基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究_朱珠
- 格式：pdf
- 大小：1.07 MB
- 文档页数：4
下载文档原格式
合集下载
约瑟夫森效应
约瑟夫森效应（超导隧道效应）1962年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言：当两块超导体（S）之间用很薄的氧化物绝缘层（I）隔开，形成S－I－S结构，将出现量子隧道效应．这种结构称为隧道结，即使在结的两端电压为0时，也可以存在超导电流．这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森效应．1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林·昂尼斯称之为超导态。
卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
这一发现引起了世界范围内的震动。
在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。
导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。
1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。
对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。
迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。
超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。
超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。
利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究_朱珠
表1 交流电压标准特性对照表 波形合成法 约瑟夫森结类型 输出电压（ max） 输出信号 输出频率（ max） 测量不确定度 二进制结 10V 离散信号 2kHz 脉冲调制法 脉冲可编程结 几百毫伏 连续信号 30MHz［3］
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
约瑟夫森效应
5
6
自由电子经由间接的吸引力结合成库珀电子 对，库珀电子对互相也随着晶格振动产生的 正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也 就没有电阻的产生。
7
8
BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即磁通 量子的电荷有效单位是2e而不是e。 由于BCS基态涉及的是库珀电子对，所以磁通 量子化中的电子对电荷2e是BCS理论的一个推论 。
15
图3-3 Sn-SnOx-Sn结构的电流和电压关系
3.3 直流约瑟夫森效应
图3-4 Sn-SnOx-Sn结的约瑟夫森电流和磁场的关系
16
3.3 交流约瑟夫森效应
U i
超导体
i
超导体
薄绝缘势垒
17
3.3 交流约瑟夫森效应
I
V
18
19
The End
19
BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微 观理论，也是目前唯一成功的超导微观理论。 后来，虽然又有了一些形式上的发展和完善， 但基本思想和物理图像则没有更大的改变。
9
3. 约瑟夫森效应
在两片超导中间夹 入一片薄薄的绝缘体， 在没有外加电压的情 况下，仍会有直流电 流通过绝缘体。
如果在超导体两端施上 一固定电压，则居然会出 现交流电流；我们可以从 交流电的频率得到非常准 确的物理常数。
10
3.1 电子隧道效应
在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能 量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。 在量子力学中，一个能量不大的粒子也可能以一定的几率“穿过”势垒，这就 是所谓的隧道效应。 i 绝缘体通常阻挡从一种金属流 向另一种金属的传导电子。如果 阻挡层足够薄，则由于隧道效应 ，电子具有相当大几率穿越绝缘 层。
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究
１ 引 言
处 于超 导状 态 下 的约 瑟 夫森 结 在微 波辐 照 下 ，
随着科 学 技 术 的 日益 发 展 ， 约瑟 夫 森结 阵 的研 究 得 到长足 发展 ， 加工 工艺 也越来 越成 熟 ， 响应 速 其 度 快 ， 阶电压 宽 ， 能稳 定 可 靠 ， 量 子交 流 电压 台 性 为 标 准 的研究 奠 定 了基 础 。 国际上开 始研究 用约 瑟夫 森效 应直 接复 现交 流 电压 ， 建立 量子 交流 电压标 准 ， 现 已取得 了很 大 进 展 。 目前 ， 国正 在 开 展 约森 夫 我
－
３・ ２
宇航 计 测技 术
２ １ 波 形合成 法 ．
利用 波形合 成法 来实 现约瑟 夫森 交流 电压标 准 所使 用 的超导结 为 二 进 制约 瑟 夫 森结 阵 ， 即各 段 结
阵 的单结 数 量 按 二 进 制 的排 列 为 １ ２ ） １ ２ ） ２ （ 。 ， （ 。 ，
（ ，（ ，（ ， ，Ⅳ ２ ） 阵 列 中共 有 ２ ２）４ ２ ）８ ２ ） … ２．（ ，
ＺＨＵ ｕ ＫＡＮＧ ｎ Ｗ ＡＮＧ ＨＵ ．ｅ Ｚｈ Ｙａ Ｌｕ Ｙｉｆｉ
（ ｅ ｉｇＩｓ ｔ ｅｏ ａｉ Ｍｅ ｏ ｇ ｎ ａｕｅ ｅ ｔ Ｂ ｉｎ ００ ９ Ｂ ｒｎ ｔｕ ｆ ｄｏ ｔ ｌ ｙａｄＭｅｓｒｍ ｎ ， ｅ ｉ １０ ３ ） ｎ ｉｔ Ｒ ｒｏ ｊｇ
文章编 号 ：００ ７０ （０ ２ ３ ０ ３ — ４ １０ — ２ ２ ２ １ ）０ — ０ １ ０
中图分类号 ： Ｍ ３ ． １ Ｔ ９ ３ ２
文献标识码 ： Ａ
基 于 约 瑟 夫 森 效 应 的 交 流 电压 标 准 研 究
朱 珠 康 焱 王 路 胡毅 飞
约瑟夫森
两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子 可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时， 两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。 两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森效应主要表现为：
1996年，约瑟夫森还与加州大学女统计学家乌兹（Jessica Utts）教授合写了一篇文章《超自然：证据及其 对意识的含义》，部分发表于《泰晤士报高教增刊》上。乌兹就是那位与海曼一同为中央情报局（CIA）评估美 国星门计划的专家，她本人相信特异功能，而海曼不相信。他们俩人的评估结论也有分歧。约瑟夫森与乌兹合作， 重点在于解决实验数据的统计问题。因为经常有怀疑论者抨击超自然主义者误用统计，而乌兹是应用统计学专家， 她可以把超心理一类实验结果“整理”得很好，作出符合行家水准的统计分析。由此可见，现代灵学、超心理学 越来越精致化，从形式上看，与常规科学几乎无法区分。这也是外行、社会学家认为它们也是科学的一个理由。 当然，还是前面的话，科学与科学也有区别。将外部区别转化为内部区别，并没有真正解决争论。
约瑟夫森
英国物理学家
目录
01 人物生平
02 效应
约瑟夫森(1940～ ）Josephson，Brian David英国物理学家。1940年1月4日生于英国威尔士的加迪夫。中 学毕业后在剑桥三一学院学数学和物理。还是大学生时就从事科学研究，1960年在剑桥大学获学士学位，1964 年获硕士博士学位。1962～1969年任剑桥大学三一学院初级研究员。1965～1966年在美国伊利诺伊大学任研究 助理教授。1967～1972年任剑桥大学研究部副主任。
1996年，约瑟夫森还与加州大学女统计学家乌兹（Jessica Utts）教授合写了一篇文章《超自然：证据及其 对意识的含义》，部分发表于《泰晤士报高教增刊》上。乌兹就是那位与海曼一同为中央情报局（CIA）评估美 国星门计划的专家，她本人相信特异功能，而海曼不相信。他们俩人的评估结论也有分歧。约瑟夫森与乌兹合作， 重点在于解决实验数据的统计问题。因为经常有怀疑论者抨击超自然主义者误用统计，而乌兹是应用统计学专家， 她可以把超心理一类实验结果“整理”得很好，作出符合行家水准的统计分析。由此可见，现代灵学、超心理学 越来越精致化，从形式上看，与常规科学几乎无法区分。这也是外行、社会学家认为它们也是科学的一个理由。 当然，还是前面的话，科学与科学也有区别。将外部区别转化为内部区别，并没有真正解决争论。
约瑟夫森
英国物理学家
目录
01 人物生平
02 效应
约瑟夫森(1940～ ）Josephson，Brian David英国物理学家。1940年1月4日生于英国威尔士的加迪夫。中 学毕业后在剑桥三一学院学数学和物理。还是大学生时就从事科学研究，1960年在剑桥大学获学士学位，1964 年获硕士博士学位。1962～1969年任剑桥大学三一学院初级研究员。1965～1966年在美国伊利诺伊大学任研究 助理教授。1967～1972年任剑桥大学研究部副主任。
交流约瑟夫森电压标准系统的介绍
成器 方 法就 可 以消 除交 流波 形产 生 时寄 生瞬 态 的影 响 。
本文介绍适用于电压校准达到 １ ０ Ｖ， 频率达到 １ 千
赫兹 情 况 的可编 程 约瑟 夫森 电压 标 准系统 。该 系统是 一 个 交流 量子 电压表 ， 通 过零检 测器 配置下 的快速 数字采样
器（ Ｉ Ｏ Ｍ Ｓ ／ ｓ ） ， 在工业校准实验室中对其性能进行现场测试， 被测对象是 目前最先 进 的福 禄克 ５ ７ ０ ０系列校 准器 ， 该校 准 器被广泛用于计量机构 和校准服务 公 司。分析 校准器 电压 的长期稳定度 以及泄漏 电流对不确定度 的影 响。
几 个福禄克 ５ ７ ０ ０ Ａ系列校准器 ， 其电压为 １ ０ Ｖ， 频率是 ｌ ｋ Ｈ ｚ了解 到该 系统在 工业环境 中的性 能和操作 方法。交流电压 标准的测量 不确定度小于 １ Ｘ１ ０ 关键词 ： 福禄克 ５ ７ ０ ０校 准器 ； 可编程约瑟夫森 电压标准
中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ ３ ３ ． ２ 文献标识码 ： Ａ 国家标准学科分类代码 ： ４ ６ ０ ． ４ ０ ３ ０
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ８ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ ４— ６ ９ ４ １ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ４ ． ０ １ ５
Ｔｈ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ＡＣ Ｊ ｏ ｓ ｅ ｐ ｈ ｓ ｏ ｎ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
计量与测试技 术》 ２ ０ １ ６丰 第４ ３ 卷 第４期
交流 约 瑟夫 森 电压 标 准 系统 的介 绍
李 安 香
（ 哈尔滨市计量检定 测试 院 ， 黑龙 江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ３ ６ ）
本文介绍适用于电压校准达到 １ ０ Ｖ， 频率达到 １ 千
赫兹 情 况 的可编 程 约瑟 夫森 电压 标 准系统 。该 系统是 一 个 交流 量子 电压表 ， 通 过零检 测器 配置下 的快速 数字采样
器（ Ｉ Ｏ Ｍ Ｓ ／ ｓ ） ， 在工业校准实验室中对其性能进行现场测试， 被测对象是 目前最先 进 的福 禄克 ５ ７ ０ ０系列校 准器 ， 该校 准 器被广泛用于计量机构 和校准服务 公 司。分析 校准器 电压 的长期稳定度 以及泄漏 电流对不确定度 的影 响。
几 个福禄克 ５ ７ ０ ０ Ａ系列校准器 ， 其电压为 １ ０ Ｖ， 频率是 ｌ ｋ Ｈ ｚ了解 到该 系统在 工业环境 中的性 能和操作 方法。交流电压 标准的测量 不确定度小于 １ Ｘ１ ０ 关键词 ： 福禄克 ５ ７ ０ ０校 准器 ； 可编程约瑟夫森 电压标准
中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ ３ ３ ． ２ 文献标识码 ： Ａ 国家标准学科分类代码 ： ４ ６ ０ ． ４ ０ ３ ０
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ８ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ ４— ６ ９ ４ １ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ４ ． ０ １ ５
Ｔｈ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ＡＣ Ｊ ｏ ｓ ｅ ｐ ｈ ｓ ｏ ｎ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
计量与测试技 术》 ２ ０ １ ６丰 第４ ３ 卷 第４期
交流 约 瑟夫 森 电压 标 准 系统 的介 绍
李 安 香
（ 哈尔滨市计量检定 测试 院 ， 黑龙 江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ３ ６ ）
约瑟夫森效应_实验报告
一、实验目的1. 了解约瑟夫森效应的基本原理。
2. 观察并测量约瑟夫森效应现象。
3. 分析约瑟夫森效应的电流-电压关系。
二、实验原理约瑟夫森效应是指当两个超导体之间被一个极薄的绝缘层隔开时，在超导状态下，电流可以无损耗地通过这个绝缘层。
这一现象是由英国物理学家布赖恩·约瑟夫森在1962年提出的。
约瑟夫森效应是宏观量子效应的一种体现，其基本原理可以由以下方程式描述：\[ I = \frac{2e}{h} \frac{V}{2\pi} \]其中，\( I \) 是流过约瑟夫森结的电流，\( e \) 是电子电荷，\( h \) 是普朗克常数，\( V \) 是约瑟夫森结两端的电压差。
三、实验仪器与材料1. 约瑟夫森结2. 电流计3. 电压源4. 数字示波器5. 低温设备6. 超导材料7. 绝缘层四、实验步骤1. 准备实验装置，包括搭建低温环境，确保约瑟夫森结处于超导状态。
2. 使用电压源对约瑟夫森结施加直流电压，调整电压大小，观察电流计的读数。
3. 利用数字示波器记录不同电压下的电流波形。
4. 改变电压源，重复步骤2和3，得到一系列的电流-电压数据。
5. 分析数据，绘制电流-电压曲线，并拟合出约瑟夫森效应的电流-电压关系。
五、实验结果与分析1. 实验中观察到，当电压低于某一临界值时，电流几乎为零；当电压超过临界值时，电流随电压的增大而线性增加。
2. 根据实验数据，绘制了电流-电压曲线，并与理论公式进行了比较。
结果显示，实验结果与理论预测吻合较好。
3. 通过拟合电流-电压曲线，得到了约瑟夫森效应的临界电流值和比例常数。
六、实验结论1. 通过实验验证了约瑟夫森效应的存在，并观察到了其电流-电压关系。
2. 实验结果与理论预测相符，进一步证实了约瑟夫森效应的宏观量子特性。
3. 约瑟夫森效应在量子技术、超导电子学等领域具有广泛的应用前景。
七、实验讨论1. 实验过程中，低温设备的稳定性对实验结果有较大影响。
探索超导材料的约瑟夫森结超导电流传输演示实验
探索超导材料的约瑟夫森结超导电流传输演示实验引言：超导材料是具有零电阻和完全反射磁场的特性的独特材料。
约瑟夫森结是一种超导电流传输的重要现象，通过这个实验我们可以深入探索超导材料的特性和其中的复杂机制。
一、约瑟夫森结的理论基础定律：约瑟夫森效应约瑟夫森效应是指在两个超导体之间存在一薄层绝缘体时，可以观察到超导电流的传输现象。
约瑟夫森结的关键在于电子对的传输和相干性。
1.约瑟夫森结的实验装置准备（1）两个超导体片（可用铝或铅制成），尺寸适中，厚度一般为几百纳米。
（2）银膏，用于电容连接。
（3）金属导线和电阻。
（4）绝缘体衬底，用于支撑和隔离超导体片。
2.约瑟夫森结的实验过程（1）将两个超导体片通过银膏电容连接起来，使其相互绝缘。
（2）在超导体片的表面焊接金属导线，并接上电阻，形成电路。
（3）将整个实验装置放置于低温环境中，以保持超导体处于超导态。
（4）通过电压源向电路提供电流，观察约瑟夫森结的超导电流传输现象。
二、约瑟夫森结的应用1.超导传感器约瑟夫森结可用于制造高灵敏度的超导传感器，如超导量子干涉器（SQUID）。
SQUID利用约瑟夫森结中电流和磁通之间的关系，可测量极小的磁场变化，应用于磁共振成像、非破坏性检测等领域。
2.超导电子器件约瑟夫森结是超导电子器件中重要的组成部分，如超导量子比特（Qubit）。
通过利用约瑟夫森结中的超导电流传输特性，可以实现超导电子器件的精确控制以及量子计算等应用。
3.超导电能传输约瑟夫森结中的超导电流传输现象为超导电能传输提供了理论基础。
超导电能传输是一种高效的电能传输方式，可以实现远距离的高容量输电，减少能源损耗和环境污染。
三、其他专业性角度的探讨1.超导材料的选择约瑟夫森结的实验需要选择合适的超导材料，如铝或铅。
这些材料具有较高的临界温度和较长的超导电流传输长度，适用于实验的要求。
2.温度控制与液氮使用约瑟夫森结实验需要低温环境，通常使用液氮冷却系统进行温度控制。
超导量子干涉器无损检测理论与仿真
2012年第30期(总第45期)科技视界Science &Technology VisionSCIENCE &TECHNOLOGY VISION科技视界0引言超导量子干涉器(SQUID)作为当今最灵敏的探测器之一,在很多领域得到了充分的应用。
SQUID 是基于约瑟夫森效应和磁通量子化效应基础上发展起来的超导量子干涉器件。
探伤基理主要是通过材料的磁性反常来探测缺陷。
如果导体中存在裂缝,电流(或涡流)在导体中流动时会绕过缺陷而重新分布。
通过SQUID 检测该电流产生的磁场就可以得到缺陷的相关信息。
1SQUID 检测原理直流超导量子干涉器的结构如图1所示:将2个约瑟夫森结并联在一起构成超导环路,就构成了SQUID 这种超导微电子器件。
在双结SQUID 中,两个超导路径未被短路,器件偏置电流略大于临界电流Ic。
可测量两端电压,观测直流I-V 特性,在解释有关SQUID 的工作原理时,主要的依据为超导环路中包含的总磁通量必须满足磁通量子化条件,不满足时将进行相关的补偿以达到该条件,即Φ=n Φ0(总磁通量为磁通量子的整数倍,其中Φ为磁通量子)。
(1)图1根据约瑟夫森方程,流经两结的结电流分别为:I 1=I c sin ø1 (2)I 2=I c sin ø2……(3)其中ø1,ø2分别为结的宏观量子相位差,I c 为临界电流。
在得到结1与结2的电流后,流过超导环的总电流I 为:I =I 1+I 2=I c sin φ1+I c sin φ2=2I c sin(φ1+φ2-φ12)cos(φ2-φ12) (9)由于相位差可以表示为Δφ=2e ћVt ,电压与时间的乘积可表示为磁通量Φ,于是可以得到Δφ=2e ћΦ因为有ћ=h 2πΦ0=h 2e 可得Δφ2=φ2-φ12=2eπh ø=πøø0 (10)将(10)代入(9)中可得总电流表达式为:I =2I c sin(φ1+πΦΦ0)cos(πΦΦ0)……(11)当sin(φ1+πΦΦ0)=1时,超导环中有最大电流:I max =2I c cos(πΦΦ0) (12)Φ=Φ外+Φ环=Φ外+Φ环 (13)环路电流定义为:I 环=12(I 1-I 2) (14)在前文中说过在解释有关SQUID 的工作原理时,主要的依据为超导环路中包含的总磁通量必须满足磁通量子化条件,下面我们分两种情况来讨论,即外加磁通量满足或者不满足磁通量子的整数倍。
约瑟夫森效应的原理与应用
约瑟夫森效应的原理与应用约瑟夫森效应是电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10 ）时发生的量子力学隧道效应。
1962年,英国牛津大学研究生B.D.约瑟夫森首先从理论上对超导电子对的隧道效应作了预言，不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实。
十多年来，它已在超导电性的研究领域内逐渐发展成为一个新的重要分支──约瑟夫森效应和超导结电子学。
直流约瑟夫森效应当直流电流通过超导隧道结时，只要电流值低于某一临界电流I c，则与一块超导体相似，结上不存在任何电压，即流过结的是超导电流。
但一旦超过临界电流值，结上即出现一个有限的电压，结的性状过渡到正常电子的隧道特性。
图1给出了典型的I-V特性曲线。
这种超导隧道结能够承载直流超导电流的现象，称为直流约瑟夫森效应。
对于典型的结，临界电流一般在几十微安到几十毫安之间。
图1 Sn-SnO x-Sn结构的电流和电压关系超导隧道结的临界电流对于外加磁场十分敏感。
I c不是外加磁场的单调函数，而是随着外磁场的增高，呈现如图2所示的周期性变化，类似于光学中的夫琅和费衍射图样。
相邻两最小值之间的磁场间隔H0与结面积的乘积正好等于一个磁通量子，即φ0= h/2e = 2.07×10－15韦伯。
图2 Sn-SnO x-Sn结的约瑟夫森电流和磁场的关系交流约瑟夫森效应如果在超导结的结区两端加上一直流电压V（当然，这时电流大于临界电流）,在结区就出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压成正比，有如下关系式hω /2π = 2e/V 或 ν ＝ (2e/h)V比例常数2e/h=483.6×106 Hz/μV。
这时，结区以同样的频率（若所加电压是几微伏，则在微波区域；若为几毫伏，则在远红外波段）向外辐射电磁波。
超导隧道结这种能在直流电压作用下，产生超导交流电流，从而能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫森效应。
如果用频率为□的微波辐照约瑟夫森结,当结的约瑟夫森频率ν等于ν~的n次倍频，即nν~＝2eV n/h (n＝0,1,2,…)时,外加微波和结辐射的电磁波发生共振，则在I-V特性上可以测到恒压电流,随着n=0,1,2,…, 在I-V特性上出现阶梯效应，如图3所示。
约瑟夫森结在射频辐照下的亚谐波台阶仿真研究
参数和外加辐照频率来研究了亚谐波 的产生及它与混
１ 引言
凝聚态物理 和非线性科 学 中广泛 存在一种 “ 魔
梯” 象， 现 它是 由于锁模 而 出现 的完 整 台 阶序 列 ， 混 与 沌、 岔、 分 准周 期现象 结 合 ， 同构 成 了对非 线 性 耗散 共 性动 力系统 特性 的研究 。约 瑟夫森 结在 微波辐 照 下 的
ＨｕＹ ｔ ｇ Ｚ ｏ ｉ ｅ Ｚ ｏＴ ｏ Ｇ ｉｇ ａｇＬｎ ， ｈｏＸｎｉ， ａ ｈｏ ｎ ａ ｎ ， ｈｕＴｅ ， ｕ ａ ， ｕＪ ，Ｆｎ ａ ｇ Ｚ ａ ｉｊ Ｙ Ｓ ａ￣ ｉ ｇ ｎ ｅ ｎ
（ ｏ ｅｅｏ ｆ ｍａｏ ｅｈ ｉ ｌ ｃ ｎｅ ａｋ ｉ ｎｖｒｔ， ｉ ｊ ００ １ ｈｎ ） Ｃ ｌｇ ｆｎｏ ｔ ｎＴ ｃｎｃ ｉ ｃ ，Ｎ ｎ ａ Ｕ ｉｅ ｉ Ｔａ ｉ ３０ ７ ，Ｃ ｉａ ｌ Ｉ ｒ ｉ ａＳ ｅ ｓｙ ｎｎ
维普资讯
低 温 与 超 导
本期 头条
Ｆ ｃｓ ｏｕ
Ｃ ｙ ． Ｓ ｐ ｒ ｏ ｄ ｒｏ ＆ ｕ ｅｃｎ ．
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ４ １３ ．
第３ ５卷
第 ４期
约 瑟夫 森 结在 射 频 辐 照 下 的亚 谐 波 台 阶仿 真研 究
胡雅婷 ， 周铁戈 ， 左涛 ， 顾静 ， 方兰 ， 新杰 ， 赵 阎少林
方 法和 结果 。
Ｉ Ｖ特性曲线上也会出现“ — 魔梯” 现象 ， 即所谓的 Ｓ ａ ｈ— ｐｏ ｉ 台阶。它是 由于频率竞争 出现锁频现象 而引起 ｒ
的。约瑟夫 森结 在偏 置直 流 电压 作 用 下 ， 生 高频 产
交变超导电流 ， 其频率为 ∞ 。用频率为 ∞ 的微波辐 。 照该约瑟夫森结 ， 微波 ∞ 与交变电流 ∞ 相互竞争调 。 制， Ｉ 在 —Ｖ曲线 中形成 锁 频 台 阶。 当 ∞ ＝砌 。时 ， 即 在 电压 等于 ｎ＇ 。２ 时 ， ｈｌ ／ ｅ 出现直 流 分 量 ， ｒ ｗ 电流 台 阶高 度为 ，＝ Ｉ （ｅ １＇ 。 Ｉ ＾ ２ ＿ ２ Ｖ ｒ ） 。当约瑟夫森结 的超 导 ， ／ｌ ｗ
超导约瑟夫森结在频谱信息检测中的应用
（ ｅｅｒｈＩｓ ｔ ｅｏ Ｓ ｐｒ ｎ ｕｔ ｌ ｔ ｎｃ， ａｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ， ａｊ ｇ １０ ３ Ｃ ｎ ） Ｒ ｓａ ｔｕ ｆ ｕｅｃ ｄ ｃ ｒ ｅ ｒ ｉｓ Ｎ ｎｉ ｎｖｒｔ Ｎ ｎ ｎ ０ ９ ， ｈ ａ ｃ ｎ ｉｔ ｏ ｏＥ ｃｏ ｎ ｓｙ ｉ ２ ｉ
统 的基础 上 ， 利用 小 型 制 冷机 得 到液 氮 温 区 ， 采 并
—
进行逆 Ｈｌ ｒ变换即可得 到信号 的频谱 ｓ 。利用 ｉｅ ｂｔ （
这个原理 搭建 的微 弱 电磁 辐射探测 设备不 需要另 外 的
叶苏俐 ， 许伟伟 ， 陈健 ， 张彩虹， 康琳 ， 吴培 亨
（ 南京大学超导 电子研究所 ， 南京 ２ ０９ ） １０ ３ 摘要 ： 开展了利用超导约瑟 夫森效应进行频谱检测 的研 究。利用小型 制冷机得 到液氮 温区环境 ， 并使探测 系统 小型化 、 智能化。利用 Ｄ Ｐ系统进行 数据采集 、 号处理及对整个 测量 系统 的控制。改进后 的系统检测 了约 １０ Ｈ 微 波辐照 的响 Ｓ 信 ０Ｇ ｚ 应， 展示 了超导约瑟 夫森结在频谱信息检测 中的优越性。 关键词 ：Ｈ ； Ｓ ；／ 超导约瑟夫森结 Ｔ ｚＤ Ｐ Ｄ Ａ； ．
Ａ ｓｒ ｃ ： ｅｅｒｈｏ ｅｓｅ ｔ ｌ ｎｏｍ ｔ ｎ ｄ ｔ ｔ ｎＷ ｓｄ ｎ ｉ ｏｅ ｈ ｏ ｎ ｔ ｎ ａ ａｋ ｒｅ ｄ ｖ ｅ ｍ ｌ—ｓ ｅ ｃ ｏ ｏｌ ｂｔ ａ ｔ Ｒ ｓａｃ ｎｔ ｃ ａ ｉ ｒ ａ ｏ ｅ ｃ ｏ ａ ｏ ｅｗ ｔ Ｊｓｐ ｓ ｎｊ ｃ ｏ ｓ ｅ ｌ ｅｉ ．Ｓ ａ ｈ ｐ ｒ ｆ ｉ ｅｉ ｈ ｕ ｉ ｎ ｃ ｌ ｉ ｒ ｃ ｏｅ ｚ ｙ ｒ
Ｋ ｙ ｒ ｓ Ｔ ｚ Ｄ Ｐ Ｄ Ａ， ｓｐ ｓ ｃ ｏ ｅ ｗｏ ｄ ： Ｈ ， Ｓ ， ／ Ｊ ｅ ｈ ｏ ｊ ｔ ｎ ｏ ｎ ｕ ｉ ｎ
约瑟夫森结的研究进展
Science &Technology Vision科技视界※基金项目:国家自然科学基金(11104217);陕西省教育厅自然科学专项研究计划项目(11JK0555);西安邮电大学中青年基金(No.0001295,No.0001287)。
作者简介:田静(1981—),女,博士,讲师,主要从事非线性动力学和复杂性科学的研究。
0引言约瑟夫森效应是在1962年由B.D.Josephson 首先提出并以他的名字命名的[1]。
它是超导电子对从一个超导体穿过一层绝缘体进入另一超导体的隧道贯穿现象。
安德森(P.W.Anderson)和罗韦尔(J.M.Rowell)等人从实验上观察到这一现象,证实了约瑟夫森的预言[2]。
两块超导体之间通过一绝缘薄层连接起来的组合称为SIS,超导隧道结或约瑟夫森结如图1所示。
这层绝缘体对电子来说就是一个势垒,对于低温超导材料来说大概是零点几埃[3]。
这样一种连接称为弱连接。
自约瑟夫森从理论上预言了弱连接超导电性新效应以来,世界各地的研究者对约瑟夫森效应进行了详细的研究。
图1约瑟夫森结的结构示意图约瑟夫森结因具有丰富的特性(量子干涉,特殊的伏安特性,高度的非线性)得到高度的关注。
约瑟夫森结的发展十分迅速,取得了重要的研究进展。
成为超导电子器件的重要组件。
约瑟夫森效应无论在理论研究还是实际应用上都具有重要的意义。
本文将介绍约瑟夫森结的基本概念,理论以及主要应用的研究进展情况。
并将对约瑟夫森结未来研究方向及发展趋势进行分析。
1约瑟夫森效应1962年,约瑟夫森从理论上预言了超导电子对非线性量子隧道效应后,又于1964年和1965年归纳出了著名的约瑟夫森方程组[4]。
支配约瑟夫森效应动力学的基本方程U (t )=ћ2e ∂ψ(t )∂t I (t )=I c sin(ψ(t ))其中U (t )和I (t )分别为约瑟夫森结两端电压和流经约瑟夫森结的电流,2e 表示载流子是由两电子组成的库珀对,ћ是普朗克常量除以2π,ψ(t )为势垒两侧超导体中宏观量子波函数的相位差,I c 是常数,称为约瑟夫森结的临界流。
可编程约瑟夫森量子电压基准研究
量子电压精度的重要指标，士ｌＨｚ频率锁定技术为保证 量子电压的复现精度达到ｌ×ｌＯ叫１量级奠定了基础。 （２）自主制作的低温波导杆，微波能量损耗ｌｄＢ／ｍ， 保证了结阵器件对微波功率的需求。 （３）设计制作任意波形合成器，其中的关键设备“多 通路高速电流源驱动电路”为课题组自主研制，可以真正 合成幅值连续可调的方波、三角波、锯齿波等各种周期函 数。大大拓展了动态合成信号的应用领域，属于自主创新 技术。我们的创新工作还体现在如下优点：合成信号的幅 值可连续调节、操作简单、软件编程方便、造价低廉。
的交流量子电压，技术指标进入该研究领域的先进行列，
２关键技术及创新点
（１）用自主研制的微波源与反馈驱动电路组建微波 锁相环路，成功将微波频率锁定在±ＩＨｚ以内。目前，
美国国家标准技术研究院（ＮＩＳＴ）、德国联邦物理技术
研究院（ＰＴＢ）所达到的锁定水平也是士ｌＨｚ。
微波频率的锁定范围是评定约瑟夫森电压基准复现
l取得的科研成果课题完成了可编程约瑟夫森量子电压基准的建立工作并超额完成课题任务书中规定的2项重要技术指标1伏直流电压量值传递的不确定度达到1910优于课题原定指标510一动态信号的合成取得突破性进展在国内率先合成峰值lv60hz正弦信号复现不确定度达到31106优于课题预定5106的技术指标与国家交直流转换标准的间接比对在2v以内
提高了国际话语权。
ｌ取得的科研成果
课题完成了可编程约瑟夫森量子电压基准的建立工
作，并超额完成课题任务书中规定的２项重要技术指标 １伏直流电压量值传递的不确定度达到１．９×１０～，优于 课题原定指标５×１０一％动态信号的合成取得突破性进展，
在国内率先合成峰值ｌＶ、６０Ｈｚ正弦信号，复现不确定
质量单位千克是７个国际单位制基本单位之一，也 是用实物复现的基本单位，目前各国科学家正围绕着实现 质量自然基准开展大量研究工作，建立质量自然基准势在
量子化电学标准综述
0 前言随着量子理论的发展与完善，电学测量技术不断进步，计量科学已经转向使用新兴的量子标准代替传统的实物标准。
在电学领域，电流单位安培（A）是国际单位制基本单位。
但由于量子化电流标准难以实现与量子化电压、电阻标准同样的不确定度，现在最基本的量子化电学标准仍是基于约瑟夫森效应的电压标准与基于量子霍尔效应的电阻标准，其他电磁计量标准的量值均可以由这两项基本标准导出，这里将其原理与现状分别作如下介绍。
1 约瑟夫森效应1962年，英国物理学家约瑟夫森从理论上预言了超导隧道效应，经实验证实后被命名为约瑟夫森效应。
产生约瑟夫森效应需要约瑟夫森结，其为两块超导体中间间隔绝缘体的结构。
若中间的绝缘体厚度很小时，有电子可以穿过绝缘层势垒，即实现了库珀电子对的隧穿。
当通过约瑟夫森结的直流电流小于其临界电流时，结两端的电压为零，有与超导体类似的特性，该现象就是直流约瑟夫森效应。
当通过约瑟夫森结的直流电流超过其临界电流时，结两端会产生直流电压。
此时结区还会出现交变电流，向外辐射电磁波，且频率与直流电压成正比。
之所以会出现辐射电磁波的现象，是因为当结两端存在直流电压时，两侧的库珀电子对有2eV 的能量差。
依照能量守恒定律，当库珀电子对从结的一侧隧穿到另一侧时，减少的能量需以光子的形式辐射出来。
上述约瑟夫森结产生交变电流并辐射电磁波的特性便是交流约瑟夫森效应。
此时，若以一定频率的微波照射约瑟夫森结，当约瑟夫森结辐射电磁波频率是入射微波频率的整数倍时，会出现不同的电压台阶，其安伏曲线如图1所示，电压台阶的电压V=nhf/2e。
其中，n 为辐射电磁波频率是入射微波频率的倍数，正负由直流电流方向决定；h 为普朗克常数；f 为入射微波频率；e 为电子电荷。
这样，电压台阶便将直流电压与电磁波的频率联系起来，并且只与自然常数有关。
约瑟夫森结又分为回滞结和非回滞结。
非回滞结正向增大直流电流与反向减小直流电流的安伏曲线相同。
回滞结则具有回滞性，在结电容小时，其正向增大直流电流与反向减小直流电流具有不同的安伏曲线，但电压台阶高度与临界电流宽度相同；结电容大时，回滞结会出现零电流交叉的安伏特性，即直流电流小于临界电流时单个约瑟夫森结出现多个高度不同的电压台阶，若稳定在某一个台阶上，该状态将维持，除非有微波照射结束、电流超过临界电流或外界扰动等情况出现。
交流量子电压标准研究综述
交流量子电压标准研究综述
周琨荔;屈继峰;张钟华;赵伟
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2017(038)004
【摘要】相比于传统的实物电压标准,基于约瑟夫森效应建立的交流量子电压标准,具有复现性好、稳定性高和不确定度低等优点.从物理原理、存在问题以及应用价值等角度出发,梳理、归纳先后发展起来的可编程约瑟夫森电压标准和脉冲驱动的交流约瑟夫森电压标准,并比较这两种量子电压标准的计量性能,介绍我国构建交流量子电压标准的现状及进展.
【总页数】6页(P486-491)
【作者】周琨荔;屈继峰;张钟华;赵伟
【作者单位】清华大学电机系, 北京 100084; 中国计量科学研究院, 北京 100029;中国计量科学研究院, 北京 100029;中国计量科学研究院, 北京 100029;清华大学电机系, 北京 100084
【正文语种】中文
【中图分类】TB971
【相关文献】
1.基于量子技术的交流电压幅值测量准确度研究 [J], 贾正森;王磊;刘志尧;彭小娟;陆祖良
2.交流1000V级电压的国际标准与我国的标准电压 [J], 黄顺礼
3.基于约瑟夫森量子电压的交流功率测量系统及方法研究 [J], 贾正森; 王磊; 徐熙彤; 周天地; 潘仙林; 石照民; 张江涛
4.1V脉冲驱动型交流量子电压源研究 [J], 周琨荔;韩琪娜;赵建亭;鲁云峰;施杨;杨雁;屈继峰
5.一种记录交流约瑟夫逊效应电压台阶的方法及其在电压标准中的应用 [J], 周庚如;唐健康;赵桂芬
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
【实用】超导材料的约瑟夫森和超导应用PPT资料
当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结) 的电流--电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正 比于电压，如图所示：
贾埃弗(I. Giaever)发现，如果金属中的一个变 为超导体时，电流--电压的特性曲线会变化如下：
2 、 约瑟夫逊隧道电流效应
上面所述的NIS结和SIS结，其隧道电流都 是正常电子穿越势垒。
在超导状态下，由于晶格振动，自由 电子通过时造成原子的偏离而产生另 一电子的吸引作用
两个电子相互吸引形成库伯电子对
自由电子经由间接的吸引力结合成库伯电子对， 库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电 荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电 阻的产生
④ 相干长度
皮帕德(A.B. Pippard)证明，当一个电子 从金属的正常区移动到超导区时，其波函数 不能从它的正常态值突然转变为超导态值， 这种转变只能发生在一个距离上， 被称为 相干长度。
伦敦第二方程：
m /nse2Js B
结合麦克斯韦方程，可以说明超导体 表面的磁感应强度B以指数衰减为零
J （ sx ） (B / 0)e x/Y 称为磁场
穿透深度。
微观机制
同位素效应：
随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。对 实验数据处理后得到原于质量M和临界温度Tc 的简单关系： Tc= 1/M
第三节：约瑟夫森效应－－超 导量子隧穿效应
1973年诺贝尔物理学奖一半授予 纽约州的：约克城高 地(Yorktown Heights) IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈 (Leo Esaki)， 纽约州斯琴奈克塔迪(Schenectady)通 用电器公司的贾埃弗(Ivar Giaever)，以表彰他们分别 在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；
简单的说，在低温（绝对零度）时的正常自由 电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态 全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费 米面上一对电子形成库伯电子对并降低总能量， 那么将有更多的费米面一下的电子到费米面上 去形成库伯对，以降低总能量，这个过程直到 平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部 凝聚成库伯对。大量库伯对电子对出现就是超 导态的形成。超导态中电子凝聚成库伯对就使 他比正常态更有序。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
N N
Vi — — — 输出的量子电压值， — — 输出量 单位为 V； Δt— — — 交流电压的周 子电压的时间间隔， 单位为 s； T— — —一个周期内输出的量子电压台 期， 单位为 s； N — 阶个数。 其中， 输出的量子电压值为 V i = （ A0 2 0 + A1 2 1 + A2 2 2 + … + A N － 1 2 N － 1 ） f / K J （ 3） A1 ， A2 ， …， AN － 1 — — —约瑟夫森结选择信号， 式中： A0 ， 0 或 + 1 来选取不同数量的 通过对其分别设定 － 1 ， 得到所需的电压量值 结输出量子电压， 2． 2 脉冲调制法 脉冲驱动型约瑟夫森 D / A 转换器由沿宽带传 输线的 N 个约瑟夫森结阵组成， 如图 4 所示。
通过控制偏置电流源可以使输入结阵中各段结 0 或者 + I S ， 即可得到从 － 2 f / K J 的偏置电流为 － I S ， ～ 2 f / K J 的直流电压值， 其步进值为 f / K J 。 按一定程序使用偏置电流源对约瑟夫森结阵进 行快速扫描就可以合成在时间上连续、 幅值上离散 32 个采样点合成 60Hz 及 265 个 的交流电压波形， 采样点合成 400Hz 正弦波形图分别如图 2 和图 3 所 示。
－9 ［ 3 ］
。
当结阵两端的驱动信号频率为 f 时， 结阵所产
— —输出量子交流电压的均值， 式中： V — 单位为 V； n — — —量子电压台阶数， 0 或 + 1 ； N— — —约瑟夫 取 － 1， 森结阵中的单结数量。 综上所述， 波形合成法是通过改变约瑟夫森结 的数量来实现波形的合成， 输出的信号为离散的合 适用于建立低频电压标准， 而脉冲调制法是 成波形， 通过改变驱动脉冲序列来得到所需的波形 ， 输出的 信号为平滑的模拟信号波形， 适用于建立高频电压 标准。
－9
量级， 在评
价交流电压不确定度时可以忽略不计 。
· 34·
宇航计测技术
参考文献 ［ 1］ 高原． 量子电压基准［ J］ ． 物理通报， 2002．
2012 年
4
两种方法的性能比较
国内外计量机构对波形合成法及脉冲调制法产
目 生约瑟夫森交流电压标准均进行了长期的研究 ， 前采用两种方法产生交流电压标准所达到的技术性 能见表 1 。
表1 交流电压标准特性对照表 波形合成法 约瑟夫森结类型 输出电压（ max） 输出信号 输出频率（ max） 测量不确定度 二进制结 10V 离散信号 2kHz 脉冲调制法 脉冲可编程结 几百毫伏 连续信号 30MHz［3］
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
［2 ］
。
图2
32 个采样点合成 60Hz 正弦波形图
由于合成的正弦波是一个离散的波形， 每一部 分为一段约瑟夫森直流电压。合成正弦波的有效值 可以按式（ 2 ） 来确定
图4
约瑟夫森脉冲调制器结构图
当脉冲信号沿着该传输线传播， 就会产生与脉
N
V =
[
| ∑ i =1
Vi | 2 Δt T
]
1 /2
冲信号通过的结数成正比的时域面积积分 n / K J 的 （ 2） 当频率为 f 的脉冲串沿传输线传 电压脉冲。 因此， 播时， 在阵列两端产生均值为 nf / K J 的电压。 通过 一个数字信号发生器来控制输入脉冲串就可以得到
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究
朱 珠 康 焱 王 路 胡毅飞
（ 北京无线电计量测试研究所， 北京 100039 ） 摘 要
叙述了基于约瑟夫森效应的交流电压标准的原理 、 实现方法以及主要不确定度来源， 并对波形合
脉 成法和脉冲调制法两种实现方法所得到的交流电压标准性能进行比较 。波形合成法适用于建立低频计量标准， 冲调制法适用于高频计量标准 。
2012 年 6 月 第 32 卷 第 3 ． 21
Jun． ， 2012 文献标识码： A
文章编号： 1000 － 7202 （ 2012 ） 03 － 0031 － 04
Journal of Astronautic Metrology and Measurement Vol． 32 ， No． 3
Abstract
This paper describes the principle，realization methods of AC voltage standard based on
Josephson effect and sources of uncertainty． The performance of AC voltage standard using the methods of synthesis waveforms and pulsedriven is compared． The AC voltage standard using the methods of synthesis waveforms is applicable to establish lowfrequency metrology standard and using the methods of pulse － driven is applicable to establish highfrequency metrology standard． Key words Josephson effect AC voltage standard Synthesis waveforms Pulsedriven
关键词
约瑟夫森效应
交流电压标准
波形合成
脉冲驱动
Research on AC Voltage Standard Based on Josephson Effect
ZHU Zhu KANG Yan WANG Lu HU Yifei
（ Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 100039 ）
0 1 （ 20 ） ， 2 阵的单结数量按二进制的排列为 1 （ 2 ） ， N （ 21 ） ， 4（ 22 ） ， 8（ 23 ） ， …， 2N － 1 （ 2N － 1 ） ， 阵列中共有 2
个单结， 结构图如图 1 所示。
图1
二进制约瑟夫森结阵结构图
图3
256 个采样点合成 400Hz 正弦波形图
［3 ］
约为 150 μV， 因此周期内抽样点数一般不超过 4 × V / 150 μV ， 其中 V 为输出电压的幅值。 另外， 周期 内抽样点数的选择还要取决于合成波形的频率以及 结阵交流响应的固有特性等。 4 ） 合成波形的频率 合成波形的频率决定了各个离散的直流电压 电压台阶 台阶的持续时间 。 合成波形的频率越高 ， 的持续时间就越短 ， 电压台阶的上升段在该台阶上 所占的比 重 就 越 大 ， 引入的测量不确定度也就越 大 。 这也是采用波形合成法来实现约瑟夫森交流 只能在低频下保持较小测量不确定度 电压标准时 ， 的原因 。 3． 2 脉冲调制法的测量不确定度来源 采用脉冲调制法产生约瑟夫森交流电压标准的 主要测量不确定度来源以下 4 个方面。 1 ） 约瑟夫森结的量子电压不准确 约瑟夫森结所产生的量子电压的不准确带来的 它所引入的不确定度在 10 量级 测量不确定度， 2 ） 约瑟夫森结的自感
Vi — — — 输出的量子电压值， — — 输出量 单位为 V； Δt— — — 交流电压的周 子电压的时间间隔， 单位为 s； T— — —一个周期内输出的量子电压台 期， 单位为 s； N — 阶个数。 其中， 输出的量子电压值为 V i = （ A0 2 0 + A1 2 1 + A2 2 2 + … + A N － 1 2 N － 1 ） f / K J （ 3） A1 ， A2 ， …， AN － 1 — — —约瑟夫森结选择信号， 式中： A0 ， 0 或 + 1 来选取不同数量的 通过对其分别设定 － 1 ， 得到所需的电压量值 结输出量子电压， 2． 2 脉冲调制法 脉冲驱动型约瑟夫森 D / A 转换器由沿宽带传 输线的 N 个约瑟夫森结阵组成， 如图 4 所示。
通过控制偏置电流源可以使输入结阵中各段结 0 或者 + I S ， 即可得到从 － 2 f / K J 的偏置电流为 － I S ， ～ 2 f / K J 的直流电压值， 其步进值为 f / K J 。 按一定程序使用偏置电流源对约瑟夫森结阵进 行快速扫描就可以合成在时间上连续、 幅值上离散 32 个采样点合成 60Hz 及 265 个 的交流电压波形， 采样点合成 400Hz 正弦波形图分别如图 2 和图 3 所 示。
－9 ［ 3 ］
。
当结阵两端的驱动信号频率为 f 时， 结阵所产
— —输出量子交流电压的均值， 式中： V — 单位为 V； n — — —量子电压台阶数， 0 或 + 1 ； N— — —约瑟夫 取 － 1， 森结阵中的单结数量。 综上所述， 波形合成法是通过改变约瑟夫森结 的数量来实现波形的合成， 输出的信号为离散的合 适用于建立低频电压标准， 而脉冲调制法是 成波形， 通过改变驱动脉冲序列来得到所需的波形 ， 输出的 信号为平滑的模拟信号波形， 适用于建立高频电压 标准。
－9
量级， 在评
价交流电压不确定度时可以忽略不计 。
· 34·
宇航计测技术
参考文献 ［ 1］ 高原． 量子电压基准［ J］ ． 物理通报， 2002．
2012 年
4
两种方法的性能比较
国内外计量机构对波形合成法及脉冲调制法产
目 生约瑟夫森交流电压标准均进行了长期的研究 ， 前采用两种方法产生交流电压标准所达到的技术性 能见表 1 。
表1 交流电压标准特性对照表 波形合成法 约瑟夫森结类型 输出电压（ max） 输出信号 输出频率（ max） 测量不确定度 二进制结 10V 离散信号 2kHz 脉冲调制法 脉冲可编程结 几百毫伏 连续信号 30MHz［3］
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
［2 ］
。
图2
32 个采样点合成 60Hz 正弦波形图
由于合成的正弦波是一个离散的波形， 每一部 分为一段约瑟夫森直流电压。合成正弦波的有效值 可以按式（ 2 ） 来确定
图4
约瑟夫森脉冲调制器结构图
当脉冲信号沿着该传输线传播， 就会产生与脉
N
V =
[
| ∑ i =1
Vi | 2 Δt T
]
1 /2
冲信号通过的结数成正比的时域面积积分 n / K J 的 （ 2） 当频率为 f 的脉冲串沿传输线传 电压脉冲。 因此， 播时， 在阵列两端产生均值为 nf / K J 的电压。 通过 一个数字信号发生器来控制输入脉冲串就可以得到
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究
朱 珠 康 焱 王 路 胡毅飞
（ 北京无线电计量测试研究所， 北京 100039 ） 摘 要
叙述了基于约瑟夫森效应的交流电压标准的原理 、 实现方法以及主要不确定度来源， 并对波形合
脉 成法和脉冲调制法两种实现方法所得到的交流电压标准性能进行比较 。波形合成法适用于建立低频计量标准， 冲调制法适用于高频计量标准 。
2012 年 6 月 第 32 卷 第 3 ． 21
Jun． ， 2012 文献标识码： A
文章编号： 1000 － 7202 （ 2012 ） 03 － 0031 － 04
Journal of Astronautic Metrology and Measurement Vol． 32 ， No． 3
Abstract
This paper describes the principle，realization methods of AC voltage standard based on
Josephson effect and sources of uncertainty． The performance of AC voltage standard using the methods of synthesis waveforms and pulsedriven is compared． The AC voltage standard using the methods of synthesis waveforms is applicable to establish lowfrequency metrology standard and using the methods of pulse － driven is applicable to establish highfrequency metrology standard． Key words Josephson effect AC voltage standard Synthesis waveforms Pulsedriven
关键词
约瑟夫森效应
交流电压标准
波形合成
脉冲驱动
Research on AC Voltage Standard Based on Josephson Effect
ZHU Zhu KANG Yan WANG Lu HU Yifei
（ Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 100039 ）
0 1 （ 20 ） ， 2 阵的单结数量按二进制的排列为 1 （ 2 ） ， N （ 21 ） ， 4（ 22 ） ， 8（ 23 ） ， …， 2N － 1 （ 2N － 1 ） ， 阵列中共有 2
个单结， 结构图如图 1 所示。
图1
二进制约瑟夫森结阵结构图
图3
256 个采样点合成 400Hz 正弦波形图
［3 ］
约为 150 μV， 因此周期内抽样点数一般不超过 4 × V / 150 μV ， 其中 V 为输出电压的幅值。 另外， 周期 内抽样点数的选择还要取决于合成波形的频率以及 结阵交流响应的固有特性等。 4 ） 合成波形的频率 合成波形的频率决定了各个离散的直流电压 电压台阶 台阶的持续时间 。 合成波形的频率越高 ， 的持续时间就越短 ， 电压台阶的上升段在该台阶上 所占的比 重 就 越 大 ， 引入的测量不确定度也就越 大 。 这也是采用波形合成法来实现约瑟夫森交流 只能在低频下保持较小测量不确定度 电压标准时 ， 的原因 。 3． 2 脉冲调制法的测量不确定度来源 采用脉冲调制法产生约瑟夫森交流电压标准的 主要测量不确定度来源以下 4 个方面。 1 ） 约瑟夫森结的量子电压不准确 约瑟夫森结所产生的量子电压的不准确带来的 它所引入的不确定度在 10 量级 测量不确定度， 2 ） 约瑟夫森结的自感