中国计量科学研究院与国际计量局约瑟夫森电压基准之间的直接和间接比对

１９９５年１１月３—１０日，中国计量科学研究院（ＮＩＭ）的１Ｖ约瑟夫森结阵电压基准（ＪＪＡＶＳ）与国际计量局（ＢＩＰＭ）的１Ｖ约瑟夫森结阵电压基准之间进行了直接比对．比对在中国计量科学究研院进行，比对结果的综合不确定度为：（－０．０１±０．１１）ｎＶ．实际测量标准电池的比对结果为：（－１．８±５６）ｎＶ．     

中国计量科学研究院与国际计量局约瑟夫森电压基准之间的直接和间…

１９９５年１１月３－１０日，中国计量科学研究院的１Ｖ约瑟夫森结阵电压基准与国际计量局的１Ｖ约瑟夫森结阵电压基准之间进行了直接比对，比对在中国计量科学院研究进行，比对结果的综合不确定度为：实际测量标准电池的比对结果。     

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…     

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)     

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。     

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。     

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2003年度国家科技进步奖二等奖。     

免液氦量子电压标准低温系统设计与研究

提出一种免液氦量子电压标准低温系统，给出了设计和结构，详细分析了10 K左右NMIJ结阵的结构和超导特性。实验结果表明，设计和研制的免液氦量子电压标准低温系统，能够较好地为NMIJ约瑟夫森结阵提供10 K左右低温环境，测得的临界电流和超导量子电压台阶宽度满足结阵超导特性使用要求，为下一步直流量子电压的准确输出奠定了基础。     

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。     

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。     

多用途精密齐纳电压源的研究

1引言电学或电子学测量是一切现代测量技术的基础，测量的准确性首先依赖于测量仪器内部标准单元的准确度。而此标准单元需具有正确的计量溯源性，由更高一级的标准对它进行检定。电压测量又是一切电测量的基础。我国的电压单位按照国际计量大会第十八次会议决议，是通过超导体的约瑟夫森效应溯源至国际单位制（SI）电压单位一伏特。1993年我院与中国计量科学研究院共同完成了国家量子电压基准和作证基准的研究。电压的量值传递由饱合式韦斯顿标准电池组构成的电动势副基准和工作基准进行，它们由量子电压基准进行监测与赋值。从工作基准向…     

计量院研制成功量子化电学基准

本刊讯量子化电学基准有两项 ,约瑟夫森量子电压基准和量子化霍尔电阻基准。我院的约瑟夫森量子电压基准 ,１９９８年获国家科技进步二等奖。量子化霍尔技术难度很大 ,近期经科技人员努力 ,突破了难关 ,取得了良好结果。２０００年计量院完成了“量子化霍尔电阻基准”课题的研制工作 ,并在同年１０月与日本电子综合技术研究所（ＥＴＬ）进行了双边比对 ,比对结果两国１Ω电阻量值的差别为１ ３ｎΩ。根据日本专家估计 ,用１Ω实物电阻作为可运输标准进行此种双边比对时 ,其不确定度约为±５ｎΩ。中、日两国的此项比对结果在国际上已发表的…     

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。     

基于约瑟夫森量子电压的交流功率测量系统及方法研究

基于约瑟夫森量子电压标准设计了交流功率差分测量系统。通过分析差分采样系统的误差分布及误差传递函数,提出换向差分测量方法,减小了差分采样系统的增益误差,提高了电压幅值测量准确度;通过分析衰减系数η,证明了采用换向差分测量较容易实现10-7量级电压幅值测量。通过评估差分采样系统零相位,结果证明了差分采样系统具有较好的相位测量稳定性。分析了交流功率差分测量系统的不确定度分量,评估了功率因数为1.0,0.5 L和0.5 C时的功率测量不确定度,通过与国家交流功率基准装置进行实验比对,证明了基于约瑟夫森量子电压交流功率测量系统不确定度评估的合理性。     

基于量子自然基准的新型电流计量技术研究

在现代军事计量中，电磁计量直接影响国防建设质量和武器技战水平。现有电学计量体系中，基于约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的量子电压和量子电阻的基准装置已经完成建设并已投入应用，然而基于量子效应的电流基准仍处于探索阶段。本论文基于高灵敏度原子磁力仪技术提出一种新型电流计量技术，可将电流间接溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准。该技术有潜力用于建设电流计量基准装置和研制基于量子自然基准的新型电流比较仪。具体阐述了电流计量及量值传递方案的物理思想和实施过程，并通过相关实验验证了方案的可行性。     

基于约瑟夫森量子电压的谐波电压测量方法研究

约瑟夫森量子电压目前大多应用于正弦信号的测量,极少有针对谐波信号的研究。对可编程约瑟夫森电压基准应用于谐波检测的可行性进行了研究,实现谐波电压向量子电压过渡。在使用阶梯波交流量子电压进行谐波电压测量时,由于过渡过程和吉布斯现象的存在,部分数据出现较大波动;若将该部分处于过渡过程的数据纳入傅里叶变换,会导致恢复得到的信号幅值和相位失真。针对这一问题,提出了一种新的谐波电压计算方法:加权傅里叶变换。该方法通过将处于过渡过程的数据权重置零的方式,实现了谐波电压的准确测量。实验结果表明,谐波电压幅值和相位测量结果较理想,幅值测量标准差均小于1 μV,相位测量标准差均小于15 μrad。     

直流电压自然基准装置的研究及量值复现

针对实物电压基准量值存在漂移的问题,利用约瑟夫森超导结量子电压与微波频率成比例的原理,研究和建立了我国的直流电压自然基准装置.用该装置校准国家直流电压实物基准得到的数据表明,国家直流电压实物基准维护完好.其组平均值随时间的漂移非常微小,每年仅仅几十纳伏特.该装置的建成,表明我国在直流电压测量领域已经达到国际先进水平,完全满足监视国家实物电压基准量值变化的需要.     

国家电压副基准近年来的变化：用约瑟夫森电压标准进行监测

自１９９３年１Ｖ结阵约瑟夫森电压标准正常运行以来，就开始对国家电压副基准进行了连续的监测。经过近四年的连续测量发现：国家副基准电池组０５１中的十个标准电池的电动势都呈上升趋势，其中最大的０５１－２达到０．２０４μＶ／年，最小的０５１－８达到０．０４４μＶ／年，十个标准电池的电动势的算术平均值的变化速率为＋０．０８１μＶ／年，并且随时间几乎成直线上升关系。     

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。