СИСТЕМА ЕТАЛОНІВ В ГАЛУЗІ ЕЛЕКТРОРАДІОВИМІРЮВАНЬ

СИСТЕМА ЕТАЛОНІВ В ГАЛУЗІ ЕЛЕКТРОРАДІОВИМІРЮВАНЬ.

КВАНТОВІ ЕТАЛОНИ

Одиниці електричних величин. Еволюція методології відтворення

  Таблиця 4.1 Найбільш уживані похідні одиниці SI в галузі електрорадіовимірювань

Рис. 4.1. Схема реалізації електричних одиниць

 

Неважко побачити, наскільки тривалу і трудомістку процедуру являла собою реалізація електричних одиниць за даною схемою, не говорячи вже про високу експериментальну майстерність, якої вона вимагає. Зокрема, абсолютне визначення сили струму за допомогою ампер-ваг з цих причин здійснювалося лише один раз у 10-15 років (!) [1]. Крім того, практичні операції зі струмовими вагами обмежуються струмом силою порядку 1 А, іншими словами, широке застосування струмових ваг у метрологічній практиці неможливе. До цього слід додати, що для збереження одиниць напруги та опору в інтервалах між абсолютними вимірюваннями сили струму та імпедансів необхідно було б мати велику кількість ННЕ та еталонних резисторів, зберігати їх у спеціальних умовах і звіряти їх між собою через визначені інтервали часу.

Отже, склалася ситуація, коли недосконалість електричних еталонів почала гальмувати розвиток ряду галузей науки та техніки. З’явилася настійна потреба у створенні нової системи електричних еталонів.

Ситуація істотно змінилася з відкриттям ряду квантових ефектів, а головне, з усвідомленням можливості створення принципово нових – природних еталонів, що спираються на ці ефекти та фундаментальні фізичні сталі [13].

Квантові ефекти та еталони електричних одиниць на їх основі

Ефект ядерного магнітного резонансу (ЯМР) дозволяє визначити індукцію магнітного поля шляхом вимірювання частоти прецесії f системи атомних ядер у… , (4.1) де − гіромагнітне відношення робочої речовини.

Система еталонів в галузі електрорадіовимірювань

Основу системи еталонів становлять такі квантові еталони: еталон одиниці часу (частоти), що базується на атомному переході в ізотопі цезію −…               …  

Еталон вольта на ефекті Джозефсона

 

Фізична суть ефекта Джозефсона

Ефект Джозефсона виникає за деяких умов в контактах двох надпровідників, розділених тонким шаром діелектрика (рис. 4.4) [32, 34]. Ефект одержав…      

Структурна схема еталона

 

На основі ефекту Джозефсона створено еталони одиниці постійної напруги – вольта в багатьох промислово розвинутих країнах. До складу перших еталонів входили кілька джозефсонівських контактів, які збуджувалися НВЧ-випромінюванням частотою 8...10 ГГц. Значення квантованої напруги становило при цьому 4...10 мВ. Оскільки за допомогою джозефсонівської напруги необхідно було калібрувати міри напруги (наприклад, нормальні елементи) з ЕРС близько 1 В, таке низьке значення відтвореної напруги змушувало включати до складу еталона масштабні перетворювачі напруги різної конструкції (подільники) для зв’язку з цими мірами. Це призводило до значної втрати точності. Однак надалі були створені інтегральні схеми (матриці), що включають до себе кілька тисяч послідовно з’єднаних контактів Джозефсона. Такі матриці дозволяють відтворювати безпосередньо напругу в 1 В и більше при частоті ~ 70 ГГц.

Стабільні результати були отримані з контактами типу SIS (надпровідник – ізолятор – надпровідник) , хоча роботи з їхнього удосконалювання продовжуються. На сьогодні вже створено матриці типу SNS (надпровідник – нормальний метал − надпровідник), а також SINIS (надпровідник – ізолятор − нормальний метал − ізолятор − надпровідник), які дозволили одержати напругу вище 10 В при надійній роботі. Технологія виготовлення таких інтегральних схем дуже складна, нею володіють лише деякі країни (особливо, це стосується 10-вольтовых матриць). Зовнішній вигляд матриці наведено на рис. 4.7.

Структуру сучасного джерела джозефсонівської напруги в 1 вольт наведено на рис. 4.8.

 

 

Рис. 4.7. Зовнішній вигляд матриці Джозефсона (РТВ), розмір 1710 мм

 

Кріозонд із матрицею контактів Джозефсона (КД) розміщується в кріогенному середовищі (рідкий гелій), яке створене в посудині Дьюара. НВЧ-генератор з частотою порядку 70 ГГц опромінює матрицю КД. Частота цього генератора синхронізується джерелом еталонної частоти за допомогою системи фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) і вимірюється електронно-лічильним частотоміром (ЕЛЧ) з переносником частоти.

 

		Рисунок 4.8 – Джерело джозефсонівської напруги

 

 

Характериограф з осцилографічним індикатором служить для реєстрації східчастої вольт-амперної характеристики джозефсонівського джерела, тобто наявності факту резонансної взаємодії й ефекту Джозефсона.

Пристрій регулювання і контролю призначено для встановлення необхідних режимів і попереднього контролю відтвореної напруги (ЕРС), а також точного визначення номера сходинки ВАХ за допомогою цифрового вольтметра.

Система комутації і компарування необхідна для мінімізації термо-ЕРС, що виникає при переході від гелієвої (4,2 К) до кімнатної (290 К) температури, а також передачі значення ЕРС, відтвореної джозефсонівським джерелом, системі зберігання розміру одиниці.

Крім джерела джозефсонівської напруги, еталон повинний містити в собі також згадану вище систему зберігання одиниці і її передачі. Ця система складається з мір ЕРС і компараторів (рис. 4.9). В Україні і Росії як міри ЕРС використовуються насичені нормальні елементи (ННЕ) (група від 10 до 20 штук у спеціальному термостаті), хоча в ряді країн останнім часом перевага віддається твердотільним мірам ЕРС на прецизійних стабілітронах (діодах Зеннера). Багато країн мають у складі своїх національних еталонів міри ЕРС обох видів.

Таким чином, у сучасному еталоні ЕРС на ефекті Джозефсона, джерело джозефсонівської напруги слід розглядати як калібратор мір – зберігачів одиниці ЕРС, що включається 1 – 2 рази на рік під час атестації еталона, а вся практична робота зі збереження і передачі розміру одиниці ведеться з мірами.

Основною вимогою до системи збереження еталона є довгострокова стабільність, а крім того – можливість транспортування для проведення взаємних звірень еталонів. Першій вимозі (при дотриманні необхідних умов зберігання) щонайкраще відповідає групова міра на ННЕ. Однак твердотільна міра (ТТМ) має безсумнівну перевагу перед ННЕ як транспортабельний еталон передавання.

 

 

	Рис. 4.9. Структурна схема системи зберігання і передачі одиниці ЕРС

 

 

Відзначимо також, що в структуру еталона входять дуже важливі додаткові пристрої і системи, що істотно впливають на його метрологічні характеристики: фільтри електричних і магнітних завад у складі кріозонда, система екранування приміщення від зовнішніх електромагнітних перешкод, системи термостатування, заземлення, гідроізоляції, високоякісного енергопостачання.

Еталон одиниці ЕРС на квантовому ефекті Джозефсона в СРСР був створений у 1980 м (ВНИИМ) одним із перших у світі. Він містив у собі джозефсонівську міру напруги на чотирьох контактах, генератор НВЧ на клістроні із частотою близько 8,6 ГГц, стабілізований за частотою вторинного еталона частоти, резистивний компаратор для звірення напруги, відтвореної джозефсонівською мірою (близько 4 мВ), з ЕРС еталонних нормальних елементів (1,018…В).

У наступні роки еталон неодноразово модернізувався й удосконалювався. На цей час і Росія, і Україна створили сучасні еталони [28], в яких втілено останні досягнення в цій галузі (рис. 4.10).

 

 

Рис. 4.10. Державний первинний еталон одиниці ЕРС

 

Так, до складу державного еталона України входять багатоелементні матриці джозефсонівских контактів на 1 і 10 В, стабілізоване джерело НВЧ випромінення в діапазоні 70 – 90 ГГц, система зберігання одиниці на основі групової міри ННЕ і ТТМ, компаратори постійної напруги, ЕОМ. Типові складові похибки відтворення одиниці напруги й оцінку їхніх значень в еталоні України наведено в табл. 4.2. (при напрузі 1 й 10 В, без урахування похибки визначення константи Джозефсона). Структурну схему державного еталона України наведено на рис. 4.11.

За своїми характеристиками еталони України знаходяться на світовому рівні.

Деякі країни створили також транспортабельний еталон на ефекті Джозефсона, що дозволяє проводити звірення еталонів різних країн. Зовнішній вигляд транспортабельного еталонна МБМВ приведено на рис. 4.12.

Таблиця 4.2

Складові похибок (невизначеності) еталона України

Складові відносної похибки (невизначеності)	Значення похибки	Стандартна невизначеність
		Тип	Значення
Похибка визначення частоти опромінювання	−	1·10-10	В	0,6·10-10
Похибка через нестабільність частоти	1·10-11	−	А	1·10-11
Похибка через нестабільність термо-ЕРС	5·10-9 (U=1 В) 5·10-10 (U=10 В)	−	А	5·10-9 (U=1 В) 5·10-10 (U=10 В)
Похибка через наявність струму витоку	−	6·10-9	В	3,5·10-9
Сумарна оцінка	5·10-9 (U=1 В) 5·10-10 (U=10 В)	7·10-9		6·10-9 (U=1 В) 3,5·10-10 (U=10 В)

 

 

Рис. 4.12. Транспортабельний еталон вольта на ефекті Джозефсона (МБМВ)

Як вторинні еталони застосовуються стаціонарні й транспортабельні установки на ефекті Джозефсона, а також еталонні групові міри ЕРС і постійної напруги на основі ННЕ і твердотільних мір на стабілітронах.

У світовій метрологічній практиці як вторинні еталони постійної напруги найбільш широке поширення одержали згадані вище твердотільні міри на прецизійних стабілітронах, що фактично витиснули нормальні елементи. Цілий ряд великих фірм (“Wavetek”, “Fluke”, “Hewlett-Packard”) випускають портативні ТТМ (рис. 4.13), що мають такі типові характеристики:

нестабільність (за рік) (1 - 3)·10^-6;

СКЗ шумової напруги (0,03 – 0,2)·10^-6;

номінальні напруги 1 і 10 В.

За шумовими характеристиками ТТМ поступаються нормальним елементам. Тому для підвищення точності вимірювань використовують спеціальні методики виконання вимірювань на основі методів математичної статистики і математичного моделювання.

 

 

Рис. 4.13. Портативна твердотільна міра напруги МН-3

 

Еталон ома на основі квантового ефекту Холла

 

Фізична суть ефекту Холла

Цей ефект був відкритий у 1980 р. німецьким вченим Клаусом фон-Клітцингом [33], названий ним “квантовим ефектом Холла” (на честь видатного фізика Е.… де – константа Клітцинга = 25812,807 Ом; = 1, 2, 3 … – ціле число (номер сходинки).

Структурна схема еталона

 

Установка для відтворення ефекту Холла містить у собі кріостат (герметизована ємність з рідким гелієм), у якому в спеціальному кріозонді знаходиться холівська структура, а також надпровідний соленоїд, що створює магнітне поле (рис. 4.16).

Важливим питанням є здійснення передачі розміру опору холівської структури реальній еталонній мірі опору , що знаходиться при нормальній температурі, як правило, в окремому термостаті. Номінальне значення опору при цьому дорівнює холівському (або ). Вимірювальна схема містить два контури з одним джерелом стабільного струму. У перший контур включено холлівську структуру, у другий – міра (див. рис. 4.16). Для порівняння і застосовується, як правило, потенціометрична схема з високочутливим нуль-індикатором. Керування, контроль і обробка інформації в сучасних еталонах здійснюються з застосуванням ЕОМ.

 

 

 

Рис. 4.16. Структурна схема установки для реалізації квантового ефекту Холла

 

 

Крім установки для відтворення квантового ефекту Холла первинний еталон одиниці електричного опору містить у собі (рис. 4.17)

 

 

 

Рис. 4.17. Структурна схема первинного еталона електричного опору

- апаратуру для зберігання одиниці електричного опору, яка складається з групи прецизійних мір електричного опору одного чи декількох номіналів і перехідних мір, що дозволяють проводити взаємні звірення мір різних номіналів;

- міст-компаратор для передачі розміру одиниці між пристроями первинного еталона і підпорядкованим еталоном;

- набір перехідних мір для передачі розміру одиниці в діапазоні від 10^-3 до 10⁹ Ом.

Типові метрологічні характеристики еталона опору на ефекті Холла (на прикладі еталона Росії):

номінальне значення відтвореного опору, Ом 12906,4035;

6453,20175;

діапазон, у якому передається розмір одиниці, Ом 1·10^-3 – 1·10⁹;

НСП відтворення (=0,99) 4,5·10^-8;

СКВ випадкової похибки 2,5·10^-8.

Загальний вигляд апаратури первинного еталона наведено на рис. 4.18.

 

 

Рис. 4.18. Державний первинний еталон одиниці електричного опору (ВНИИМ)

 

Розглянемо більш докладно апаратуру зберігання розміру ома. Прецизійні міри електричного опору являють собою спеціальні котушки, в яких прийнято ряд конструктивних і технологічних заходів для забезпечення високої стабільності зберігання розміру одиниці опору.

На рис. 4.19 наведено конструкцію типового еталонного резистора. Дротовий резистор зазвичай виконується зі сплаву типу манганін (Ni – 4 %, Cu – 84 %, Mn – 12 %), який має питомий опір 46·10^-6 Ом/см, низький тепловий коефіцієнт опору (ТКО) ± 15·10^-6 1/⁰ С і термо-ЕРС з міддю не більше 1 мкВ/⁰ С. Для великих значень опору іноді використовується сплав Evanohm (Ni – 74,5 %, Cr – 20 %, решта Al, Fe або Cu). Він має питомий опір 133·10^-6 Ом/см, ТКО ± 20·10^-6 1/⁰ С і термо-ЕРС з міддю не більше 2 мкВ/⁰ С.

 

 

 

Рис. 4.19. Конструкція типового еталонного резистора

 

Котушка опору може бути занурена в масло для температурної стабілізації. Вона поміщується в запаяний, захищений від вологи контейнер.

Для зниження похибок через контактні опори в клемах використовуються четириполосні конструкції, в яких струм тече поміж двома зовнішніми клемами, а напруга вимірюється (фіксується) між двома внутрішніми клемами.

 

Про можливості атестації мір опору за допомогою еталонної ємності

Оскільки створення еталона на квантовому ефекті Холла – задача достатньо складне, існує можливість калібровки (атестації) мір електричного опору за… Для цього необхідно мати вимірювальну апаратуру, за допомогою якої можна було… ,

Еталон одиниці магнітної індукції на ефекті ядерного магнітного резонансу

, де – магнітна проникність вакууму; – атомна стала – відношення магнітного… Якщо частота прецесії збігається з частотою зовнішнього електромагнітного поля, має місце явище ядерного магнітного…

Таблиця 4.3

Метрологічні характеристики комплексного еталона одиниць магнітних

Величин Росії

Розмір одиниці магнітної індукції, відтворений даним еталоном, погоджується з одиницями, відтвореними іншими еталонами, через гіромагнітне…

Еталон ампера на основі квантових ефектів

Розглянемо створений у такий спосіб еталон Росії. Еталон складається з 2-х комплексів засобів вимірювання, один з яких включає апаратуру для… Комплекс для відтворення сили струму (рис. 4.24,а) складається з міри напруги…  

Висновок

Методологія використання квантових ефектів у метрології продовжує активно розвиватися. Удосконалюється також техніка й технологія побудови… Одним із напрямків подальшого вдосконалення є підвищення точності визначення… Іншим важливим напрямком є дослідження в галузі технологій виготовлення надпровідних структур, за допомогою яких…

Контрольні питання

1. Назвіть найбільш поширені похідні величини, які використовуються в електриці, і їх одиниці. 2. Які квантові ефекти знайшли використання для створення первинних еталонів… 3. Які еталони складають основу системи еталонів в галузі електрорадіовимірювань?