996年由世行贷款立项,建立10伏约瑟夫森结阵电压基准课题,于1999年研制成功,该装置系统的测量不确定度为5 4×10 - 9,达到了国际先进水平。10伏约瑟夫森结阵电压基准利用低温超导结电子跃迁效应复现电压…     

基于SNS型双路约瑟夫森结阵驱动方法研究

根据SNS型双路约瑟夫森结阵的驱动原理以及结阵分段特点,提出了平衡三进制驱动算法,实现了双路约瑟夫森结阵偏置状态的快速计算。根据约瑟夫森结阵的偏置状态以及组合方式,采用节点电压法,准确合成了双路阶梯波交流量子电压的台阶电压值,最终实现了最小分辨率为2个结,有效位为15位的交流量子电压输出。双路交流量子电压互测实验结果表明,合成交流量子电压的最大误差为0.06 μV,双路信号同步性测试实验中,两个通道的相位差为-0.01 μrad,证明了合成双路交流量子电压具有较高的幅值准确度和相位同步性。     

磁控溅射制备超导量子结

本文介绍了用磁控溅射技术制备超导量子结的工艺，对其电学特性进行了测试，分析了影响超导量子结电学特性的各种因素。     

超导量子干涉器件的冷却技术

超导量子干涉器件(SQUID)是应用约瑟夫逊效应发展起来的超导电子器件，是目前低温超导学的前沿学科之一。由于它对电磁讯号有特别高的灵敏度，可用于测量微电流(10^-14A)，微电压(10^16V)及弱磁．低磁化率等，当SQUID用作约瑟夫逊电压标准时，测量精度可达10^-10。     

NIST交付给BIPM量子电压标准

NIST物理测量实验室（PML）已经将最先进的10V电压标准交付给了国际度量衡局（BIPM），自此，该标准将作为国际度量衡局最新的基标准来与世界各地的国家计量机构进行电压比对。这种最新的可程控的约瑟夫森电压标准（PJVS）率先采用了一种新式接点设计，是首台采用紧凑型电子设备的可移动PJVS系统。这种12mm×17mm的超导集成电路，在使用过程中要冷却到4K的温度。该芯片包含32个平行微波通道，可将微波信号分送至约270，000个结点，这些结点由铌超导体构成，之间用掺铌硅分离，这种组合材料可以保证快速、稳定、可量化的电压。     

超导HWR腔垂直测试低温系统试验研究

中国科学院先导科技专项ADS(Accelerator Driven Suberitical,ADS)嬗变系统中超导HWR(half-wave resonator,HWR)腔垂直测试需低温系统维持4.2 K(液氦)的低温环境,低温系统降温过程包括氮气置换、液氮预冷、氦气置换和液氦冷却。通过实验建立了低温系统降温4个阶段不同测点温度随时间的变化规律,在此基础上,计算了液氦的消耗速率和杜瓦的静态热负荷,分析了低温系统在稳定工作状态时最佳的液氦补液时间间隔。结果表明:该低温系统满足超导HWR腔垂直测试需求,消耗液氮约175 kg、液氦约2 048 L,低温系统稳定工作时液氦体积消耗速率为32 L/h,杜瓦静态热负荷为21.36 W,液氦合理补液时间间隔为4 h,为后续超导HWR腔垂直测试提供了保障。     

交流约瑟夫森电压合成装置的研究

设计制作了一套交流约瑟夫森电压合成装置(JAWS),能够驱动1 V SINIS型可编程约瑟夫森结阵合成峰值1.2 V、 200 Hz以下频率的交流量子电压。实验结果表明,该装置能够合成200 Hz以下频率的交流量子电压,且合成60 Hz交流电压的不确定度优于5×10^-6,为进一步开展我国首个交流量子电压基准的研究工作奠定了基础。     

ADS 2K低温系统超流氦换热特性研究

以ADS 2K低温系统为研究平台,分析了恒温器结构参数中上升管与峰值热量的关系,测量了超导腔液氦池中不同工作温度下的超流氦峰值热量,最后给出了恒温器上升管的设计方法,并验证了ADS低温恒温器上升管设计的合理性。     

计量成果

超导约瑟夫森结阵列一伏电压基准该课题综合了低温超导、3毫米微波锁相、纳伏级电压精密测量等高新技术,涉及超导电子学、低温工程技术、计量学等多项科学领域,课题根据约瑟夫森效应,用微波照射超导状态下的约瑟夫森结阵,产生量子化电压台阶,通过基本物理常数2eh和频率直接复现电压单位——伏特,电压测量范围从0.1V到2.5V,测量不确定度6×10－9达到了国际先进水平。与国际上的同类装置相比,该系统在锁相技术、低热电势扫描开关以及测量方法和技术上都有独到的特点,该系统的部分技术指标不仅大大超过了原定课题指标,而且在国际上…     

中国计量科学研究院量子电压基准研究与发展综述

对中国计量科学研究院(NIM)研究建立的约瑟夫森量子电压基标准及相关应用研究情况进行了综述。NIM自1993年研究建立了国家量子电压基准，之后进行了与国际计量局的1 V和10 V的两次现场比对，比对一致性的相对不确定度均小于1.1×10^-10。重点描述了NIM建立可编程量子电压基准(PJVS)的研究工作，以及以此为基础合成交流量子电压和交流标准源量值传递的进展情况，并介绍了对PJVS进行的一些创新和应用拓展的工作。     

高真空-多层绝热液氦容器的试制

1973年2月 由于物质在低温下产生一系列奇异的特性,因此在低温化学、低温物理、核物理的研究、量子放大器、超导磁场、超高真空的获得、空间模拟、宇宙科学等方面广泛地应用低温液体,特别是液氦。随着我国科学技术的发展,低温液体(空气、氧、氮、氩、氖、氢、氦等)的应用日益广泛,因此对贮存和运送这些低温液体的容器的要求越来越迫切。对于不同沸点的低温液体必须使用不同的绝热形式,才能更有效、更经济地贮存它们。 液氦是一种极低温度下的液化气体(在一个大气压下,液氦的沸点为4.2°K)其汽化潜热非常小(在标准大气压下液氦的汽化潜热为0…     

超导腔2K垂直测试低温恒温器的设计

基于中国近年来超导腔的研究及发展趋势,设计了一种新型超导腔2K垂直测试低温恒温器,该恒温器集外真空容器、80 K液氮冷屏、液氦低温杜瓦、2K回冷换热器、J-T阀门以及低温分配与传输为一体.利用恒温器内部回冷提高2K超流氦的产生效率,并且使得相分离器的回流冷量得到充分利用,以最大限度减少2K温度的低温热负荷.     

1V及10V约瑟夫森结阵电压标准

为建立国家法定电压基准,中国计量科学研究院(NIM)对1-V和10-V约瑟夫森串联结阵电压标准进行了研究。其中结阵分别是由德国的PTB,日本的ETL,美国的NIST和韩国的KRISS提供的。采用的微波源是一个锁定到10MH_z频率标准上的高稳定高功率的85GH_z的G_aA_s耿氏管振荡器。所获得的1_v和10-V电压的总不确定度分别是9E-9和6E-9。     

航天科工研制出可编程 量子直流电压标准装置

正记者28日从中国航天科工集团二院获悉,该院203所近日成功研制出可编程量子直流电压标准装置,将直流电压国家副基准的测量范围扩展到微伏量级,提升了我国在国际量子电压计量领域中的地位。据悉,该装置在国内首次采用电压式可编程偏置源,设计了低温测试探杆,成功解决了可编程约瑟夫森结快速、精确偏置和测试探杆低温下信号传输等关键技术难题。     

我国量子电压基准装置与国际比对取得成功

本刊讯最近，国际计量局（BIPM）专家T．Wite博士和D．Reymamn博士携带该局可搬运式IV量子电压标准装置（即约瑟夫森结阵电压标准）到中国计量科学研究院，与我国量子电压基准装置进行了比对。两套装置通过汞电池过渡标准的间接比对和两个约瑟夫森结阵电压的直接比对后，又通过分别测量同一个标准电池进行了间接比对，取得了好的结果。这是迄今为止BIPM与各国进行的15次比对中所取得的最好结果之一。通过汞电池过渡标准的比对，表明我国基准装置与BIPM同类装置测量结果的差仅为0．06nV（即相对差为6×10-11），平均值的标准偏差为1…