СПОСОБ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЕДИНИЦЫ СИЛЫ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01R19/25 

Группа изобретений относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока абсолютным методом.

В первой половине 20-го века общепринятым понятием силы постоянного тока было то, что «электрический ток образуется движением электрических зарядов и может быть определен как количество электрических зарядов, проходящих через проводник в единицу времени» [К.А.Круг, «Основы электротехники». М.-Л., 1936, с.13-14].

Из уровня техники средства воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока непосредственно в соответствии с этим определением не известны.

На IX Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году было принято, что Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10^-7 Н. [Международный Комитет мер и весов, 1946 год, Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ, 1948 год].

В соответствии с этим определением, ведущими мировыми метрологическими центрами (США, Англия, Германия, Япония) были начаты работы по созданию комплекса аппаратуры для воспроизведения единицы тока, который получил название «токовые весы». В 1968 году такой комплекс аппаратуры, созданный во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, был утвержден Госстандартом СССР в качестве Государственного первичного эталона единицы силы постоянного электрического тока - Ампера (шифр ГЭТ 4-68), [ГОСТ 8.022-72 ГСИ «Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений силы постоянного электрического тока»] с пределом допускаемой погрешности, как и в других странах, 1·10^-5.

В связи с появлением квантовых эталонов - эталон постоянного электрического напряжения, опирающийся на фундаментальную константу Джозефсона и эталон электрического сопротивления, опирающийся на фундаментальную константу Клитцинга, появилась возможность с более высокой точностью воспроизводить Ампер косвенным методом через Вольт и Ом.

Основываясь на этих положениях, в диапазоне 1·10^-3 - 1 А в 1991 году был создан и утвержден комплекс средств измерений, вошедший в состав Государственного первичного эталона единицы силы постоянного электрического тока - Ампера (шифр ГЭТ 4-91). [ГОСТ 8.022-91 ГСИ «Государственный первичный эталон и Государственная поверочная схема для средств измерений силы постоянного электрического тока в диапазоне 10^-16 - 30 А»]. В состав этого же эталона в диапазоне 1·10^-16-1·10^-9 А вошел также комплекс аппаратуры основанный на методах электрометрии [см. Д.И.Антонова, О.М.Павлов и др. «Устройство для воспроизведения постоянных токов», А.С. №614724, Бюл. изобр. №25, 1978], в которых реализованы косвенные методы воспроизведения Ампера и которые, однако, не соответствуют действующему в настоящее время определению.

Погрешность воспроизведения единицы силы тока электрометрической частью эталона ГЭТ 4-91 в диапазоне 1·10^-16-1·10^-9 А составляет (5-0,1) % [A.S.Katkov, О.М.Pavlov, O.P.Galakhova, E.D.Koltik, "Primary Standard of Current Developed of VNIIM", 2^nd ISEM'93, China, pp.47-48].

Консультативный комитет по электричеству и магнетизму принял рекомендацию Е1 (2007) о предлагаемых изменениях Международной системы единиц СИ и, в частности, действующего определения ампера. Предложен пример определения ампера:

- «ампер - это электрический ток, эквивалентного потока, точно равный 1/(1,60217653×10^-19 элементарных зарядов в секунду (Из этого следует, что данное определение фиксирует элементарный заряд как равный точно 1,60217653×10¹⁹ A·c)» [RECOMMENDATION E1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (SI). The Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM/2007-44].

Основу формулировки определения составляют следующие факторы:

1) определение силы постоянного электрического тока, как явления направленного движения электрических зарядов;

2) определение количественной характеристики этого явления - силы электрического тока - как величины, численно равной количеству заряда, протекающего через определенную поверхность в единицу времени;

3) дискретность заряда.

Благодаря развитию современных нанотехнологий появилась возможность воспроизводить Ампер в соответствии с предлагаемым определением. Генеральная конференция обратилась к ведущим метрологическим институтам с призывом начать работы по созданию аппаратуры для воспроизведения Ампера в соответствии с рекомендуемым определением [XXIII Генеральная Конференция Мер и Весов, 2007 год, О возможном переопределении некоторых основных единиц Международной Системы Единиц (СИ). Резолюция L].

Для решения поставленной задачи во многих ведущих метрологических институтах мира проводятся работы по созданию квантового эталона электрического тока на основе эффекта одноэлектронного туннелирования. Для более успешного решения этой проблемы запущен Европейский проект COUNT, в рамках которого разрабатываются два дополняющих друг друга устройства на эффекте одноэлектронного туннелирования для применения в метрологии электрических токов [Н.Е. van den Brom, О.Kerkhof, S.V.Lotkhov, S.A.Bogoslovsky, G.-D.Willenberg, H.Scherer, A.B.Zorin, S.Pedersen, C.Kristoffersson, P.Delsing, M.Taslakov, Z.Ivanov, H.Nilsson, S.Giblin, P.Kleinschmidt, C.Hof, A.L.Eichenberger, F.Overney, B.Jeanneret, G.Genevĕs, N.Feltin, L.Devolille, F.Gay, and F.Piquemal «Counting Electrons One by One - Overview of a Joint European Research Project», IEEE Trans. IM vol.52, N2, pp.584-587, 2003].

При использовании одноэлектронного насоса для воспроизведения тока основное уравнение измерения, в зависимости от материала изготовления и температуры может быть представлено следующим образом:

i=e·f или i=2e·f,

где: е - заряд электрона;

2е - заряд куперовской пары;

f - частота напряжения, прикладываемого к затвору устройства.

Из уровня техники средства воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока непосредственно в соответствии с этим определением не известны.

Известен способ одноэлектронного туннелирования - способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, который по выполняемой функции и совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявленного способа (Y. De Wilde, F Gay, F.P.M.Piquemal, and G.Geneves, "Measurements of Single Electron Transistor Devices Combined with a CCC: Progress Report", IEEE Trans. IM, vol.50, N2, pp.231-234, 2001).

Эффекты одноэлектронного тунелирования проявляются в системах, которые содержат маленький металлический островок, слабо связанный (т.е. через туннельные переходы) с внешней цепью. Когда емкость островка С_Σ достаточно мала, присутствие избыточного электрона на островке может быть обнаружено. Этот эффект наиболее очевиден, когда заряжающая энергия e²/2·C_Σ является доминирующей энергией в системе: она должна превышать энергию электронов, связанных с приложенным напряжением, e·V, и их тепловую энергию, k·T. На практике это требует применения металлических структур с характеристическими размерами менее 100 нанометра, работающих при температурах менее 50 миликельвин (менее - 223°С).

Посредством емкостного вентиля (затвора), связанного с островком, можно управлять зарядом островка. Наиболее известная структура - это одноэлектронный транзистор, который имеет два туннельных перехода и одну емкость затвора (IEEE Trans. IM vol.52, N2, pp.584-587, 2003).

Известный способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока осуществляется устройством, которое содержит цепь, воспроизводящую единицу силы тока, в виде последовательно соединенных: истока, «n» туннельных переходов, «n-1» островков, расположенных между ними, стока, поддерживаемые подложкой, аттестуемого эталонного средства измерения и источника напряжения смещения V_c. Положительный полюс источника напряжения смещения связан с аттестуемым эталонным средством измерения, а отрицательный - с истоком. Фиксированные электроды затворов расположены в непосредственной близости от указанных квантовых островков, образуя емкостную связь между каждым электродом затвора и каждым островком. Каждый электрод затвора, через фазосдвигающую цепочку связан с одним из полюсов генератора радиочастоты, другой полюс генератора радиочастоты соединен с общей точкой истока и отрицательным полюсом источника напряжения смещения V_c.

Известный способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока осуществляют следующим образом.

Воспроизводимый устройством одноэлектронного туннелирования ток i_в под воздействием приложенного напряжения источника смещения начнет протекать только после разблокировки туннельного перехода, когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, кулоновской блокады. В блокированном состоянии у электрона на истоке нет доступных энергетических уровней в пределах диапазона туннелирования. Когда кулоновская блокада прорвется, электрон пройдет через барьер на островок. Прорыв кулоновской блокады зависит от напряжения на затворе. Для протекания тока в цепи исток-сток к каждому затвору через фазосдвигающую цепь от генератора радиочастоты подводится напряжение, которое от затвора к затвору сдвинуто по фазе на величину ±π. При этом ток в цепи будет протекать порциями, что соответствует движению единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через кулоновские барьеры одиночные электроны е или кулоновские пары 2е. Когда к затвору прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на островке понижаются.

Электрон е или кулоновская пара 2е может туннелировать на островок, занимая свободный энергетический уровень. Далее, пройдя «n-1» островков, они могут туннелировать на сток. Величина воспроизводимого тока i_в, протекающего между истоком и стоком, зависит от частоты генератора напряжения f, приложенного к затворам,

i_в=e·f или i_в=2e·f.

где: е - заряд электрона;

2е - заряд куперовской пары;

f - частота напряжения, прикладываемого к затвору устройства.

В эксперименте получен ток на уровне 1·10^-12 А с погрешностью 0,1% с ошибкой переноса электронов 0,15 ppm. Погрешность счета основного потока электронов оценивается на уровне ±1 электрон [M.W.Keller and JM. Martinic, N.M.Zimmerman, A.H.Steinbach "Accuracy of electron counting using a 7-junction electron pump", Appl. Phys. Lett. v.69 N12, pp.1804-1806, 1996].

Недостатком способа воспроизведения силы постоянного тока является то, что воспроизводимый ток определяется косвенным методом, путем приложения к затвору напряжения определенной частоты. При этом возникает необходимость обеспечения защиты электронов е и куперовских пар 2е от сотуннелирования для уменьшения общей неопределенности прохождения электронов, а также необходимость применения высоких технологий для создания структур (размеры менее 100 нанометра), работающих в условиях сверхнизких температур; и специального оборудования для обеспечения этих условий (на уровне единиц мили Кельвина).

Устройства для воспроизведения силы постоянного тока, аналогичные по технической сущности и выполняемой функции, в уровне техники заявителем не обнаружены.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является дальнейшее повышение точности воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока и расширение диапазона воспроизведения силы постоянного тока в сторону меньших значений, обеспечение возможности создания эталона одной из основных единиц международной системы СИ - единицы силы постоянного электрического тока Ампера в области его дольных значений.

Технический результат, полученный при осуществлении заявленной группы изобретений, заключается в обеспечении возможности непосредственной регистрации каждого электрона в цепи воспроизводимого тока для обеспечения соответствия рекомендуемому определению Ампера его физическому смыслу.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявленной группы разнообъектных изобретений, которые образуют единый творческий замысел и представляют собой способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока и устройство для его осуществления.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, использующем заряд электронов и перемещение их в цепи воспроизводимого тока, в отличие от известного способа, участок цепи воспроизводимого тока вакуумируют, на этом участке размещают катод, эмитирующий электронное облако, контрольную сетку и анод в виде катода электронного умножителя, на катоде создают электронное облако и под воздействием заданной разности потенциалов между катодом и контрольной сеткой определяемое ею задаваемое количество электронов, прошедших через контрольную сетку до анода, замыкает цепь воспроизводимого тока, количество электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока в единицу времени, преобразуют в электронном умножителе в последовательность импульсов, по частоте следования которых f определяют значение единицы силы воспроизводимого постоянного электрического тока i_В по формуле:

i_В=е·f,

обеспечивая возможность непосредственной регистрации каждого электрона в цепи воспроизводимого тока,

где е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653·10^-19 Кл.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом устройстве для воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, состоящем из цепи, воспроизводящей единицу силы тока, выполненной в виде меры линейно изменяющегося напряжения, подключенной одним выходом к соединенным первым обкладкам двух конденсаторов равного номинала, другая обкладка одного из конденсаторов подключена к катоду в вакуумированном участке цепи из последовательно расположенных после катода контрольной сетки и анода, подключенных к другому выходу меры, причем анод в цепи воспроизведения тока является катодом электронного умножителя, анод которого связан со счетчиком импульсов, при этом вторая обкладка другого конденсатора является выходом устройства, отображающим воспроизводимую единицу силы постоянного тока.

В устройстве для осуществления способа воспроизведения единицы силы тока (чертеж) мера линейно изменяющегося напряжения 1 подключена одним выходом к общим обкладкам конденсаторов 2 и 3 с равным значением емкости. Другая обкладка конденсатора 2 подключена к катоду 4, расположенному вместе с контрольной сеткой 5, анодом 6 (в виде катода 6 электронного умножителя 7) и электронным умножителем 7 в вакуумном баллоне 8. Контрольная сетка 5 и анод 6 соединены с другим концом меры линейно изменяющегося напряжения 1. Анод 9 электронного умножителя 7 связан с одним из концов сопротивления нагрузки 10 и одной из обкладок разделительного конденсатора 11. Другая обкладка конденсатора 11 соединена с входом импульсного усилителя 12, выход которого соединен с входом счетчика импульсов 13. Другой конец сопротивления нагрузки 10 соединен с положительным полюсом источника питания 14, с общей шиной 15 импульсного усилителя 12 и с другим концом счетчика импульсов 13. Сопротивление смещения 16 одним концом соединено с выходом 17 распределенного делителя напряжения электронного умножителя 7, а другим - с положительным полюсом источника питания 14. Отрицательный выход источника питания 14 соединен с катодом 6 электронного умножителя 7. Другая обкладка конденсатора 3 соединяется с высокоомным входом аттестуемого эталонного средства измерения 11%. Низкоомный вход средства измерения 18 соединен с другим концом меры линейно изменяющегося напряжения 1 и с отрицательным полюсом источника питания 14.

Заявляемый способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока осуществляется устройством, следующим образом.

Сила тока i_B1, воспроизводимая мерой линейно изменяющегося напряжения 1 и конденсатором C_B1 2, протекает между катодом 4 и анодом 6 (который является катодом 6 электронного умножителя 7) через контрольную сетку 5, и автоматически устанавливает напряжение между катодом 4 и контрольной сеткой 5, которое определяется силой воспроизводимого тока i_B1 и не зависит от нагрузки.

В результате, при воспроизведении силы тока i_B1, напряжение между катодом 4 и контрольной сеткой 5 остается постоянным. Вследствие этого эмиссия электронов из облака катода 4 является пропорциональной силе воспроизводимого тока i_B1.

Электроны, создающие силу воспроизводимого тока i_B1, протекают от катода 4 под воздействием электростатического поля, образованного высоковольтным источником напряжения 14, питающим электронный умножитель 7, затягиваются анодом 6, проходя через контрольную сетку 5. При этом каждый электрон, попадая на катод 6 электронного умножителя 7, прежде чем замкнуть цепь воспроизводимого тока i_B1, выбивает вторичные электроны, которые, умножаясь, образуют на аноде 9 электронного умножителя 7 импульс, который выделяется на сопротивлении нагрузки 10. Этот импульс проходит через разделительный конденсатор 11, усиливается импульсным усилителем 12 и поступает на счетчик импульсов 13. Сопротивление смещения 16 предназначено для установления оптимального рабочего режима электронного умножителя 7.

Воспроизводимое мерой линейно изменяющегося напряжения 1 и конденсатором C_B1 2 значение единицы силы тока i_B1, при равенстве значений емкостей двух конденсаторов C_B1 2 и C_B2 3, отображается воспроизводимым значением единицы силы тока i_B2 через конденсатор C_B2 3 для дальнейшего использования его при передаче размера единицы силы тока эталонам сравнения 18.

При точном равенстве значений емкостей двух конденсаторов C_B1 2 и C_B2 3 сила воспроизводимого тока i_B1 точно равна силе воспроизводимого тока i_B2

i_B1=i_B2=e·f.

Так как сила тока определяется величиной заряда, т.е количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за 1 с, основное уравнение измерения устройства будет:

i=e·f.

Значение единицы силы воспроизводимого тока i_B2 при равенстве значений емкостей конденсаторов C_B1 и C_B2 определяется из соотношения:

i_B2=I_B1=C_B2·dV/dt=C_B1·dV/dt=е·f,

где C_B1 и C_B2 - емкости конденсаторов 2 и 3, к которым прикладывается напряжение V, линейно изменяющееся за период времени t;

e - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653·10^-19 Кл;

f - измеряемая частота (число) импульсов на выходе электронного умножителя 7.

При этом нестабильность коэффициента усиления электронного умножителя 7 не играет роли, так как амплитуда импульса не входит в основное уравнение измерения.

В изготовленном заявителем опытном образце была проверена принципиальная возможность счета электронов, образующих воспроизводимый ток.

В опытном образце были использованы:

- мера линейно изменяющегося напряжения 1 - мера линейно изменяющегося напряжения калибратора тока НК1-4;

- конденсатор C_B1 2 - емкостью ≈1 пф с лейкосапфировой изоляцией (собственного производства);

- катод, эмитирующий электроны 4, - позолоченный молибденовый диск с лейкосапфировой изоляцией (собственного производства);

- контрольная сетка 5, катод электронного умножителя 6, электронный умножитель 7, анод электронного умножителя 9, выход распределенного делителя напряжения электронного умножителя, 17 - вторично-электронный умножитель ВЭУ-6;

- вакуумный баллон 8 - баллон из молибденового стекла (собственного производства);

- сопротивление нагрузки 10 - сопротивление типа МВСГ≈10⁸ Ом;

- разделительный конденсатор 11 - конденсатор типа ФТ≈0,1 мкФ;

- источник питания электронного умножителя 14 - высоковольтный источник питания БПВ-5;

- импульсный усилитель 12 - усилитель импульсный В3-2;

- счетчик импульсов 13 - частотомер Ч3-47;

- сопротивление смещения 16, - сопротивление R_CM≈10⁴ Ом (подбирается при настройке).

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Группа изобретений относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока абсолютным методом. Техническим результатом изобретения выступает повышение точности произведения единицы силы электрического тока и расширение диапазона воспроизведения силы постоянного тока в сторону меньших значений, обеспечение возможности непосредственной регистрации каждого электрона. Поставленная задача осуществляется в цепи воспроизводимого тока, на его вакуумированном участке, из облака электронов под воздействием разности потенциалов направляют на катод электронного усилителя часть электронов, предопределяющих силу воспроизводимого тока. По частоте фиксируемых импульсов на выходе электронного усилителя и значению элементарного заряда электрона судят о материальном значении силы воспроизводимого постоянного электрического тока. Это дает возможность непосредственно регистрировать каждый электрон в потоке воспроизводимого постоянного электрического тока и обеспечить соответствие единицы силы тока - Ампера его физическому смыслу. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, использующий заряд электронов и перемещение их в цепи воспроизводимого тока, отличающийся тем, что участок цепи воспроизводимого тока вакуумируют, на этом участке размещают катод, эмитирующий электронное облако, контрольную сетку и анод в виде катода электронного умножителя, на катоде создают электронное облако и под воздействием заданной разности потенциалов между катодом и контрольной сеткой определяемое ею задаваемое количество электронов, прошедших через контрольную сетку до анода, замыкает цепь воспроизводимого тока, количество электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока в единицу времени, преобразуют в электронном умножителе в последовательность импульсов, по частоте следования которых f определяют значение единицы силы воспроизводимого постоянного электрического тока i_В по формуле:
i_В=e·f,
обеспечивая возможность непосредственной регистрации каждого электрона в цепи воспроизводимого тока,
где е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653·10^-19 Кл.

2. Устройство для воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, состоящее из цепи, воспроизводящей единицу силы тока, выполненной в виде меры линейно изменяющегося напряжения, подключенной одним выходом к соединенным первым обкладкам двух конденсаторов равного номинала, другая обкладка одного из конденсаторов подключена к катоду в вакуумированном участке цепи из последовательно расположенных после катода контрольной сетки и анода, подключенных к другому выходу меры, причем анод в цепи воспроизведения тока является катодом электронного умножителя, анод которого связан со счетчиком импульсов, при этом вторая обкладка другого конденсатора является выходом устройства, отображающим воспроизводимую единицу силы постоянного тока.