Джозефсонның кернеу стандарты - Josephson voltage standard - Wikipedia

A Джозефсонның кернеу стандарты 4 К температурасында жұмыс жасайтын асқын өткізгіш интегралды микросхеманың микросхемасын тек қолданылатын жиілік пен фундаментальды тұрақтылыққа тәуелді тұрақты кернеулерді құру үшін қолданатын күрделі жүйе. Бұл кез-келген физикалық артефактқа тәуелді емес деген мағынада ішкі стандарт. Бұл кернеуді өндірудің немесе өлшеудің ең дәл әдісі және 1990 жылы халықаралық келісім бойынша бүкіл әлем бойынша кернеу стандарттарының негізі болып табылады.

Джозефсонның әсері

1962 жылы, Брайан Джозефсон, Кембридж университетінің магистранты, екі бөлетін жіңішке оқшаулағыш тосқауылдан тұратын түйіскен жердегі ток пен кернеудің теңдеулерін шығарды асқын өткізгіштер - қазір жалпы а Джозефсон торабы.^[1] Оның теңдеулері егер түйісу жиілігі бойынша қозғалса деп болжады ${ displaystyle f}$, содан кейін оның ток-кернеуі (I-V) қисығы тұрақты кернеудің мәндерін дамытады ${ displaystyle nhf / 2e}$ , қайда ${ displaystyle n}$ бүтін сан болып табылады ${ displaystyle h / e}$ - бұл Планк тұрақтысының қатынасы ${ displaystyle h}$ қарапайым зарядқа дейін ${ displaystyle e}$. Бұл болжамды Шапиро эксперименталды түрде тексерді^[2] 1963 жылы және ол (кері) AC Джозефсонның әсері ретінде белгілі болды. Бұл әсер тез арада қолдануды тапты метрология өйткені ол вольтты екіншісіне пропорционалдылық арқылы тек іргелі тұрақтылармен байланыстырады. Бастапқыда бұл қатынастың жақсарған мәніне әкелді ${ displaystyle h / e}$. Бүгінгі күні бұл барлық бастауыштардың негізі кернеу стандарттары. Джозефсондікі теңдеу Өткізгіштік туннель түйіні арқылы супер ағыс үшін беріледі

${ displaystyle I = I _ { text {c}} sin { Bigl (} {4 pi e over h} int Vdt { Bigr)}}$

қайда ${ displaystyle I}$ қосылыс тогы, ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ бұл сыни ток, ${ displaystyle V}$ қосылыс кернеуі. ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ қосылыс геометриясының, температураның және магниттік қалқандар ішіндегі кез-келген қалдық магнит өрісінің функциясы болып табылады, олар кернеудің стандартты құрылғыларында қолданылады. Қосылымға тұрақты кернеу берілген кезде, теңдеу (1) токтың жиілікте тербелетінін көрсетеді ${ displaystyle f _ { text {J}} = 2eV / h}$, қайда ${ displaystyle 2e / h}$ шамамен 484 ГГц / мВ тең. Бұл тербелістің өте жоғары жиілігі мен төмен деңгейі тікелей байқауды қиындатады. Алайда, егер жиіліктегі айнымалы ток ${ displaystyle f}$ қосылысқа, қосылыс тербелісіне қолданылады ${ displaystyle f _ { text {J}}}$ қолданылатын жиіліктегі фазалық құлыпқа ұмтылады. Бұл фазалық құлыпта түйіскендегі орташа кернеу тең болады ${ displaystyle hf / 2e}$. Бұл (кері) айнымалы ток деп аталатын әсер Джозефсонның әсері, тұрақты кернеу қадамы ретінде байқалады ${ displaystyle V = hf / 2e}$ түйісудің кернеу-ток (I-V) қисығында. Сондай-ақ, қосылыстың гармоникаға фазалық құлыптануы мүмкін ${ displaystyle f}$. Бұл кернеу кезіндегі бірқатар қадамдарға әкеледі ${ displaystyle V = nhf / 2e}$, қайда ${ displaystyle n}$ 1а суретте көрсетілгендей бүтін сан болып табылады.

1-сурет (а) төмен сыйымдылықты және (б) жоғары сыйымдылықты қосылыс үшін микротолқынды сәулеленумен қозғалатын түйісудің I-V қисығындағы тұрақты кернеу қадамдары.

The Джозефсонның әсері бастапқыда тұрақты шаманы өлшеуді жақсарту үшін қолданылған ${ displaystyle 2e / h}$ сәйкесінше SI вольтты іске асырудан алынған кернеу мәндеріне негізделген Вестон жасушалары. Бұл өлшемдердің белгісіздігі SI вольтты іске асырудың белгісіздігімен және Вестон жасушаларының тұрақтылығымен шектелді.^[3][4] Джозефсон вольтының тұрақтылығы тек тұрақтылығына байланысты ${ displaystyle f}$ (бұл 10-да оңай болуы мүмкін)¹²), және Вестон жасушаларының тұрақтылығынан шамасы кемінде төрт рет артық. Осылайша, 1970 жылдардың басында көптеген ұлттық стандарттар зертханалары Джозефсон константасы үшін мән қабылдады ${ displaystyle K _ { text {J}} = 2e / h}$ және кернеудің практикалық стандарты ретінде (кері) айнымалы ток Джозефсон әсерін қолдана бастады.^[5][6] Қолданыстағы ұлттық стандарттардың шамалы айырмашылықтарының арқасында әр түрлі құндылықтар ${ displaystyle K _ { text {J}}}$ әртүрлі елдер қабылдаған. Бұл сәйкессіздік 1990 жылы халықаралық келісім бойынша тұрақты болған кезде түзетілді ${ displaystyle K _ { text {J-90}}}$ 483597,9 ГГц / В мәніне ие болды және барлық стандарттар зертханаларында қабылданды.^[7] Берілген мән көптеген ұлттық өлшеу мекемелерінде 1990 жылға дейін жүргізілген вольтты өлшеудің орташа алынған өлшемдеріне негізделген. Белгісіздік ${ displaystyle K _ { text {J-90}}}$ 0,4 промилл. Джозефсон вольты сияқты физикалық артефактілерден гөрі негізгі тұрақтыларға тәуелді стандарттар ішкі стандарттар ретінде белгілі. Джозефсонның кернеу стандарты (JVS) вольттың SI анықтамасын түсінбесе де, ол Вестон жасушалары сияқты артефактілерді тасымалдау қажеттілігінсіз кез келген жерде ойнатылатын өте тұрақты анықтамалық кернеуді ұсынады. Джозефсонның кернеу мен жиілік қатынасының дәлдігі ${ displaystyle V = nf / K _ { text {J}}}$және оның эксперименттік жағдайлардан тәуелділігі, мысалы, электр тогы, температура және түйісу материалдары, көптеген сынақтардан өтті.^{[8][9][10][11][12][13][14][15][16]} Бұл қатынастан айтарлықтай ауытқу ешқашан табылған жоқ. Осы эксперименттердің ең дәлінде екі Джозефсон құрылғысы бірдей жиілік көзі арқылы қозғалады, бір сатыда қисайып, кіші индуктор бойымен қарама-қарсы тізбекте жалғанады. Бұл контур толығымен өткізгіш болғандықтан, кез-келген кернеу айырмашылығы индуктордағы магнит өрісінің өзгеруіне әкеледі. Бұл өріс SQUID магнитометрімен анықталған және оның тұрақтылығы кернеу айырмашылығының жоғарғы шегін 10-да 3 бөліктен аспайды¹⁹.^[17][18] 2-сурет - бұл ұлттық өлшеу институттары (NMI) арасындағы тұрақты кернеуді өлшеудегі типтік айырмашылықтардың соңғы 70 жыл ішінде қаншалықты төмендегенін бейнелейтін семилог сюжеті.^{[19][20][21][22][23][24][25]} Екі үлкен жетілдіру 1970-ші жылдардың басында бір қосылғыш Джозефсон стандарттарының енгізілуімен және 1984 жылдан басталатын сериялы-массивтік Джозефсон стандарттарының енгізілуімен сәйкес келеді.

Джозефсонның алғашқы стандарттары

Айнымалы ток Джозефсонның әсері Вестон жасушаларына қарағанда әлдеқайда тұрақты кернеу анықтамасын қамтамасыз етсе де, бірінші қосылғыш Джозефсон стандарттары^{[26][27][28][29][30][31][32]}пайдалану өте қиын болды, өйткені олар өте аз кернеу тудырды (1-10 мВ). Екі немесе одан да көп өткелдерді тізбектей қосу арқылы кернеуді көтеруге бірнеше рет әрекет жасалды. Олардың ішіндегі ең өршілдері^[33]10-да бірнеше бөлшектердің белгісіздігімен 100 мВ кернеуді іске асыру үшін тізбектелген 20 түйіспелерді пайдаланды⁹. Әрбір өткелдің кернеудің тұрақты қадамында болуын қамтамасыз ету 20 ауысудың әрқайсысына бейімділік тогын жеке-жеке реттеуді қажет етеді. Бұл процедураның қиындығы 20-дан астам түйіспелі массивтерді практикалық емес етеді.

2-сурет. 1930-2000 жылдар аралығында стандартты зертханалар арасындағы тұрақты кернеуді өлшеудегі келісімнің шамамен деңгейі.

1977 жылы Левинсон және басқалар.^[34]сайып келгенде көпжақтылық мәселесін шешуге әкелетін ұсыныс жасады. Левинсон параметрдің маңыздылығын көрсетті ${ displaystyle beta _ { text {c}} = 4 pi eI _ { text {c}} R ^ {2} C / h}$ Джозефсон қадамдарының сипаттамаларын анықтау кезінде. ${ displaystyle beta _ { text {c}}}$ - бұл Джозефсонның тербелістерінің түйіскен маневрлік кедергісінің бәсеңдеуінің өлшемі ${ displaystyle R}$. Атап айтқанда, ол сыйымдылығы үлкен түйіспелер екенін көрсетті ${ displaystyle C}$ және үлкен ${ displaystyle R}$ (${ displaystyle beta _ { text {c}}> 100}$) суретте көрсетілгендей, тұрақты кернеудің гистеретикалық қадамдары бар I-V қисығын жасай алады. Бұл қадамдар I-V қисығының нөлдік ток осін кесіп өтетін болғандықтан нөлдік айқасу қадамдары ретінде белгілі болды. Алғашқы бірнеше қадамдар арасында тұрақты аймақтардың болмауы тұрақты тұрақты емес токтар үшін қосылыс кернеуі сандық түрде есептелуі керек дегенді білдіреді. Жалпы нөлге тең немесе нөлге жақын ток күшімен осы түйіспелердің үлкен массивіндегі кернеу де сандық түрде есептелуі керек. Өткелдің кең ауқымында және жұмыс параметрлерінде нөлдік токта тұрақты кернеу қадамдарын алу мүмкіндігі үлкен түйіспелер массивтерін қолдану арқылы кернеу стандартын құру мүмкіндігін ұсынды.

Бірнеше алдын-ала тәжірибелерден кейін,^[35][36][37]1984 жылы АҚШ-тағы Ұлттық Стандарттар Бюросы мен Германиядағы Физикалиш-Технический Бундес-Анстальт арасындағы бірлескен күш түйісудің тұрақтылығы мен микротолқынды таралуы мәселелерін шешіп, Левинсон идеясына негізделген алғашқы үлкен Джозефсон массивін құрды.^[38] Жобаны әрі қарай жетілдіру және жүйені дамыту 1985 жылы 1 В Джозефсонның алғашқы практикалық стандарттарын шығарды.^[39][40]Джозефсонның қосылғыш компьютерін іздеуге негізделген суперөткізгіш интегралды микросхема технологиясының жетістіктері,^[41]көп ұзамай үлкен массивтерді құруға мүмкіндік берді. 1987 жылы дизайн 14484 түйіспелі чипке дейін кеңейтілді 150000 бастап диапазонды қамтитын квантталған кернеулер −10 V дейін +10 V.^[42]Көптеген ұлттық нақтыланған зертханаларда Джозефсонның 10 В стандарттары енгізілгендіктен көптеген нақтыланулар жасалды.^{[43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53][54][55]}1989 жылға қарай кернеудің метрология жүйесінің толық жабдықтары мен бағдарламалық жасақтамасы коммерциялық қол жетімді болды. Бүгінгі таңда әлем бойынша 70-тен астам ұлттық, өндірістік және әскери стандарттар зертханаларында Джозефсон массивінің кернеу стандарттары бар. International des Poids et Mesures бюросы (BIPM) жүргізген халықаралық салыстырулар бағдарламасы саяхаттайтын Джозефсон стандарты мен 10-да 1-ден аз болатын NMI стандарттары арасындағы айырмашылықтарды өлшеді.⁹.^[56][57]

Қиылыстың дизайны

Сурет 3. Әдетте тұрақты кернеу стандарттарында қолданылатын асқын өткізгіш - оқшаулағыш - суперөткізгіш Джозефсон қосылысының құрылымы.

3-сурет үлкен сериялы массивтегі бір түйіннің негізгі құрылымын бейнелейді. Тоғысу - бұл жұқа оксидтік тосқауылмен бөлінген екі өткізгіш жұқа пленка арасындағы қабаттасу. Қосылыс жер үсті жазықтығының үстінде орналасқан және одан бірнеше микрометр оқшаулағышпен бөлінген. Тұрақты ток ${ displaystyle I _ { text {dc}}}$ және микротолқынды ток ${ displaystyle I _ { text {ac}}}$ түйісу арқылы өткізіледі. Қиылыстың жобалық параметрлері - оның ұзындығы ${ displaystyle L}$, ені ${ displaystyle W}$, ток тығыздығы ${ displaystyle J}$ (аудан бірлігіндегі сыни ток), және микротолқынды жетектің жиілігі ${ displaystyle f}$. Массивтік кернеу стандартын практикалық іске асыру үшін бұл параметрлер 1б суретте көрсетілген кернеудің квантталған деңгейлерінің тұрақтылығына қалай әсер ететіндігін мұқият түсіну қажет. Тұрақты жұмыс төрт шарттың орындалуын талап етеді:

1. ${ displaystyle L}$ микротолқынды магнит өрісінің түйісу аймағы арқылы келтірілген ағын ағынның квантына қарағанда әлдеқайда аз болатындай болуы керек. ${ displaystyle h / 2e}$
2. Екеуі де ${ displaystyle W}$ және ${ displaystyle L}$ түйісудің ең төменгі резонанстық қуысының режимі үлкен болатындай кішкентай болуы керек ${ displaystyle f}$
3. Хаотикалық мінез-құлықты болдырмау үшін түйісудің плазмалық жиілігі ${ displaystyle f _ { text {p}}}$, бұл пропорционалды ${ displaystyle { sqrt {J}}}$, шамамен үштен бірінен аз болуы керек ${ displaystyle f}$.
4. Қиылыстың критикалық тогы ${ displaystyle I _ { text {c}} = WLJ}$ шу тудыратын кванттық қадамдардың өтуін болдырмас үшін мүмкіндігінше үлкен болуы керек.

Егер осы шарттардың кез-келгені бұзылса, онда қосылыс кернеуі бірнеше қадамдар арасында кездейсоқ ауысып, өлшеуді мүмкін етпейді. Осы шарттарды қатаң түрде шығару Кауцтың бірнеше мақаласында айтылады.^[58][59]

4. Функция ретінде тұрақты кернеу жұмысы аймағын үш өлшемді визуализация ${ displaystyle L}$, ${ displaystyle W}$, және ${ displaystyle J}$.

4-суретте. Көлемді кеңістіктегі тұрақты мінез-құлық аймағы көрсетілген ${ displaystyle L}$, ${ displaystyle W}$, және ${ displaystyle J}$. 4-суреттегі көлеңкеленген көлеммен көрсетілген тұрақты жұмыс шегі ұлғаяды ${ displaystyle f}$ және, сайып келгенде, тұрақтылық пен өте жоғары жиілікті микротолқынды көзді қамтамасыз ету экономикасы арасындағы айырбас арқылы белгіленеді. 24 ГГц-ден төмен жиіліктерде тұрақты массивтер көрсетілсе де,^[60][61]көптеген практикалық стандарттар 70–96 ГГц аралығында жұмыс істейді. 1-кестеде жиі қолданылатын дизайн үшін типтік жиынтық параметрлерінің тізімі келтірілген.

Массив дизайны

1b-суретте көрсетілген I-V қисығы шамамен дейінгі аралықты қамтитын қадамдарды көрсетеді −1 мВ дейін +1 мВ және микротолқынды токтың оңтайлы деңгейімен қозғалатын түйісуге арналған. Төменгі микротолқынды токта қадамдар кернеудің кішірек диапазонын жабады, ал жоғары толқынды токта қадамдар кішірейіп, нөлдік ток осінен жылжи бастайды. Үлкен массивте әр түйісу үлкен өтудің нөлдік қадамын жасауы керек, сондықтан микротолқынды қуатты ең үлкен микротолқынды жетекті қабылдайтын бір түйіспені орналастыру үшін төмен мәнге келтіру керек. Осылайша, түйіспелердің ең аз санынан ең үлкен кернеу алу үшін массив стандарты барлық тізбектей жалғанған көптеген мыңдаған түйіндерге біркелкі микротолқын қуатын жеткізе алатын схема дизайнын қажет етеді. Бұл есептің шешімі 3-суретті 5а-суретте көрсетілгендей жердегі жазықтықтың үстіндегі сызықтағы түйіспелер қатарына қарапайым кеңейту болып табылады. Бұл микротолқынды қуатты салыстырмалы түрде аз шығынмен тарата алатын микротолқынды жолақ пайда болады, түйіспелердің өткізгіштік кедергісі жолақ сызығының кедергісіне (шамамен 3 Ω) қатысты шамалы (шамамен 3 Ω), сондықтан әр түйісу өте аз әсер етеді. жолақ сызығында микротолқынды қуаттың таралуы туралы. Әдетте, әр түйісу ол арқылы таралатын қуаттың шамамен 0,02% -дан 0,04% -ке дейін сіңіреді. Осылайша бірнеше мың түйіндерді тізбектей жалғауға болады және шамамен ± 1,5 дБ қуат біртектілігіне қол жеткізуге болады. Мұқият дизайнмен 4800 түйіспелі сызықтар қолданылды.^[62]

5-сурет. (А) Джозефсонның айрықша тізбегін және б) әдеттегі Джозефсон кернеуінің стандартты интегралды микросхемасының тізбегін құру үшін ұйымдастырылған түйіндерінің тізбегі.

Себебі 10 В. Джозефсон стандарттары шамамен талап етеді 20000 түйіндер, 5б-суретте көрсетілгенге ұқсас тізбекті / параллель тізбекті қабылдау қажет.^[39] Мұнда төмен және жоғары өткізгіштік сүзгілердің желісі микротолқынды қуатты төрт параллель жолға бөлуге мүмкіндік береді, бұл кезде барлық түйіндер тізбектей қосылатын тұрақты ток жолын сақтайды.

6-сурет. А 20208-junction, 10 В Джозефсон массивінің стандартты чипі.

Жиымның типтік интегралды схемасы 20208 қосылыстар 6-суретте көрсетілген. Микротолқынды пештің қуаты а толқын жүргізушісі а ақырғы антенна, 16 жолды бөліп, әрқайсысы 1263 түйіспеден тұратын 16 жолақ жолағына енгізілді. Қиылысқан жолақ сызықтары шамадан тыс өткізгіштік жазықтықтан шамамен 2 микрометр SiO бөлінеді₂ диэлектрик. Бөлінетін желідегі симметрия әрбір ішкі массивке бірдей қуаттың жеткізілуін қамтамасыз етеді. Толқындардың пайда болуына әкелетін және ішкі жиіліктегі қуатты біркелкі емес үлестіруге әкелетін шағылыстардан аулақ болу үшін бірнеше сақтық шаралары қажет: (1) Әрбір жолақ резистивтік жолақ сызығының бірнеше толқын ұзындығынан тұратын сәйкес келетін жүктеме арқылы тоқтатылады. Дискретті резистордан гөрі резистивтік стриплинді қолдану өндіріс параметрлерінің кең диапазонында жақындасуға кепілдік береді. (2) Төмен және жоғары өткізгішті сүзгілердегі конденсаторлардың өлшемдері жетек жиілігіне жақын резонанстарды болдырмау үшін таңдалады. (3) Микротолқынды иілу радиусының минималды мәні жолақ енінен үш есе үлкен. Өткір иілулер қолайсыз шағылыстыруға әкеледі. Массив жолақтарын бір-біріне жақындастыра отырып, иілу қажеттілігін қанағаттандыру үшін 215 ° бұрылып, содан кейін 45 ° кері бұралатын «бұйра» иілістер қолданылады. (4) Сызық бойындағы түйісу аралығы көрші түйіспелер арасында резонанс туғызбау үшін жеткілікті жақын болуы керек.^[63] Микротолқын қуаты микросхеманың ақырлы ұшын WR-12 толқын өткізгішіндегі E өрісіне параллель орналасқан ойыққа енгізу арқылы қолданылады. Тұрақты токтың шығысы чиптің шетіндегі асқын өткізгіш алаңдарда пайда болады.

Өндіріс

Кернеудің стандартты чиптері әдетте кремний немесе шыны негізде жасалады. Интегралды микросхеманың сегіз деңгейі бар: (1) жер бетіндегі қалыңдығы 300 нм, (2) SiO 2 мкм қабаты.₂ микростриплиндік диэлектрикті құрайтын, (3) Джозефсон қосылыстарының төменгі электродын құрайтын 200 нм Nb пленка, (4) Джозефсонның туннельдік тосқауылын құрайтын 3 нм металл оксиді қабаты, (5) 100 нм Nb түйісетін қарсы электрод (6) 300 нм SiO₂ қарсы электродпен байланысуға арналған терезелері бар пленка, (7) қарсы электродтарды біріктіретін 400 нм Nb пленкасы және (8) жолақтық ұштықтарды құрайтын 100 нм резистивті пленка.

Өлшеу жүйелері

Джозефсонның қазіргі заманғы кернеу стандартты жүйесінің блок-схемасы 7-суретте көрсетілген. Джозефсон массивінің микросхемасы криопробтың соңында өткізгіштігі жоғары магниттік қалқанның ішіне орнатылған, ол сұйық гелий Девар мен бөлме температурасындағы ортаға ауысады. . Кейбір жүйелер чипті салқындату және сұйық гелий қажеттілігін болдырмау үшін криокулерді қолданады. Массивке үш жұп мыс сымдары қосылған. Бір жұп бейімділік тогын береді, екіншісі осциллографтың көмегімен массивтің кернеуін бақылайды, ал үшінші жұп массивтің кернеуін калибрлеу жүйесіне жеткізеді. Барлық сымдар Dewar-дің жоғарғы жағындағы қораптағы RFI сүзуінің бірнеше деңгейлерінен өтеді. Қорап, сүзгілер және Dewar өзі Джозефсон массивін қадамдық ауысулар тудыруы мүмкін электромагниттік кедергілерден қорғайтын қалқан құрайды. Микротолқын қуаты диаметрі 12 мм болатын түтікшеден тұратын толқын өткізгіш арқылы жеткізіледі, оның ұштарында WR-12 ұшыру мүйіздері бар. Қатты түтіктер Неміс күмісі немесе күміс немесе алтынмен қапталған тот баспайтын болат әдетте қолданылады. Бұл толқын өткізгіш бір уақытта төмен жылу шығынын (тәулігіне <0,5 л сұйықтық Ол) және қысқа толқынды жоғалтуды (75 ГГц-де 0,7 дБ дейін) алады.

7 сурет. Кернеудің стандартты жүйесінің блок-схемасы.

75 ГГц-ге жақын жиілікте жұмыс істейтін фазалық бұғаттаулы осциллятор (PLO) микротолқынды қуатты чипке береді. 75 ГГц көзіне қойылатын негізгі талаптар: (1) оның жиілігі жоғары дәлдікпен белгілі болуы керек (10-да 1 бөлік)¹⁰) және (2) ол тұрақты шығу қуатын кем дегенде 50 мВт құрауы керек. Біршама жиіліктерде дереккөзді баптай алу өте маңызды болмаса да пайдалы. PLO кері байланыс мүмкіндігі бар коммерциялық микротолқынды есептегіштің көмегімен салынуы мүмкін немесе тапсырыс бойынша жасалынған фазалық блокталған цикл болуы мүмкін. Жақында микротолқынды синтезаторлар, олар сенімдірек және кең ауқым мен ажыратымдылықты ұсынады, микротолқынды көзге айналды. Жүйе үшін жиілік сілтемесі, әдетте, GPS қабылдағышынан немесе атомдық сағаттан алынған 10 МГц синусалқындық болып табылады.

1б-суреттегі нөлдік қиылысу қадамдары массивтегі барлық түйіспелер тұрақты кернеу сатысында тұрғандығына кепілдік бере отырып, бүкіл түйісу массиві арқылы жалғыз ығысу тогын өткізуге мүмкіндік береді. Бұл массивті белгілі бір қадамға орнатуда айтарлықтай қиындықтарға әкеледі. 8а суретте бейімділік тізбегінің оңайлатылған сызбасы көрсетілген. Бұл схемада компьютер кернеу кернеуін орнатады ${ displaystyle V _ { text {s}}}$ бір сандық-аналогтық түрлендіргішпен (DAC) және екпінді кедергілерді басқару үшін екінші DAC қолданады ${ displaystyle R _ { text {s}}}$ оптикалық модуляцияланған резисторлар арқылы. 8б суретте массивтің тұрақты жұмыс нүктелері үшін графикалық шешім көрсетілген және кернеудің белгілі бір кванттық қадамын таңдау үшін жанама кернеуді де, жанама импедансты да басқару әдісі көрсетілген.^[64]Жүктеме желісі кернеу мен ток диапазонын сызады, олар кернеулермен анықталады. Осы жүктеме сызығының массивтің I-V қисығымен қиылысуы (тік сызықтар) мүмкін болатын тұрақтылық нүктелері. Өзгерістер ${ displaystyle V _ { text {s}}}$ жүктеме сызығын солға және оңға ауыстырыңыз, ал өзгертіледі ${ displaystyle R _ { text {s}}}$ оның көлбеуін өзгертіңіз. Берілген кернеудегі қадамды таңдау үшін ${ displaystyle V _ { text {a}}}$, көздің кернеуі орнатылған ${ displaystyle V _ { text {a}}}$ және бастапқы импеданс шамамен орнатылған ${ displaystyle f / K _ { text {J}} I _ { text {s}} = 10 Omega}$, қайда ${ displaystyle I _ { text {s}}}$ қадамның биіктігі. Бұл жүктеме сызығын тек бір немесе екі адыммен қиылысатындай етіп тік етіп жасайды және массивті оған жақын немесе жақын қадамға мәжбүр етеді ${ displaystyle V _ { text {a}}}$. Демпферлік тербелісті қолдану ${ displaystyle V _ { text {a}}}$ массивті ең жақын қадамға жылжытуға көмектеседі ${ displaystyle V _ { text {a}}}$. Қадам таңдалғаннан кейін, жиілік тогы нөлге жеткенге дейін және массив ығысу көзінен тиімді ажыратылғанға дейін барлық кедергі ығысуларында (жүктеме сызығы көлденең болады) бастапқы кедергі кедергісіз өседі. Бұл ашықтық күйі массив үшін ең тұрақты күй болып табылады және массивтің кішігірім тізбектік кедергісінен туындайтын кез-келген қателік - жалпы массив ақаулығын болдырмайды. Осы үш сатылы процесті компьютерлік басқару жүйеге бірнеше секунд ішінде белгілі бір сатыдағы жиіліктің кернеуін табуға және тұрақтандыруға мүмкіндік береді. Жоғары сапалы Джозефсон массивтері таңдалған сатыда бірнеше сағат бойы қалады.

8-сурет (а) JVS үшін қисықтық тізбегі және (b) Джозефсон массиві үшін жұмыс нүктелерінің графикалық шешімі.

Джозефсон стандартын екінші стандартпен немесе басқа Джозефсон стандартымен салыстыру үшін көптеген алгоритмдер жасалды. Бұл алгоритмдер орташаландыру мөлшерімен, реверсивті ауыстырып қосқыштардың типімен және орналасуымен, мәліметтерді азайту және анықталмағандықты есептеу үшін қолданылатын статистикалық әдістермен ерекшеленеді. Алгоритмді таңдау салыстыру түріне, қалаған белгісіздік деңгейіне және қол жетімді уақытқа байланысты. Zener сілтеме стандарттарының калибрлеуіне сәйкес келетін жиі қолданылатын бір алгоритм осы жерде сипатталған.

Өлшеу алгоритмінің мысалы

9-сурет Джозефсон стандартына қатысты белгісіз құрылғының кернеуін анықтау үшін қолданылатын өлшеу циклі.

Белгісіз анықтаманың кернеуі ${ displaystyle V _ { text {R}}}$ Джозефсон массивіне қатысты кернеу белгісіз және Джозефсон массиві нөлдік метрге қарама-қарсы жалғанған 9-суретте көрсетілген схеманың көмегімен анықталды (7-суреттің ішкі бөлігі). Реверсивті ауыстырып қосқыш жылулық және басқа ысырылған кернеулердің әсерін жою үшін қолданылады. Қадам нөмірі ${ displaystyle n}$ кейде жиілігі ${ displaystyle f}$ нөлдік кернеуді мүмкіндігінше аз ету үшін реттеледі. Содан кейін тізбек теңдеуін жазуға болады:

${ displaystyle { begin {aligned} V _ { text {a}} - V _ { text {null}} & = nf / K _ { text {J}} - V _ { text {null}} & = PV _ { text {R}} - V_ {0} -mt-V _ { text {shous}} end {aligned}}}$

Мұнда, ${ displaystyle V _ { text {a}} = nf / K _ { text {J}}}$ Джозефсон массивінің кернеуі, V₀ бұл нөлдік өлшегіштегі кез келген ығысу кернеуінің жиынтығы, mt ығысу кернеуінің сызықтық дрейфтік компонентін білдіреді, ${ displaystyle P = pm 1}$ - бұл реверсті қосқыштың полярлығы, ${ displaystyle V _ { text {null}}}$ - дифференциалды нөлдік кернеу, және ${ displaystyle V _ { text {shous}}}$ белгісіз шуды, нөлдік өлшегішті және кез-келген кездейсоқ шуды білдіреді. Енді параметрді анықтаңыз ${ displaystyle V _ { text {i}} = nf / K _ { text {J}} - V _ { text {null}}}$ , қайда ${ displaystyle V _ { text {null}}}$ бұл уақыттағы өлшем ${ displaystyle t _ { text {i}}}$ және ${ displaystyle n}$ бастап анықталады ${ displaystyle V _ { text {null}}}$ қолдану

${ displaystyle n = operatorname {Round} {(K _ { text {J}} / f) (V _ { text {e}} + V _ { text {null}})}, (3)}$

қайда ${ displaystyle V _ { text {e}}}$ бастапқы тікелей өлшеу болып табылады ${ displaystyle V _ { text {R}}}$ жүйелік вольтметр арқылы және «Дөңгелек» функциясы бүтін санға дейін дөңгелектенуді білдіреді. Тікелей өлшеу ${ displaystyle V _ { text {R}}}$ массивті -ге орнату арқылы алынады ${ displaystyle n = 0}$ вольтметрді тікелей Zener сілтемесіне қосу үшін 7-суреттен көруге болатын қадам.

Өлшемдеріне негізделген ${ displaystyle V _ { text {e}}}$ және ${ displaystyle V _ { text {null}}}$, мәндер жиынтығы ${ displaystyle V _ { text {i}}}$ және ${ displaystyle t _ { text {i}}}$ үшін сатып алынған ${ displaystyle P = + 1}$. Үш дәйектілік мәні ${ displaystyle V _ { text {null}}}$ деректер қабылданғанға дейін 2 мкВ шегінде дәйектілікке тексеріледі. Бұл кернеудің кванттық қадамдары арасында стихиялы ауысу кезінде пайда болатын өтпелі уақытпен бұзылуы мүмкін деректерді жояды. Бастап ${ displaystyle V _ { text {a}}}$ және ${ displaystyle V _ { text {null}}}$ қадамдық ауысу кезінде тең мөлшерде өзгеру, ${ displaystyle V _ { text {i}}}$ тұрақты болып қалады, осылайша деректерді жинау процесі қадамдық ауысуларға қатысты иммунитетті етеді. Деректер Джозефсон массив чипі үшін де тиімді жиналады, ол минутына бес рет өтуі мүмкін. Белгісіз және нөлдік метрдегі шу нәтижесінде пайда болатын мәліметтердегі шашырауды, әдетте, 20-дан 100 нВ-қа дейінгі бір стандартты ауытқуымен Гаусс процесі модельдеуі мүмкін. Алайда, кейде бұл процеске сәйкес келмейтін және ақаулар тудыратын шу күшейеді ${ displaystyle V _ { text {i}}}$ 1 мкВ-тан 10 мкВ-қа дейінгі аралықта болуы мүмкін деректер. Мұндай деректерді анықтау және жою үшін аутриальды тест қолданылады.

Бірінші мәліметтер жиынтығын жинағаннан кейін белгісіздің полярлығы өзгертіледі (${ displaystyle P = -1}$), минимизациялайтын қадамды таңдау үшін бейімділік қайта реттеледі ${ displaystyle V _ { text {null}}}$, және мәліметтердің екінші жиынтығы алынады. Тағы екі қайтару үшінші және төртінші деректер жиынтығын тудырады. Үшін ең жақсы бағалар ${ displaystyle V _ { text {R}}, V_ {0}}$, және ${ displaystyle m}$ жиынтықтың квадрат-квадрат (RSS) қатесін минимумға жеткізетін ең кіші квадраттар рекурсиялық анализден алынған ${ displaystyle V _ { text {i}} - (P _ { text {i}} V _ { text {R}} - V_ {0} -mt _ { text {i}})}$ барлығына ${ displaystyle i}$ төрт деректер жиынтығында. Zener стандарттарының типтік өлшемдерінде стандарттың шуы көбінесе есептелген мәнінде басым болады ${ displaystyle m}$. А типті белгісіздік ${ displaystyle V _ { text {R}}}$ жиынтығы үшін орташа мәннің стандартты ауытқуы болып табылады ${ displaystyle V _ { text {i}}}$. Әдетте, бұл барлық калибрлеу алгоритмі компьютермен басқарылады және бірнеше минут ішінде аяқталады. Қайтарулар арасындағы біркелкі емес кідірістер бар деректерді қоспағанда, толық жиынтықтың абсолюттік мәндерінің қарапайым орташа мәні ${ displaystyle V _ { text {i}}}$ тең жақсы баға болып табылады ${ displaystyle V _ { text {z}}}$.

7-суретте көрсетілгендей жүйелер екінші стандарттарды калибрлеу үшін қолданылады, мысалы, Вестон ұяшықтары, Zener сілтемелері және дәл сандық вольтметрлер. Бұл калибрлеу Джозефсон массивінің кернеуін кез-келген мәнге қоюға болатындығымен айтарлықтай жеңілдетілген ${ displaystyle V = nf / K _ { text {J}}}$, мұнда бүтін сан ${ displaystyle n}$ шамасында кез-келген мәнге ие бола алады −75000 дейін +75000. Зенердің 10 В стандартты өлшемдерінің әдеттегі белгісіздігі Зенердегі шуылмен шамамен 0,01 ppm дейін шектелген. Джозефсон массивін дискретті кернеулердің кең диапазонына қою мүмкіндігі сонымен қатар оны жоғары дәлдіктегі цифрлық вольтметрлердің сызықтығын өлшеудің ең дәл құралы етеді.

Белгісіздік

Джозефсон құрылғысының терминалдарында пайда болатын кернеу, негізінен, дәл берілген ${ displaystyle V = nf / K _ { text {J}}}$, кез-келген нақты өлшеу кезінде 2-кестеде көрсетілгендей қателіктер мен белгісіздіктердің әртүрлі ықтимал көздері бар, егер анықталған жиіліктің орнын ауыстыру немесе ағып кетудің белгілі кедергісі сияқты белгілі қателіктер болса, түзету енгізуге болады. Содан кейін метрологтың міндеті барлық анықталмағандықтарға нақты сандарды тағайындау, оның ішінде түзетулердегі белгісіздік. Мұны жасаудың бір әдісі 2-кестенің 1 және 2 тармақтары ғана Джозефсон массивіндегі кернеуге тәуелді болатындығын ескертеді. Барлық басқа компоненттер массивтің кернеуіне қарамастан бірдей. Демек, 3-8 тармақтарының аралас әсерін кез-келген басқа өлшеу үшін қолданылатын дәл сол алгоритмді пайдаланып қысқа тұйықталудың өлшемдер жиынтығын жасау арқылы сандық бағалауға болады. 3-8 тармақтардан туындайтын стандартты қателік - бұл қысқа тұйықталуды өлшеу жиынтығының орташа квадрат мәні (RMS).^[65]Жиілік пен ағып кетудің анықталмағандығын бағалау үшін қосымша тәжірибелер жасау керек. Белгісіздікті біріктіру мен сенім аралықтарын орнатудың халықаралық деңгейде қабылданған процедуралары BIPM-дің өлшеу кезінде белгісіздікті бағалау жөніндегі нұсқаулығының тақырыбы болып табылады.^[66]Әдетте, Джозефсон жүйесінің бірнеше минуттық орташа өлшеу уақытындағы жалпы белгісіздік үлесі бірнеше нановольтты құрайды. Бұл жүйелерді жиі қолданатын шу деңгейі 50–100 нВ болатын Zener стандарттарын калибрлеу болғандықтан, Джозефсон жүйесінің қосқан үлесі шамалы.

Кесте 2. Джозефсон стандарты үшін ықтимал қателіктер мен белгісіздік

Бақылау және эквиваленттілік

Ұлттық стандарттар бюросы стандартты вольт ретінде жасаған Джозефсонның түйісетін массивтік чипі

Конгресстің 1904 жылғы актісі АҚШ-тың заңдық күшін Ұлттық стандарттар бюросы, қазіргі Ұлттық стандарттар және технологиялар институты (NIST) анықтаған шама ретінде белгіледі. Джозефсонның вольтты ұсынуы туралы 1990 жылғы халықаралық келісіммен NIST АҚШ заңдық вольтын халықаралық вольтпен бірдей деп анықтады. 1984 жылы Джозефсон массивінің алғашқы кернеу стандарттары сәтті болғаннан бастап, оларды пайдалану әлемдегі 70-тен астам ұлттық өлшеу институттарына (ҰМИ), әскери және коммерциялық зертханаларға таралды. Бұл БМС иелік ететін НМИ емес ұйымдардың қадағалау мүмкіндігі туралы біраз шатасуларға әкелді, бұл негізінен ұлттық стандартпен бірдей. Осы мәселе бойынша кейбір нұсқаулар Халықаралық стандарттар ұйымы (ИСО) құжаттарында келтірілген, олар НМИ-мен салыстыруға қатысқан JVS сияқты ішкі стандарттар қадағалауды талап ете алады деген жалпы қағиданы ұсынады.

Әдебиеттер тізімі