改進(jìn)量子化霍爾電阻基準(zhǔn)計(jì)量特性的若干方法研究.pdf

1、電磁計(jì)量是現(xiàn)代計(jì)量基礎(chǔ)之一，幾乎所有的物理量和絕大部分的化學(xué)量都要轉(zhuǎn)化為電磁量進(jìn)行定標(biāo)和測(cè)量，因此，電磁計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確程度不只對(duì)電磁計(jì)量，還對(duì)整個(gè)計(jì)量科學(xué)有著重要的影響。1990年1月1日開始，國際上啟用約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)這兩種電學(xué)量子基準(zhǔn)，將電壓和電阻溯源到基本物理常數(shù)，使電磁計(jì)量體系從源頭上更穩(wěn)定、更可靠。為統(tǒng)一全世界電阻單位量值，目前量子化霍爾電阻器件由國際計(jì)量局統(tǒng)一派發(fā)，而由量子化霍爾電阻到實(shí)物電阻的傳遞量

2、具則由各國計(jì)量院自行研制?？梢哉f，一個(gè)國家量子化霍爾電阻基準(zhǔn)水平的高低取決于其量子化霍爾電阻到實(shí)物電阻的傳遞量具的水平。作為傳遞量具的低溫電流比較儀，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意電流比例，比例精度可達(dá)10-12量級(jí)，是迄今為止傳遞量子化霍爾電阻的最理想手段。隨著量子化霍爾電阻作為電阻量子基準(zhǔn)的啟用，各發(fā)達(dá)國家計(jì)量院都把發(fā)展和提高低溫電流比較儀技術(shù)作為電學(xué)精密測(cè)量的發(fā)展方向之一給予充分重視。
　　作為基準(zhǔn)級(jí)比例量具,低溫電流比較儀的穩(wěn)定性和信

3、噪比決定了它的測(cè)量能力，而對(duì)低溫電流比較儀不確定度的準(zhǔn)確校驗(yàn)將直接影響其測(cè)量結(jié)果乃至量子化霍爾電阻基準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)。
　　本文從量子化霍爾電阻的工作機(jī)理出發(fā)，論述了量子化霍爾電阻作為四端電阻器件的可行性和適用范圍，通過比較各種精密測(cè)量電阻的方法和儀器，確定了低溫電流比較儀是傳遞量子化霍爾電阻量值的最佳手段。
　　為選擇傳遞量子化霍爾電阻量值到100Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻的最佳線圈匝數(shù)比例，本文提出了一種計(jì)算低溫電流比較儀匝數(shù)比例的計(jì)算方法：

4、采用對(duì)次級(jí)線圈匝數(shù)分級(jí)的方式，由次級(jí)線圈匝數(shù)級(jí)數(shù)確定符合比例約束條件的原級(jí)線圈匝數(shù)。與國外設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)的方法相比，這種方法得到更多的比例對(duì)，并且物理概念更加清晰。
　　首次建立了低溫電流比較儀電橋反饋系統(tǒng)模型；指出了作為電橋不平衡量探測(cè)器并輸出反饋信號(hào)的SQUID的輸出特性呈現(xiàn)周期性的非線性，而SQUID在不同周期之間出現(xiàn)的量子磁通跳躍反映到電路中就是“電流跳躍”；分析了反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，計(jì)算了反饋回路的諧振角頻率和等效的品質(zhì)因

5、數(shù)，明確了產(chǎn)生“電流跳躍”觸發(fā)條件。為避免“電流跳躍”的產(chǎn)生，采用保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)、提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、壓縮 SQUID通頻帶抑制高頻噪聲技術(shù)等手段，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性大幅度提高。
　　提出了一種抑制系統(tǒng)中高頻噪聲的渦流屏技術(shù)和方法，采用導(dǎo)電率適當(dāng)?shù)慕饘俨牧现谱鳈z測(cè)線圈骨架，形成自然的渦流濾波器，屏蔽了不必要的高頻信號(hào)通道，降低了電流源的本底噪聲，有效地提高了測(cè)量系統(tǒng)的換向穩(wěn)定性。
　　闡明了安裝低溫電流比較儀的杜瓦瓶

6、中氦氣氣壓的波動(dòng)是引起測(cè)量結(jié)果分散性的主要原因之一，此種波動(dòng)可造成10-9量級(jí)的讀數(shù)分散性，針對(duì)此問題提出和設(shè)計(jì)了一系列的氣壓平衡措施，并提出了一種降低氦氣氣壓波動(dòng)的氣壓低通濾波器方法和技術(shù)，把由于氦氣氣壓波動(dòng)造成的分散性減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　提出了一種對(duì)低溫電流比較儀在工作狀態(tài)下整體校驗(yàn)的方法和技術(shù)。用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了我國低溫電流比較儀不確定度小于6.9×10-11。此種整體校驗(yàn)方式還同時(shí)檢驗(yàn)了超導(dǎo)屏蔽的完善性和從動(dòng)電流源的跟蹤誤差