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。     

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。     

交流量子电压标准研究综述

相比于传统的实物电压标准,基于约瑟夫森效应建立的交流量子电压标准,具有复现性好、稳定性高和不确定度低等优点。从物理原理、存在问题以及应用价值等角度出发,梳理、归纳先后发展起来的可编程约瑟夫森电压标准和脉冲驱动的交流约瑟夫森电压标准,并比较这两种量子电压标准的计量性能,介绍我国构建交流量子电压标准的现状及进展。     

交流约瑟夫森电压标准系统的介绍

本文介绍了交流约瑟夫森电压标准系统的性能。该系统是一种新型的交流量子电压计量装置,用于校准常用的直流和交流电压标准。通过测试几个福禄克5700A系列校准器,其电压为10V,频率是1k Hz了解到该系统在工业环境中的性能和操作方法。交流电压标准的测量不确定度小于1×10-6     

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。     

我国的1V及10V约瑟夫森量子电压基准装置

文章描述了我国量子电压基准的建立、发展、现状和所取得的成果,以及与国际计量局进行基准关键比对的情况。     

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。     

约瑟夫森结阵器件的研究进展

介绍了约瑟夫森效应在电压基准方面的应用,综述了目前国内外对用于电压基准的约瑟夫森结阵的研究和发展过程,重点介绍了国内用于电压基准的Nb/NbxSi1-x/Nb单结的研究进展。     

基于任意波形发生器的高压短路试验测量系统校准方法和装置的研究

提出了一种将标准短路试验波形注入多通道任意波形发生器,来产生模拟实际的校准波形,进而对测量系统进行校准的方法。校准装置使用现场可编程门阵列(FPGA)、直接数字频率合成器(DDS)等器件。对装置的检定结果表明:在10 Hz^200 kHz频率范围内,输出频率、输出电压最大误差分别为2.1×10^-6、3×10^-3。重复输出10次,输出幅值的最大相对标准偏差为5.7×10^-4,1年内幅值变化的最大相对标准偏差为1.9×10^-4。通过将该装置用于实际高压短路试验测试系统的校准,验证了试验波形的噪声、零漂及带宽均会对测量系统的准确度产生显著影响。     

Development and Investigation of SNS Josephson Arrays for the Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer

Superconductor–normalmetal–superconductor(SNS) Josephson junction series arrays are developed and investigated for applications in the Josephson arbitrary waveform synthesizer (JAWS). The series arrays contain up to about 10 000 junctions arranged in a meanderlike design. AC voltages and arbitrary waveforms are synthesized by operation of the Josephson junctions by short current pulses. Higher harmonics are at least 110 dB below the fundamental. To verify the generated waveforms, a spectrum analyzer that has initially been calibrated using a binary-divided programmable Josephson voltage standard is used.      

任意波发生器的总体评价

介绍了任意波发生器的定义及主要技术指标,包括静态、动态、瞬态、矢量、调制、标准波形和任意波形等参数指标,叙述并讨论了它们的校准方法。对任意波发生器校准的内容、实质、目的、难点、技术等问题进行了充分的讨论和叙述。     

任意波发生器静态特性的评价

介绍了任意波发生器的主要静态特性指标、校准方法及实现过程。通过一组实验．获得了实际校准结果,并对校准中需要注意的问题进行了讨论。所述方法涉及的静态特性内容比较全面。具有足够的测量准确度、分辨力和稳定性。可用于任意波发生器的静态指标评价和计量。     

任意波发生器应用及校准述评

介绍了任意波发生器,以及任意波发生器的应用原因(产生复杂信号;产生没有其它合适信号源的信号;产生仿真信号);介绍了几种典型的应用情况(扰乱理想波形;模拟传感器;替代信号源;模拟电路与数字电路的混合测试;复杂调制;多功能信号源),讨论了如何产生任意波形(标准波形库;图像编辑;数据传输;数据表修改;FFT编辑器;公式编辑器);对任意波发生器校准现状、校准内容、以及校准对策进行了综述、总结、分析和讨论.在充分评述了任意波发生器校准所需要的各种技术基础上,展望了其校准技术的发展趋势.     

任意波发生器的校准思想及技术述评

主要介绍了JJF1152-2006《任意波发生器校准规范》中所采用的校准原则、思想和技术.针对任意波发生器实际校准和应用中需要面对的一系列问题,讨论了任意波发生器的技术内涵和实质;提出了其校准的主导思想:仪器设备的校准、波形生成能力的校准、波形生成质量的校准;确定了校准的主要内容:仪器设备极限参数的校准和失真特性的校准;介绍了任意波发生器校准所采取的技术措施:虚拟仪器模式下的模型化测量方法;讨论了校准仪器设备选取原则:通用性原则、溯源性原则和最简捷原则和高精度原则.针对主要校准项目参数,讨论了几种典型校准方法的优缺点.     

Operating Margins for a Pulse-Driven Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer Using a Ternary Bit-Stream Generator

We describe measurements with a pulse-driven Josephson arbitrary waveform synthesizer (JAWS) that uses a ternary arbitrary bit-stream generator as the bias source. This system is designed to be used as an ac Josephson voltage standard. From these measurements, we conclude that the system is operational for root-mean-square voltages of up to 220 mV. We measured the operating margins for different voltages synthesized with different numbers of junctions, waveforms, and bias conditions. We also present results on the influence of the critical current on the operating margins.      

Operation of NIST Josephson Array Voltage Standards

This paper begins with a brief discussion of the physical principles and history of Josephson effect voltage standards. The main body of the paper deals with the practical details of the array design, cryoprobe construction, bias source requirements, adjustment of the system for optimum performance, calibration algorithms, and an assessment of error sources for the NIST-developed Josephson array standard.