Устройство для измерения инфранизких напряжений Советский патент 1981 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к технике измерения инфранизких электрических напряжений ниже 10 В с использованием явления сверхпроводимости и эф фекта Джозефсона в слабосвязанных сверхпроводниках. Известны автокомпенсационные воль метры инфранизких напряжений, в кото рых в качестве нуль-органа используются сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики - сквиды, со держащие сквид, злектронную схему усиления, детектирования и.фильтрации .сигнала со сквида, выходной изме рительный прибор, цепь компенсации и связанную со сквидом катушкуиндук тивности, к зажимам которой подключено измеряемое напряжение f 1 , Информация об измеряемом напряжении в таких воль.тметрах представлена в ана логовой форме, что является недостат ком. Известен также вольтметр инфраниз ких напряжений, содержащий частичнорезистивный сквид (ресквид), связанный индуктивно с колебательным контуром, подключенным к усилителю высокой частоты, на. выходе которого, включен.: амплитудный детектор и частотомер 2, На ресквид подается магнитный поток высокочастотной (ВЧ) накачки от отдельного генератора, подключенного к катушке, индуктивно связанной с ресквидом. Измеряемое напряжение прикладывается к резистивному участку рёсквиду. Генератор, усилитель и детектор образуют блок ВЧ-накачки, который может быть реализован и другими средствами, например без генератора, когда дпя ВЧ-накачки используется автогенерация усилителя. Этот вольтметр является цифровым, причем измеряемое напряжение преобразуется в частоту в ресквиде в соответствии с соотношением Джозефсона fj Ux/%,

где f - частота джозефсоновскон генерации; d напряжение на переходе

Джозефсона (Ь/2е 2,07-. - квант

магнитного потока. Джозефсоновская генерация модулирует с частотой f-j импеданс ресквида что приводит к амплитудной модуляции напряжения на контуре. После усиления и детектирования этого напряжения на выходе детектора блока ВЧ-накачки появляется переменное напряжение с частотой fj. Частота f-i измеряется частотомером. Ввиду того, что частота f пропорциональна U, а коэффициент пропорциональности обратная величина от кванта магнитного потока, т.е. является мировой постоянной, то калибровка вольтметра не требуется. Информация об измеряемом напряжении представляется в этом вольтметре в цифровой форме.

Амплитуда огибающей модуляции напряжения на контуре зависит от гистерезисного параметра ресквида

1 21Р ,

где L . - индуктивность ресквида,

1скритический ток перехода Джозефсона, входящего в рескйид.

Для нормальной работы прибора необходимо, чтобы параметр t находился в Некотором заданном интервале, так Как от и зависит а.мплитуда сигнала, поступающего на частотомер. При уменьшении параметра К ниже I реек- вид переходит в так называемый безгистерезисный режим работы, и сигнал на выходе детектора уменьшается-. При этом частотомер, входное пороговое устройство которого настроено на уровень сигнала при допустимом значении параметра Е, не в состоянии измерить частоту f-j.

В гистерезисном режиме работы ресквид при К 1) увеличение параметра сверх допустимого значения также сопровождается уменьшением амплитуды сигнала, что приводит вначале к сбоям частотомера, а при далнейшем росте 6- к полной нечувствительности частотомера к сигналу.

Параметр может изменяться как в процессе непрерывной работы ресквида , например под действием изменений температуры в криостат.е, так и в результате термоциклирования

от комнатной температуры до гелиевой при многократных погружениях рескви.да в криостат. Отсутствие контроля параметра в известном вольтметре

не позволяет судить о качестве ресквида и о достоверности измерений, что является недостатком известного устройства.

Цель изобретения - повышение достоверности измерения.

Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения инфранизких напряжений, содержащее частично резистивный сквидд, -индуктивно связанный с колебательным контуром, подключенным к блоку высокочастотной накачки, включающему в себя последовательно соединенные усилитель высокой частоты и детектор, на выходе

которого включен частотомер и входные зажимы, подключенные к резистивной части ресквида, введены два амплитудных детектора, конденсатор, аналоговый делитель и показывающий

прибор, вход одного амплитудного детектора соединен с выходом блока высокочастотной накачки, вход другого, амплитудного детектора соединен с входом первого амплитудного детектора через конденсатор, выходы амплитудных детекторов соединены с входами аналогового делителя, вьшод которого подключен к показывающему прибору, причем выход первого амплитудного детектора подключен к входу Делимое аналогового делителя.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения инфранизких напряжений состоит из ресквида 1 с переходом 2 Джозефсона и зажимами 3 для подачи измеряемого напряжения. Ресквид I индуктивно связан с катушкой 4 индуктивности колебательного контура 5, подключенного к

5 входу усилителя 6 высокой частоты, работающего в автогенерационном режиме . На выходе усилителя 6 включен детектор 7. Усилитель 6 и детектор 7 составляют блок 8 высокочастотной

0 накачки. К выходу блока 8 подключены частотомер 9, амплитудный детектор 10 непосредственно и амплитудный детектор 11 через конденсатор 12. Выходы детекторов 10 и 11 соединены с входами аналогового делителя 13, причем детектор 10 подключен к входу 14 (Делимое). На выходе делителя 13 включен показывающий прибор 15. Вольтамперная характеристика кок тура 5, связанного с ресквидом 1, является ступенчатой при параметре g 7 1 Для работы систе1ф ресквид контур выбирается первое плато характеристики, т.е. первый участок характеристики, на котором амплитуда , напряжения на контуре 5 оста ется практически постоянной при изм нении в некоторых пределах амплитуд высокочастотной накачки, поступающего от усилителя 6 высокой частоты, введенного в автогенерацио ный режим. Высота первого плато меняется с частотой джозефсоновской генерации в пределах параллелограм ма, что иллюстрирует механизм ампл тудной модуляции напряжения на контуре 5. Режим работы на первом плато задается коэффициентом ck положительной обратной связи усилителя 6, хар-актеризующим наклон линии обратной связи на вольтамперной характер тике ,() контура 5. Максималь ная амплитуда b напряжения на конту 5 определяется соотношением b - (Фо /2)( I /v) S X Н/), а интервал а, в котором колеблется амплитуда напряжения на контуре 5 под действием джозефсоновской генерации соотношением а-ФоО оЬ /iM, где Щ) - угловая частота высокочаст ной накачки; L, - индуктивность катушки 4 ко лебательного контура 5; М - взаимная индуктивность катушки 4 и ресквида 1. Отсюда отношение Ь/а равно Ъ/а-Гагсеое К и зависит почти линейно от параметра 6 , что дает основания использова отношение Ь/а для определения параметра е . На выходе детектора 7 вьщел ется огибающая амплитудной модуляции напряжения на контуре 5. Этот сигнал подается на детектор 10, который выделяет его амплитуду, пропорциональную Ь, и через конденсато 12 на детектор 11, который выделяет амплитуду сигнала без постоянной составляющей, пропорциональную а/2. Делитель 13 производит дёлейие напряжения, пропорциональное Ь, на напряжение, пропорциональное а/2 Результат деления 2Ь/а индуцируется прибором 15, шкала которого отградуирована в единицах параметра t. Зависимость параметра 6 от отношения Ь/а является линейной за исключением небольшого начального участка. Это обусловливает практически линейную шкалу прибора 15 для значений параметра С 1 ,5. Введение двух амплитудных-детекторов, конденсатора, аналогового делителя и показывающего прибора позволило решить задачу контроля параметра С в процессе эксплуатации устройства для измерения инфранизких напряжений. Предлагаемое устройство также может быть использовано для контроля параметра 6 ресквида в процессе его настройки. Формула изобретения Устройство для измерения инфранизких напряжений, содержащее частично-резистивный сквид, индуктивно связанный с колебательным контуром, подключенным к блоку высокочастотной накачки, включающему в себя последовательно соединенные усилитель выс.о- . кой частоты и детектор, на выходе которого включен частотомер и входные зажимы, подключенные к резистивной части сквида, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности измерения, введены два амплитудных детектора, конденсатор, аналоговый делитель и показывгиощий прибор, вход одного амплитудного детектора соединен с выходом блока высокочастотной накачки, вход другого амплитудного детектора соединен через конденсатор с входом первого амплитудного детектора, а их выходы - с входами аналогового делителя, выход которого подключен к показьшающему прибору, причем выход первого амплитудного детектора подключей к входу Делимое аналогичного делителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Солимер Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение. М. ,Мир, 1974, с. 388. 2.Патент США № 3622881, кл. 324-120, опублик. 23.11.71.