基于约瑟夫森效应的交流量子电压合成技术研究
发布时间：2021-11-07 07:29
科技和军工的发展对计量领域的电压基准提出了更高的要求。传统交流电压标准采用热电转换器实现电压的溯源和精密测量,作为一种实物基准,其性能易受到外界影响而出现漂移。而近年,以约瑟夫森效应为基础的量子电压基准因其稳定性优、可复现性强等优点迅速成为各国计量机构研究的热点。我国已于上世纪90年代成功建立了1 V和10 V直流量子电压基准,其不确定度达到当时国际先进水平,但在交流量子电压的合成方面仍处于探索阶段。本文依托中国计量科学研究院实验平台开展了对交流量子电压合成技术的研究,主要研究内容如下:1、简要介绍了约瑟夫森效应及量子电压的产生和发展,阐述了量子电压基准对于传统实物电压基准的优势及发展前景。详述了传统约瑟夫森电压基准、可编程约瑟夫森电压基准和脉冲驱动的交流约瑟夫森电压基准的原理,并对这三种电压基准的优缺点进行了比较和分析,为后续交流量子电压的合成提供了理论基础。2、评估基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统的温度稳定性,测试临界电流值随温度的变化趋势以及工作裕度与微波功率、温度之间的关系,找到系统工作的最佳运行参数:温度为9.9K,微波功率为6dBm。研究了约瑟夫森结阵在基于液氦制冷技...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脉冲驱动的量子电压信号合成过程
第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统15第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统可编程芯片在液氦作为冷源的系统中运行已趋于成熟，液氦的温度在4.2K左右，温度稳定性较好，但世界各地液氦(LHe)的稀缺为量子电压合成系统的无制冷剂操作提供了强大的动力[37]。制冷机的使用对于实现PJVS系统的完全自动化至关重要，因为基于液氦的操作系统需要经常进行人为干预以实现设备在室温和4.2K工作温度之间的热循环[14]。这种自动化系统将使初级电压基准被更广泛地使用，因为它们不需要经过液氦系统操作训练的专业实验人员，本章对小型制冷机系统结构进行系统性的介绍，旨在积极探索约瑟夫森结阵在以制冷机为冷源的系统中运行的可行性。3.1系统整体结构小型制冷机系统是以GM制冷机为低温冷源，结合低温恒温容器和精密测量系统，构建的一个PJVS合成系统。主要包括两大部分：约瑟夫森恒温实验系统和温度测量与控制系统。其中约瑟夫森恒温器实验系统包括低温冷源(GM制冷机)、风冷式水冷机、氦压缩机、真空系统及引线，温度测量与控制系统包括可控低温测温仪、高精度万用表、程控恒流源、微波源及计算机。系统的总体结构图如图3.1所示。目前，主要实现了三个功能：温度的测量、温度的控制以及约瑟夫森结阵I-V数值的读龋图3.1制冷机低温恒温系统总体结构图3.2约瑟夫森结阵芯片本系统采用日本AIST制作的1VSNS型可编程约瑟夫森结阵芯片，如图3.2
第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统15第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统可编程芯片在液氦作为冷源的系统中运行已趋于成熟，液氦的温度在4.2K左右，温度稳定性较好，但世界各地液氦(LHe)的稀缺为量子电压合成系统的无制冷剂操作提供了强大的动力[37]。制冷机的使用对于实现PJVS系统的完全自动化至关重要，因为基于液氦的操作系统需要经常进行人为干预以实现设备在室温和4.2K工作温度之间的热循环[14]。这种自动化系统将使初级电压基准被更广泛地使用，因为它们不需要经过液氦系统操作训练的专业实验人员，本章对小型制冷机系统结构进行系统性的介绍，旨在积极探索约瑟夫森结阵在以制冷机为冷源的系统中运行的可行性。3.1系统整体结构小型制冷机系统是以GM制冷机为低温冷源，结合低温恒温容器和精密测量系统，构建的一个PJVS合成系统。主要包括两大部分：约瑟夫森恒温实验系统和温度测量与控制系统。其中约瑟夫森恒温器实验系统包括低温冷源(GM制冷机)、风冷式水冷机、氦压缩机、真空系统及引线，温度测量与控制系统包括可控低温测温仪、高精度万用表、程控恒流源、微波源及计算机。系统的总体结构图如图3.1所示。目前，主要实现了三个功能：温度的测量、温度的控制以及约瑟夫森结阵I-V数值的读龋图3.1制冷机低温恒温系统总体结构图3.2约瑟夫森结阵芯片本系统采用日本AIST制作的1VSNS型可编程约瑟夫森结阵芯片，如图3.2
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于约瑟夫森量子电压的交流功率测量系统及方法研究[J]. 贾正森,王磊,徐熙彤,周天地,潘仙林,石照民,张江涛. 计量学报. 2020(04)
[2]电流单位安培的重新定义[J]. 计量与测试技术. 2020(01)
[3]基于高阶Sigma-Delta调制器的PDα相位补偿器设计[J]. 徐驰,金予,俞度立. 自动化与仪器仪表. 2019(09)
[4]Development of 0.5-V Josephson junction array devices for quantum voltage standards[J]. 王兰若,李劲劲,曹文会,钟源,张钟华. Chinese Physics B. 2019(06)
[5]液氦贮存容器中热声振荡发生条件及抑制措施[J]. 蒋文兵,黄永华,耑锐,张亮. 真空与低温. 2018(03)
[6]量子电压的发展及应用[J]. 朱珠,康焱,王路,胡毅飞. 宇航计测技术. 2018(01)
[7]真正改写教科书:安培、千克、开尔文和摩尔4个基本单位将被重新定义[J]. Elizabeth Gibney. 中国计量. 2018(01)
[8]交流量子电压标准研究综述[J]. 周琨荔,屈继峰,张钟华,赵伟. 计量学报. 2017(04)
[9]一种基于Σ-Δ的信号调制系统设计[J]. 许琬琰. 现代电子技术. 2015(09)
[10]基于FPGA和AD768的精密程控直流信号源设计[J]. 刘建梁,沈三民,关咏梅,刘文怡. 计算机测量与控制. 2015(03)
硕士论文
[1]基于FPGA的高精度相位可控DDS的设计与实现[D]. 王晋伟.中北大学 2016
[2]约瑟夫森结（阵）测试系统研究[D]. 翟昌伟.青岛大学 2014
[3]SNS约瑟夫森结的制备及其特性研究[D]. 郭小玮.青岛大学 2013
本文编号：3481434
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脉冲驱动的量子电压信号合成过程
第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统15第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统可编程芯片在液氦作为冷源的系统中运行已趋于成熟，液氦的温度在4.2K左右，温度稳定性较好，但世界各地液氦(LHe)的稀缺为量子电压合成系统的无制冷剂操作提供了强大的动力[37]。制冷机的使用对于实现PJVS系统的完全自动化至关重要，因为基于液氦的操作系统需要经常进行人为干预以实现设备在室温和4.2K工作温度之间的热循环[14]。这种自动化系统将使初级电压基准被更广泛地使用，因为它们不需要经过液氦系统操作训练的专业实验人员，本章对小型制冷机系统结构进行系统性的介绍，旨在积极探索约瑟夫森结阵在以制冷机为冷源的系统中运行的可行性。3.1系统整体结构小型制冷机系统是以GM制冷机为低温冷源，结合低温恒温容器和精密测量系统，构建的一个PJVS合成系统。主要包括两大部分：约瑟夫森恒温实验系统和温度测量与控制系统。其中约瑟夫森恒温器实验系统包括低温冷源(GM制冷机)、风冷式水冷机、氦压缩机、真空系统及引线，温度测量与控制系统包括可控低温测温仪、高精度万用表、程控恒流源、微波源及计算机。系统的总体结构图如图3.1所示。目前，主要实现了三个功能：温度的测量、温度的控制以及约瑟夫森结阵I-V数值的读龋图3.1制冷机低温恒温系统总体结构图3.2约瑟夫森结阵芯片本系统采用日本AIST制作的1VSNS型可编程约瑟夫森结阵芯片，如图3.2
第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统15第三章基于小型制冷机的可编程量子电压合成系统可编程芯片在液氦作为冷源的系统中运行已趋于成熟，液氦的温度在4.2K左右，温度稳定性较好，但世界各地液氦(LHe)的稀缺为量子电压合成系统的无制冷剂操作提供了强大的动力[37]。制冷机的使用对于实现PJVS系统的完全自动化至关重要，因为基于液氦的操作系统需要经常进行人为干预以实现设备在室温和4.2K工作温度之间的热循环[14]。这种自动化系统将使初级电压基准被更广泛地使用，因为它们不需要经过液氦系统操作训练的专业实验人员，本章对小型制冷机系统结构进行系统性的介绍，旨在积极探索约瑟夫森结阵在以制冷机为冷源的系统中运行的可行性。3.1系统整体结构小型制冷机系统是以GM制冷机为低温冷源，结合低温恒温容器和精密测量系统，构建的一个PJVS合成系统。主要包括两大部分：约瑟夫森恒温实验系统和温度测量与控制系统。其中约瑟夫森恒温器实验系统包括低温冷源(GM制冷机)、风冷式水冷机、氦压缩机、真空系统及引线，温度测量与控制系统包括可控低温测温仪、高精度万用表、程控恒流源、微波源及计算机。系统的总体结构图如图3.1所示。目前，主要实现了三个功能：温度的测量、温度的控制以及约瑟夫森结阵I-V数值的读龋图3.1制冷机低温恒温系统总体结构图3.2约瑟夫森结阵芯片本系统采用日本AIST制作的1VSNS型可编程约瑟夫森结阵芯片，如图3.2
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于约瑟夫森量子电压的交流功率测量系统及方法研究[J]. 贾正森,王磊,徐熙彤,周天地,潘仙林,石照民,张江涛. 计量学报. 2020(04)
[2]电流单位安培的重新定义[J]. 计量与测试技术. 2020(01)
[3]基于高阶Sigma-Delta调制器的PDα相位补偿器设计[J]. 徐驰,金予,俞度立. 自动化与仪器仪表. 2019(09)
[4]Development of 0.5-V Josephson junction array devices for quantum voltage standards[J]. 王兰若,李劲劲,曹文会,钟源,张钟华. Chinese Physics B. 2019(06)
[5]液氦贮存容器中热声振荡发生条件及抑制措施[J]. 蒋文兵,黄永华,耑锐,张亮. 真空与低温. 2018(03)
[6]量子电压的发展及应用[J]. 朱珠,康焱,王路,胡毅飞. 宇航计测技术. 2018(01)
[7]真正改写教科书:安培、千克、开尔文和摩尔4个基本单位将被重新定义[J]. Elizabeth Gibney. 中国计量. 2018(01)
[8]交流量子电压标准研究综述[J]. 周琨荔,屈继峰,张钟华,赵伟. 计量学报. 2017(04)
[9]一种基于Σ-Δ的信号调制系统设计[J]. 许琬琰. 现代电子技术. 2015(09)
[10]基于FPGA和AD768的精密程控直流信号源设计[J]. 刘建梁,沈三民,关咏梅,刘文怡. 计算机测量与控制. 2015(03)
硕士论文
[1]基于FPGA的高精度相位可控DDS的设计与实现[D]. 王晋伟.中北大学 2016
[2]约瑟夫森结（阵）测试系统研究[D]. 翟昌伟.青岛大学 2014
[3]SNS约瑟夫森结的制备及其特性研究[D]. 郭小玮.青岛大学 2013
本文编号：3481434
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