Способ абсолютной градуировки многозначной сверхпроводящей меры магнитного потока

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИдЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 112481 р 1),Н 011,3 ЕНИ ВИДЕТЕЛЬСТ Н АВТОРСКО тног определаходятс к ые н эксп азцо либос обрбаллиПо тическим гальваном решность расчетных погрешностью изме их размеров катуше и составляет 0,001 сть эксперименталь ления постоянных м ока не превышает 0 мер опредеения геомет- индуктив 0,01%, по" ых методов р магнитноляет ричес ности ГОСУДАРСТБЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗО(56) Студенцов Н,В. Меры основныхмагнитных величин и методика определения их значений, НТО Приборпром,М., 1965, с. 55-60,Ко Нага; ЕпуцЬ 11 о БЬ 1 ога апд Те. -гцЬпо КцЬоса "А РеаыЬг 1 гСу Бгцдуоп ап АЬзо 1 цге Вегегш 1 паг 1 оп ой гЬеМадпег,гс Г 1 цх 0 цапцщ" РМЕС. ИВББрес, РцЬ 1. Ио, 617, 1982 (прототип).(54)(57) СПОСОБ АБСОЛЮТНОЙ ГРАДУИРОВКИ МНОГОЗНАЧНОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ МЕРЫМАГНИТНОГО ПОТОКА, включающий изменение магнитного потока, сцепленногос витками меры, путем изменения электрического тока ц цепи меры, измереИзобретение 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 обычние изменения магии о 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 одновременного 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. С." ию их постоянных, котолибо расчетным путем,нтально путем сличенияерой на установках с Область практического применения несверхпроводящих мер магнитного потока ограничена цх использованиемдля градуировки баллистических гальванометров и веберметров,1В замкнутом сверхпроводящем контуре магнитный поток, сцепленный с этим 5контуром, равен целому числу квантовмагнитного потока Ф 2 2,07 10 Вб ине изменяется со временем. Это свойство дает возможность повысить точность мер магнитного .потока и расширить область их практического использования.Многозначная сверхпроводящая мерамагнитного потока, состоящая из последовательно соединенных сверхпроводящей катушки индуктивности и измерительного прибора электрического токас нулевым внутренним сопротивлением,может быть проградуирована по магнитному потоку. Выходной величиной 20при градуировке служат показания отсчетного устройства измерительногоприбора электрического тока.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ градуировки сверхпроводящей меры магнитного потока,включающий изменение магнитного потока, сцепленного с витками меры, путемизменения электрического тока в цепимеры, измерение изменения магнитногопотока путем интегрирования по времени напряжения на выводах меры и регистрацию разности отсчетов до и после укаэанного изменения тока,Известный способ градуировки заключается в следующем.1.Градуируемая мера подключаетсяпараллельно резистору, зашунтированному тепловым ключом через которыепропускается постоянный электрический ток.2.Когда ключ находится в сверхпроводящем состоянии, производится отсчет К по отсчетному устройству меры.453, Для изменения магнитного потока, сцепленного с. витками катушкииндуктивности, тепловой ключ переводится в нормальное состояние на время Т=с. -с , в течение которого проЭ50изводится измерение и регистрациямгновенных значений падения напряжения Ч(С) на резисторе.4. После перевода (в момент времени 1) теплового ключа в сверхпрово- ,дящее состояние производится по от 55счетному устройству отсчет К. Величина КС-КФ пропорциональна величинеэлектрического тока и магнитного потока в сверхпроводящем контуре поверяемой меры. Величина этого магнитного потока ЬР (Т) определяется выражением:г И (т)= ) Ис)ас. Поверка с помощью нестационарного эффекта Джозефсона устройства, измеряющего и регистрирующего напряжение Ч(й), позволяет выразить значение магнитного потока в видедР(т)сЯс)йе, (2) где 6(С) - мгновенное значение показаний устройства;С - 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 Ч 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 прямоугольного1 импульса напряжения напереходе Джо-, зефсона, подключенном к выводам меры и имеющем индуцированную внешним элек. тромагнитным 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 характеристика перехода Джозефсона, помещенного во внешнее электромагннтное ВЧ-поле, приобретает ступенчатый характер с участками нулевого511дифференциального сопротивления (сту=пенями) при напряжениях71=пЕ,где п=0,1,2, - целое число;Е - частота колебаний ВЧ-поля.Такая ступенчатая вольт-ампернаяхарактеристика 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 п=О, 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 Ъ и длительностью Т=-С . Если к переходу Джозефсона подключена нагрузка с конечным импедансом, то в течениеинтервала времени Т ток смещения должен регулироваться таким образом, чтобы рабочая точка находилась в лределах 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 линейнонарастать до момента С до момента е со скоростью Чл /Ь,где Ь - значение индуктивности катушки.Изменение магнитного потока в меа времягф(т)= 1 уийс пФ, 1 ис п у( )- Ь Ф-)() (3) где Ц 7(1) - фаза колебаний ВЧ-поля,Таким образом, измерение числа квантов, на которое изменился магнитный поток за время Т=й -й сводится2. 1 ф в предлагаемом способе к измерению разности фаз С)-фью ), 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 с248196 55 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 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 информации 11, по которому передаются команды начала и окончания счета в моменты времени соответственно й иФормирование прямоугольного импульса напряжения на переходе Джозефсона и изменение тока на интервале Т= =с -с производится с помощью регуляг.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 интерференционный прибор, устройство регистрации которого допускает работу в цифроаналоговом режиме с максимальной скоростью счета 1 10 Ф /с, период по3току входной обмотки составляет О, 1 мкА, Иаксимальная скорость парастания тока для такого измерителя составит " 0,1 мА/с, Напряжение Чпри этом должно быть не более Чйд о Д с Ь=1 мкВ, Такое напряжение мож1124819 Редактор О.Филиппова Техред М,Дидык Корректор Л.Патай Заказ 3435 Тираж 353 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениях и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г,ужгород, ул. Гагарина,101 но получить на ступени с д=2 при й= .=24 1,8 МГц,Если ток регулятора в процессе изменения потока изменяется по программе с использованием информации о значениях напряжения и индуктивности 1.ото при погрешности значения 1 составляющей +17, смещение рабочей точки на вольт-амперной характеристике 10к моментупри Т = 10 с не превысит2"ширине" ступени по току более 30 мкАрабочая точка остается в пределахступени в течение интервала Т. 15Погрешность измерения разности фазЧ(Г )-)(С 1), если в качестве счетчикаиспользовать частотомер Ч 3-54, составит величину меньшую 1 10 б при интервалах Т1 с, Погрешность измерения 20разности К-К 1 определяется величинойинтервала Т, шумовым потоком и стабильностью нулевого уровня сверхпроводящего квантового интерференционногоприбора. При Т 10 с, среднем квадратическом значении спектральной плотности шумового потока Б =1 10ГцЮ Ои дрейфе нуЛевого уровня, не превышающем 1 10 г ч , эта погрешность моЛ -1о ф -7жет быть снижена ниже уровня 1 10 , 30Лта погрешность и определит в основном погрешность градуировки предлагаемым способом,Использование предлагаемого способа градуировки, как видно из приведенного примера, имеет по сравнению спрототипом следующие преимуществафа) погрешность градуировки сравнительно простыми средствами можетбыть меньше, чем 1 10 , в то времякак даже при использовании наиболееточного в настоящее время цифровогорегистрирующего вольтметра способ,выбранный за прототип, даст погреш)1 10-б,б) на погрешность градуировки невлияет нестабильность частоты генератора ВЧ-смещения перехода Джозефсона,что позволяет существенно упроститьнеобходимое оборудование;в) если в состав меры магнитногопотока входит сверхпроводящая мераиндуктивности, то предлагаемый способ может быть использован для градуировки по постоянному току цифровыхквантовых интерференционных измерителей постоянного тока и контроля ихлинейности, что открывает возможностьих применения в мерах постоянноготока 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.