Устройство для измерения ультранизких напряжений Советский патент 1980 года по МПК G01R19/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАНИЗКИХ Изобретение отнрсится к технике измерения ультранизких электрических напряжений ниже 10 В. с использованием явления сверхпроводимости и эффекта Джозёфсона в слабосвязанных сверхпроводниках. . Известны автокомпенсационные вольтметры ультранизких напряжений, в которых в качестве нуль-органа используются сверхпровод 1щие квантовые интерференционные датчики-сквиды 1 Эти вольтметры содержат сквид электронную схему усиления,детектирования и фильтрации сигнала со сквида, выходной измерительный , цепь компенсации и связанную со сквидом катушку индуктивности, к зажимам которой пoдкJЙoчeнo измеряемое напряжение. Информация об измеряемом напряжении в таких вольтметрах пре/хставлена в аналоговой форме . Выявление полярности измеряемого напряжения в принятой системе отсчета производится по полярности выходного напряжения. Недостатком таких .вольтметров является аналоговая форм сигнала и необходимость калибровки коэффии;иента преобразования. Известен также вольтметр ультранизких напряжений, рассматриваемый НАПРЯЖЕНИЙ нами в качестве прототипа, содержа- щий частично резистивный сквид-ресквид, связанный индуктивно с колебательным контуром, подключенным к усилителю высокой частоты, на выходе которого включен амплитудный детекi-bfi и частотомер 2. На ресквид подается магнитный поток ВЧ-накачки, Например, от отдельного генератора, подключённого к катушке, индуктивно связанной с ресквидом.. Измеряемое напряжение прикладывается к резистивному участку ресквида. Генератор, усилитель и детектор образуют блок высокочастотной накачки, усиления -и амплитудного детектирования/ который может быть реализован и другими средствами, напр|имер, без генератора, когда для ВЧ-накачки используется автогенерация усилителя. Этот -вольтметр является цифровым, причем измеряемое наШ яжениё преобразуется в частоту врёсквйДё в соответствии с соотношением Джозёфсона: - ; . где f - частота .джозефсоновской осцилляции; Од - напряжение на переходе Джозефсона, ahka «2,07-10 Вб -квант магнитого потока, Джозёфсоновская осцилляция вызыBBieT периодическое с частотой fy иэмёнёйИё импеданса ресквида, приводит к амплитудной модуляции на пряжения на колебательном контуре, После усиления этого напряжения усил тёлем высокой частоты и детектирования амплитудным детектором на его вы хбдё появляется переменное напряжени .с частотой f; . Частота f измеряется частотомером. Коэффициент преобразо :вани}1 А 1йз1 фяё1« Ш i npfl:)KeTHi«rff частоту заранее известен и. определя ется только мировыми постоянными: df ze -. Поэтому калибровка вольтметра не требуется, если используется электронно- счет ный частотомер. При подаче на вход известного вольтметра напряжений различной полярности в принятой системе отсче та .значение частоты f зависит тол iko от модуля измеряемого напряжения 1иё зависит от его полярности,Это яв ёУёя Нёдостатком извёстногЪ вольтме ра ине позволяет выявлять полярность измеряемого напряжения, что ограничивает область применения известного вольтметра, Цель изобретения - определение полярности измеряемого напряжения. Для достижения поставленной цели в устройство для измерения ультрани ких напряжений, содержаидайчастйчно резистивный сквид, индуктивно ивяЭанный с колебательным контуром, , подкл рчейным i блойу выс:окоч:астотно накачки, состоящему Из ПослёЙовател но соединённых усилителя с автогенерацией и детектора, на выходе которого включен частотомер, входные зажимы. Подключенные к резистивной части сквида, и резистор, введены генератор двухполярных симметричных прямоугольных импульсов (меандра) и интегратор. Вход интегратораподключен к генератору импульсов, а выходЧерез резистор - к кат.ушкё индуктивности колебательного контура, Чс ст от омер вйшэл иен на jieBfep си в ных сч1етчиках, вход направления сче та котЪрЫх соединен с генератором импульсов. На фиг. 1 изобралсёна структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы, ; Устройство для измерения ультранизких напряжений содержат ресквчд I с переходом Джозефсона 2 и зажима ми 3, на которые подается измеряемо напряжение, Ресквйд 1 индуктивно св .зан с катушкой индуктивности 4 коле ба ельногр контура 5, подключенного к входу усилителя 6 высокой частоты,. аботающего в Жвтогё 1ераЦионнЬм режиё; в связи с чем отпадает необходимость в Отдельном генераторе высокочастотной накачки . На выходе усилителя 6 включен амплитудный детектор 7, Усилитель 6 и амплитудный детектор 7 составляют блок 8 высокочастотной накачки, С выхода блока 8 подается на частотомер 9, выполненньШ на реверсивных счетчиках. Генератор 10 меандра подключен. к входу интегратора 11, выход которого через развязывающий резистор 12 подключен к катушке индуктивности 4, Для управления напряжением счета реверсивных счетчиков частотомера 9 используется меандр, поэтому генератор 10 подключен к входу 13 управления направлением счета, С генератора 10 на вход интегратора 11 поступает напряжение меандра (кривая 14 на фиг,2). С выхода интегратора 10 результат интегрирования меандра - пилообразное напряжение задает в катушке индуктивности 4 пилообразный ток (кривая 15), Сопротивление резистора 12 достаточно велико, чтобы выход интегратора 11 не шунтировал контур 5 и не ухудшал его добротностьiПилообразный ток индуцирует в контуре ресквида 1 ЭДС (кривая 16), повторяющую по форме меандр. Амплитуда ЭДС равна Е, ЭДС суммируется с положительным в выбранной системе отсчета измеряемым напряжением ч- Ujj; (линия 17), а результат суммирования (кривая 18) приложен к переходу Джозефсона 2, В положивельйыё полу Пери оды ме андр а ампл ит у да напряжения на переходе Джозефсона равна /Uv + Е/, а в отрицательные полупериоды равна /U - Е/, в соответствии с соотношением Джозёфсона в рескниде 1 в 5зникает осцилляция, частота которой (кривая 19) прямо пропорциональна Модулю напряжения (кривая 18), В положительные полупериоды меандра эта частота равна /fg+ fjj/, а в отрицательные полупериоды равна /fp - j/. После усиления и детектирования на выходе блока 8 п6явл1 ётся сигнал, частота которого измеряется частотомером 9 отдельно в положительный и отрицательный полупериоды меандра 14, Меандр 14 упрайляет направлением счета реверсивных счетчиков часто- . томера 5, причем в положительный полуйёриод меандра о суще ст вл яет ся сложение, а н отрицательный полупериод.- вычитание. Разность, запи-; саиная в счетчиках после окончания одного Периода меандра, положительна, так как /fj+ f//- t х/Когда измеряемое напряжение и (линия 20) отрицательно, то к пере|Ходу Джозефсона 2 приложено напряжеПие (кривая 21), причем амплитуда этого напряжения в положительные по лупериоды меандра равна /Е - , а в отрицательные , полупериоды равна /-E-UX/. . В ятом случае возникает осцилляция с частотой,показанной на фиг.2 кривой 22, а число, записанное в реверсивных счетчиках частотомера 9 в положительный полупариод меандра, будет меньше, чем число импульсов, вычитаемое в отрицательный полупериод меандра. Следовательно, разнос записанная в счетчиках по истечении одного периода меандра, отрицательн Полярность измеряемого напряжения может быть выявлена, например, во втором полупериоде меандра,когда в процессе вычитания разность, запи санная в счетчиках, становится равной нулю (если напряжение U отрицательно) , или на протяжении всего второго полупериода меандра не принимает нулевого значения (когда напряжение Uj положительно) . Формула изобретения Устройство для измерения ультранизких напряжений, содер ащее части норезййтИбный сквид, индуктивно связанный .с колебательным контуром, подключенным к блоку высокочастотной накачки, состоящему из последовательно соединённых усилителя с авто-, генерацией и детектора, на выходе которого включен частотомер, входные з азКймы,ййдключенные к резист вной части сквида, и резистор,, о т л и- , чающеес я тем, что, с целью выяЕшения полярности измеряемого, напряжения введены генератор двух полярных прямоугольных симметричных импульсов и интегратор, вход которого подключе н к гё н ёр ат ору ймпуль со в, а выход - через резистор к катушке индуктйвнЬсти колебательного контура, а частотомер выполнен на реверсивных счетчиках, вход управления направлением счета которых соединен с ге н ер ат ор ом и мпу л ь со в. - .Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I.- Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение. М., Мир , 1974, с. 388. 2. Патент США 3.622.881, . кл. 324-120, 23.11.71.