Способ абсолютной градуировки многозначной сверхпроводящей меры магнитного потока

 

СО}ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

} 51 } 5 Н 01 L 39/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР. (21) 3603180/25 (22) 09.06.83 (46) 07.08.91. Бюл. }} 29 (72) Э.Т.Француз (53) 621.326(088 8) (56) Студенцов Н.В. Меры основных магнитных величин и методика определения их значений, HTO Приборпром, M., 1965, с. 55-60.

Ко Нага; Enyuhiko Shiota and Te.—

ruhiro Kubota "А Feasibility Study

on an Absolute Determination of the

Magnetic Flux Quantum" РМЕС-2. NBS

Spec. Publ No. 617, 1982 (прототип). (54)(57) СПОСОБ АБСОЛЮТНОЙ ГРАДУИРОВКИ МНОГОЗНАЧНОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ МЕРЫ.

МАГНИТНОГО ПОТОКА, включающий изменение магнитного потока, сцепленного с витками меры, путем изменения электрического тока в цепи меры, измереI

Изобретение относится к технике точных магнитных и электрических измерений, использующих явление сверхпроводимости и квантовые эффекты в сверхпроводниках, и может быть применено для абсолютной градуировки многозначных сверхпроводящих мер магнитного потока.

Для магнитных и электрических измерений используются меры магнитного потока, т.е. устройства,воспроизводящие заданное значение магнитного потока, сцепленного с витками катушки индуктивности. Эти меры не имеют собственного отсчетного устройства, поэтому их градуировка сводится обыч„„SU„„1124819 А 1

2 ние изменения магнитного потока путем интегрирования по времени напряжения на выводах меры и регистрацию разности отсчетов до и после указанного изменения тока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения погрешности градуировки, магнитный поток изменяют путем одновремеиного формирования на выводах меры прямоугольного импульса напряжения с помощью перехода Джоэефсона, имеющего индуцированную внешним ВЧ-полем ступенчатую вольтамперную характеристику, и автоматического регулирования электрического тока в цепи меры, и измеряют число квантов, на которое изменился магнитный поток, регистрируя приращение фазы колебаний ВЧ-поля эа время действия прямоугольного ймпульса напряжения. но к определению их постоянных, которые находятся либо расчетным путем, либо экспериментально путем сличения с образцовой мерой на установках с баллистическим гальванометром, Погрешность расчетных мер определяется погрешностью измерения геометрических размеров катушек индуктивности и составляет 0,001-0,01%, по " грешность экспериментальных методов определения постоянных мер магнитного потока не превышает О, 1%.

Область практического применения несверхпроводящих мер магнитного потока ограничена их использованием

1124S19 для градуировки баллистических гальванометров и веберметров.

В замкнутом сверхпроводящем контуре магнитный поток, сцепленный с этим 5 контуром, равен целому числу квантов магнитного потока Ф « 2,07 10 Вб и не изменяется со временем. Это свойство дает возможность повысить точность мер магнитного .потока и расширить область их практического использования.

Многозначная сверхпроводящая мера магнитного потока, состоящая из последовательно соединенных сверхпроводящей катушки индуктивности и измерительного прибора электрического тока с нулевым внутренним сопротивлением, может быть проградуирована по магнитному потоку. Выходной величиной 20 при градуировке служат показания отсчетного устройства измерительного прибора электрического тока.

Наиболее близким к предлагаемому является способ градуировки сверх- 25 проводящей меры магнитного потока, включающий изменение магнитного потока, сцепленного с витками меры, путем изменения электрического тока в цепи меры, измерение изменения магнитного 30 потока путем интегрирования по времени напряжения на выводах меры и регистрацию разности отсчетов до и после указанного изменения тока.

Известный способ градуировки заключается в следующем.

1.Градуируемая мера подключается параллельно резистору, зашунтированному тепловым ключом„ через которые пропускается .постоянный электрический ток.

2.Когда ключ находится в сверхпроводящем состоянии, производится отсчет К по отсчетному устройству меры.

3. Для изменения магнитного потока, сцепленного с. витками катушки индуктивности, тепловой ключ переводится в нормальное состояние на время Т=с. -t,,в течение которого проф Э 50 изводится измерение и регистрация мгновенных значений падения напряжения V(t) на резисторе.

4. После перевода (в момент времени t<) теплового ключа в сверхпрово-, дящее состояние производится по от55 счетному устройству отсчет К . Величина КС-КФ пропорциональна величине электрического тока и магнитного по= тока в сверхпроводящем контуре поверяемой меры. Величина этого магнитного потока ЬР (Т) определяется выражением:

Ф(Поверка с помощью нестационарного эффекта Джозефсона устройства, измеряющего и регистрирующего напряжение

V(t), позволяет выразить значение магнитного потока в виде

4z ()P(r)=()), с (д((с)ас, (z)

1) где X(t) — мгновенное значение показаний устройства;

С вЂ” его постоянная.

5. Градуировка завершается после многократного повторения операций пп. 1-4 с варьированием интервала времени Т и установления соответствия между значениями воспроизводимого мерой магнитного потока У и показаниями К отсчетного устройства.

Недостатками известного способа градуировки являются многозвенность поверочной цепи, по которой градуируемой мере передается значение кванта магнитного потока, и связанные с этим погрешности, а также наличие дополнительных погрешностей, связанных с изменением напряжения V(t) в интервале времени Т.

Целью изобретения является уменьшение погрешности абсолютной градуировки многозначных сверхпроводящих мер магнитного потока.

Поставленная цель достигается тем, что магнитный поток изменяют путем формирования прямоугольного

1 импульса напряжения на переходе Джо-, зефсона, подключенном к выводам меры и имеющем индуцированную внешним электромагнитным ВЧ-полем ступенчатую вольт-амперную характеристику, и одновременно автоматического регулирования электрического тока в цепи меры, измеряют число квантов, на которое изменился магнитный поток, регистрируя приращение фазы колебаний

ВЧ-поля за время действия прямоугольного импульса напряжения.

Известно, что вольт-амперная zaрактеристика перехода Джозефсона, помещенного во внешнее электромагннтное ВЧ-поле, приобретает ступенчатый характер с участками нулевого

11 дифференциального сопротивления (сту= пенями) при напряжениях

Vq=n 9 f, где п=О, 1, 2,... — целое число;

f — частота колебаний ВЧ-поля.

Такая ступенчатая вольт-амперная

Ъ характеристика перехода Джозефсона используется для градуировки меры.

Если электрический ток через переход Джозефсона близок к нулю, рабочая точка на вольт-амперной характеристике находится на ступени с n=O, Путем подачи на переход соответствующих скачков тока можно скачком смещать рабочую точку на вольт- амперной характеристике со ступени с п=О на ступень с пФО и тем самым получать на переходе Джозефсона прямоугольный импульс напряжения с амплитудой Чг1 и длительностью T— = t -t . Если к переходу Джозефсона подключена нагрузка с конечным импедансом, то в течение интервала времени Т ток смещения должен регулироваться таким образом, чтобы рабочая точка находилась в пределах ступени тока, а после обратного перехода на ступень п=О ток смещения должен оставаться постоянным.

Если переход Джозефсона нагружен на сверхпроводящую катушку индуктивности, то ток регулятора должен линейно нарастать до момента t до момента и со скоростью Vn/L,ãäå L — значение индуктивности катушки. !

Изменение магнитного потока в мере за время Т=й -t,

Таким образом, измерение числа квантов, на которое изменился магнитный поток за время Т=t -t сводится

2. в предлагаемом способе к измерению разности фаэ (g (t<)-g(t< ), которая может быть измерена (с абсолютной погрешностью " ) электронным счетчиком периодов колебаний.

Один иэ вариантов реализации предлагаемого способа градуировки поясняется чертежом.

Градуируемая мера магнитного потока, состоящая иэ сверхпроводящей катушки индуктивности 1 и измеритель- . ного прибора 2 электрического тока с

24819

5

50 нулевым внутренним сопротивлечием, подключена к выводам 3 перехода Джозефсона 4. Переход Джозефсона имеет емкостную связь с генератором ВЧ-колебаний 5, предназначенным для получения ступенчатой вольт-амперной характеристики, и гальваническую связь с регулятором электрического тока 6, вход которого соединен каналом передачи информации 7 с устройством управления 8. Генератор 5 соединен со счетчиком 9 периодов колебаний ВЧ-кабелем !О. Счетчик 9 связан также с устройством управления 8 каналом пе» редачи информацйи 11, по которому передаются команды начала и окончания счета в моменты времени соответственной ис

Формирование прямоугольного импульса напряжения на переходе Джозефсона и изменение тока на интервале Т=

=t -t производится с помощью регуля 2. 1 тора тока б, получающего управляющие сигналы по каналу 7 от устройства управления 8 в соответствии с заранее введенной в него программой. Эта программа использует информацию о значении индуктивности катушки 1, вольтамперной характеристике перехода Джозефсона 4, номере рабочей ступени и и частоте ВЧ-генератора 5.

В другом варианте реализации предлагаемого способа градуировки управление регулятором 6 может осуществляться не по заранее введенной программе, а путем использования измерительной информации прибора 2, Возможно также использование аналоговых устройств формирования импульса напряжения и регулирования тока.

В качестве примера рассмотрим погрешность градуировки предлагаемым способом сверхлроводящей меры магнитного потока, катушка которой имеет индуктивность 10 мГн, а в качестве измерительного прибора используется сверхлроводящий квантовый интерфереиционный прибор, устройство регистрации которого допускает работу в цифроаналоговом режиме с максимальной скоростью счета 1.10 Ф /с, период по

3 току входной обмотки составляет

О, 1 мкА. Максимальная скорость парастания тока для такого измерителя составит " 0,1 мА/с. Напряжение Чп при этом должно быть не более V «

o dt

-- =1 мкВ. Такое напряжение мож1124819

Редактор О.Филиппова

Техред H,Äèäûê

Корректор Л.Патай

Заказ 3435 Тираж 353 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениях и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 но получить на ступени с и 2 при f= .

=241,8 МГц.

Если ток регулятора в процессе изменения потока изменяется по програм- 5 ме с использованием информации о значениях напряжения и индуктивности Е о» то при погрешности значения L, составляющей +17, смещение рабочей точки на вольт-амперной характеристике 10 к моменту t при Т 10 с не превысит

+ 10 мкА. Отсюда следует, что при

"ширине" ступени по току более 30 мкА рабочая точка остается в пределах ступени в течение интервала Т. 15

Погрешность измерения разности фаз

g(t z)-{g(t<), если в качестве счетчика использовать частотомер Ч3-54, составит величину меньшую 1. 10б при интервалах Т > 1 с. Погрешность измерения 20 разности Ко-К определяется величиной интервала Т., шумовым потоком и стабильностью нулевого уровня сверхпроводящего квантового интерференционного прибора. При Т 10 с, среднем квадратическом значении спектральной плотности шумового потока S =1 10 Р Гц щ о и дрейфе нуЛевого уровня, не превыша ющем 1 10 Г ч, эта погрешность мо-3 Л -1

g -7 жет быть снижена ниже уровня 1 10

Лта погрешность и определит в основном погрешность градуировки предлагаемым способом.

Использование предлагаемого способа градуировки, как видно из приведен-35 ного примера, имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества: а) погрешность градуировки сравнительно простыми средствами может быть меньше, чем 1 10, в то время как даже при использовании наиболее точного в настоящее время цифрового регистрирующего вольтметра способ, выбранный за прототип, даст погрешность ) 1 ° 10

-б, б) на погрешность градуировки не влияет нестабильность частоты генератора ВЧ-смещения перехода Джозефсона, что позволяет существенно упростить необходимое оборудование; в) если в состав меры магнитного потока входит сверхпроводящая мера индуктивности, то предлагаемый способ может быть использован для градуировки по постоянному току цифровых квантовых интерференционных измерителей постоянного тока и контроля их линейности, что открывает возможность их применения в мерах постоянного тока и постоянного напряжения.

По сравнению со способом определения постоянной наиболее точной расчетной меры магнитного потока, используемым в настоящее время в измерительной технике народного хозяйства, предлагаемый способ может обеспечить повышение точности, по крайней мере, на два порядка.