噪声法测量玻尔兹曼常数研究综述

量子电压标定的噪声温度计作为一种纯电学的测量方法,在精密测量玻尔兹曼常数进而重新定义温度单位开尔文的重大历史变革中发挥了重要作用。本文阐述了量子电压标定噪声温度计的基本原理,并从传输线匹配、电磁干扰和感应电压误差三个方面分析了面临的主要技术挑战。此外,概述了噪声温度计的国内外研究现状,并展望了温度单位开尔文重新定义后主要的研究方向。     

基于噪声温度计的铟凝固点热力学温度研究

热力学温度研究表明,国际温标ITS-90定义的一系列固定点与真实热力学温度有一定差异。以量子电压标定的噪声温度计为基础,设计了用于铟凝固点测量的温度探测装置,解决了高温复杂环境下电磁干扰的抑制问题。实验采用研制的噪声温度计系统测量了铟凝固点的热力学温度,测量积分时间100h,在20～500kHz的测量带宽内得到的铟凝固点热力学温度为429.7476K,相对不确定度为11.58×10^-6,与ITS-90给出的铟凝固点值相差0.9mK。实验结果可以为国际温标的修订提供参考。     

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。     

噪声温度计用放大器设计与性能评估

低噪声、低失真、高共模抑制比的放大器对于噪声法测量热力学温度至关重要。设计了由前置放大、仪表放大和缓冲放大3级组成的噪声温度计用高性能放大器。其中,采用具有超低噪声的结型场效应对管IF9030作为前置差分放大级的输入;研制了自动化测量对管转移特性的装置,用于在大批量对管中挑选匹配度更优的器件;采用互相关技术压低电路中不相关的噪声,从而确保能够准确测量到被放大器背景噪声淹没的非线性失真信号;重点评估了放大器在1MHz带宽内的共模抑制比和放大器受双频激励时的非线性失真。测量结果表明,放大器的背景噪声为1.2nV/Hz1/2;100kHz带宽内的共模抑制比优于90dB,100kHz至1MHz带宽内的共模抑制比会随着频率的增加而降低,但不低于70dB;放大器受频率为400kHz、401kHz,幅度有效值为8μV的双频信号激励时,产生的二阶交调失真信号比双频信号低79dB,二阶谐波失真信号比双频信号低85dB。     

量子电压标定的叠加型噪声温度计研究

针对传统开关切换型噪声温度计存在测量时间长且需要匹配传输线的问题,搭建了一种量子电压标定的叠加型噪声温度计,从而消除切换开关。该方案一方面不需要匹配传输线,另一方面允许增加传感器电阻阻值从而提高测量的信噪比。系统主要包括量子电压赝噪声源、低噪声放大滤波电路和高精度数据采集电路等模块。采用四阶拟合外推到直流以消除传输线效应的影响,从而得到正确的热力学温度值。恒温实验室的验证性实验表明,经过100 s测量得到的结果与名义温度值的相对偏差为0.027%、不确定度为0.16%,说明了所提出方案的可行性。     

噪声温度计中新型数字相关器设计

分析了噪声温度计中相关器的基本原理和特点,设计了一种基于商用数据采集卡和LabVIEW软件的新 型数字相关器,用于极小幅度的热噪声谱的测量。通过调节外部参考时钟的相位,控制相关器两个通道的精确同 步采样,能够实现淹没在测量电路噪声背景下的微弱信号的测量。实验结果表明,该数字相关器设计切实可行,性 能可靠,为噪声温度计测量热力学温度奠定了基础。     

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。     

功率谱密度约束下多频激励的非线性失真研究

多频激励信号通过放大器后产生的非线性失真对测量准确性具有较大影响。本文对功率谱密度约束下的多频激励信号产生的非线性失真进行了定量和定性的研究,给出了不同谱线间隔、非线性阶数、谐波相位和频率分布下的数值计算结果,并从三个方面进一步阐释了非线性失真的作用机制。首先,通过仿真发现,二阶非线性时,由具有 Schroeder 相位的多频激励信号产生的二类失真分量的相位为随机分布,而不是和一类失真分量反相。其次,通过计算一类失真分量、二类失真分量以及总失真的变化,解释了通过对多个具有随机相位的多频激励信号产生的非线性失真求平均来减小二类失真分量影响的测量方法。最后,发现了具有 Schroeder 相位的多频激励信号所产生非线性失真的特殊分布机制。本文的研究对准确评估和深入理解非线性失真具有重要意义。