автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и создание установки для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на эффекте Джозефсона

На правах рукописи

ШЕРСТОБИТОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТЕ ДЖОЗЕФСОНА

05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

МОСКВА 2003 г.

Работа выполнена в государственном предприятии "Всероссийский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ГП "ВНИИФТРИ")

Научный руководитель кандидат физико-математических наук, с.н.с.

Карпов Олег Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Астров Дмитрий Николаевич

кандидат физико-математических наук,

Масалов Владимир Васильевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева" (Г. Санкт-Перербург)

Защита состоится " 3 " июля 2003 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 308.005.01 при ГП "ВНИИФТРИ" по адресу: 141570, Московская область, Солнечногорский р-н, п/о. Менделеево, ГП "ВНИИФТРИ", тел. (095) 535-93-85, 535-93-45.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП "ВНИИФТРИ" Автореферат разослан " " ШОН£ 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

Е.Е Сейку

2© oj-(\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В наши дни процесс стадии разработки и создания эталонов напряжения постоянного тока на эффекте Джозефсона фактически завершён. Такие эталоны используются практически во всех странах мира, имеющих национальные метрологические центры. Более того, в ряде промышленно развитых стран некоторые коммерческие предприятия используют джозефсоновские эталоны вольта для метрологического обеспечения выпускаемой продукции.

В России также завершается процесс создания эталонов вольта на эффекте Джозефсона. Так, во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева утвержден Государственный первичный эталон вольта ГЭТ 13-89; во ВНИИМС и ВНИИФТРИ утверждены вторичные эталоны ВЭТ 13-12-99 и ВЭТ 13-13-01 соответственно. Ведутся работы по созданию сети вторичных эталонов вольта в городах Хабаровске, Иркутске, Новосибирске.

В то же время существует потребность в аппаратуре нового поколения для точного воспроизведения и измерения как формы, так и амплитуды напряжения переменного тока, определяемая нуждами метрологического обеспечения современных высокоточных систем сбора, анализа и регистрации информации в геофизике, акустике, гидроакустике, радиотехнике, системах телеком муникаций.

В России метрологическое обеспечение средств измерений напряжения переменного тока в частотном диапазоне 0,01 Гц 30 МГц осуществляется в соответствии с Государственной поверочной схемой по МИ 1935-88. Во главе этой поверочной схемы находится Государственный специальный эталон единицы напряжения переменного тока ГЭТ 89-75 (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева) имеющий следующие характеристики: частотный диапазон 20 Гц -30 МГц, диапазон напряжений 0,1-10 В, НСП МО 5 -3-Ю-4, СКО 5-Ю-6 -5-Ю-5.

Для расширения частотного диапазона в область инфранизких частот (0,01 -20)Гц, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были разработаны и изготовлены две поверочные установки - АРМП ИЗЧ. Они используются во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и РОСТЕСТ-Москва как рабочие эталоны 2-го разряда в диапазоне частот 0,01+90 Гц с пределом допускаемой погрешности 0,025-2,5%.

По мнению ряда экспертов, прогресс в повышении точности электрических измерений переменного низкочастотного напряжения в десять и более раз следует ожидать в разработке и создании аппаратуры нового поколения на эффекте Джозефсона. Такие работы ведутся в NIST (США), РТВ (Германия), ETL (Япония), VTT (Финляндия), KRISS (Ю.Корея) и др.

Так, в декабре 2001 г. стартовал 4-х летний европейский проект по созданию квантового эталона переменного напряжения на эффекте Джозефсона, (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, JA WS Project). В этом проекте участвуют такие страны как Нидерланды, Германия, Англия, Франция, Словения, Швеция и др. Мировой интерес и актуальность проблемы может

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I ] БИБЛИОТЕКА j

С. Петербург ^ }

' 09 pf I

\z4i4

подчеркнуть тот факт, что на последней конференции по прецизионным электромагнитным измерениям СРЕМ-2002 (16-21 июня 2002 г. Канада, Оттава) было представлено 14 работ по синтезаторам сигналов переменного напряжения на эффекте Джозефсона, в том числе три работы от ВНИИФТРИ.

Таким образом, разработка новых высокоточных измерительных систем на основе эффекта Джозефсона для решения задач метрологического обеспечения средств измерений сигналов переменного низкочастотного напряжения является важной актуальной проблемой.

Цель работы. Целью данной работы является комплексное исследование возможности построения прецизионных средств измерения низкочастотного переменного напряжения на основе цепочек сильношунтированных переходов Джозефсона, изготовленных по технологии БП^ПБ (сверхпроводник - изолятор -нормальный металл - изолятор - сверхпроводник), разработка схемотехнических решений, обеспечивающих электромагнитную совместимость, цифровых элементов и узлов системы управления синтезатора напряжения с джозефсоновской интегральной схемой, а также создание и исследование установки, которая может быть использована как для воспроизведения, так и измерения параметров сигналов переменного низкочастотного и инфранизкочастотного напряжения. Научная новизна.

1. Впервые выполнены исследования экспериментальных образцов джозефсоновских интегральных схем с двоичными группами сильношунтированных переходов типа 5ГЫТ5 с частотой СВЧ смещения 10 ГГц и показана возможность построения на их основе высокоточных синтезаторов переменного напряжения.

2. Впервые проведены точные измерения напряжения цепочки джозефсоновских переходов типа ЗТМБ относительно эталона ВЭТ 13-13-01.

3. Впервые разработана, изготовлена и исследована установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе джозефсоновской интегральной схемы с двоичными секциями, работающая в диапазоне частот 0 ч- 20 Гц.

На защиту выносятся:

• Результаты исследования джозефсоновских схем, изготовленных по технологии БГМБ, показывающие возможность построения на их основе квантовых синтезаторов переменного напряжения.

• Техническое решение, состоящее в использовании гальванически изолированных источников тока, присоединенных к двоичным сегментам джозефсоновской схемы и интегральных быстродействующих аналоговых ключей, шунтирующих источники тока, обеспечивает воспроизводимое переключение напряжения джозефсоновской микросхемы с частотой до 1 МГц.

• Результаты исследования установки на основе 9-ти битной джозефсоновской интегральной схемы, подтверждающие следующие её основные метрологические характеристики:

- погрешность воспроизведения единицы напряжения постоянного тока не более 5-10'5 % при работе установки в режиме калибратора напряжений;

погрешность воспроизведения единицы напряжения переменного синусоидального тока в диапазоне частот 0,001 -т- 20 Гц не более 0,01%, при работе установки в режиме синтезатора переменного напряжения. » Практическая значимость и реализация результатов.

Настоящая диссертация связана с планом научно-исследовательских и , опытно-конструкторских работ, проводимых центром физико-химических и электрических измерений (ЦФХЭИ) ГП "ВНИИФТРИ-. Разработанная установка используется во ВНИИФТРИ для проведения дальнейших исследований по созданию высокоточных средств измерений переменного напряжения на эффекте Джозефсона. Результаты разработки узлов СВЧ системы и криозонда и результаты точного измерения напряжения цепочки 51М5 джозефсоновских переходов использованы при разработке и утверждении ВЭТ13-13-01. Результаты разработки электронных блоков и схем для точного измерения постоянного напряжения использованы при разработке рН - метра первого разряда.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на научно - технической конференции Госстандарта России "Молодые метрологи -народному хозяйству России" (25.10-29.10 1999 г., Москва), XXVI и XXVII научно-технических конференциях молодых ученых-военных метрологов "Актуальные задачи военной метрологии" (22.05.2001 г. и 9.04.2002 г. Мытищи), на рабочем семинаре Евро-Азиатского геофизического общества (ЕАГО) "Современное состояние и направления развития метрологического обеспечения в разведочной геофизике" (17.04-18.04 2001 г. Москва), международной конференции СРЕМ-2002 (16-21 июня 2002 г. Канада, Оттава), IV » Всероссийской научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации" (19-22 ноября 2002г. ЦЦО "Подмосковье", пос. Поведники) I Личный вклад автора.

" Работа выполнена в лаб. 630 ЦФХЭИ ГП "ВНИИФТРИ". Личный вклад

автора заключается в проведении экспериментальных исследований джозефсоновских микросхем, разработке и создании установки. Автором предложены и исследованы способы и схемотехнические решения переключения напряжения джозефсоновских ИС, проведена оценка погрешностей измерений.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы из 60 наименований и приложения. Диссертация состоит из 116 страниц текста, включая 57 рисунков и 12 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из трёх глав, после каждой делаются краткие выводы. Во введении дано обоснование актуальности и важности решаемых вопросов метрологического обеспечения средств измерений параметров сигналов переменного низкочастотного напряжения с использованием аппаратуры на эффекте Джозефсона, сформулированы цели, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Излагается краткое содержание работы.

В главе 1 анализируются преимущества и недостатки основных способов построения высокоточных синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона, в частности:

- на основе цепочки джозефсоновских переходов с переключаемыми двоичными секциями с фиксированной частотой синусоидального СВЧ смещения;

- на основе цепочки джозефсоновских переходов смещённых последовательностью пикосекундных импульсов с переменной частотой следования;

- на основе цифровой RSFQ-логической схемы (Rapid Single Flux Quantum), использующей принцип двоичного умножения SFQ импульсов;

- а также оригинальный способ на основе широтно-импульсной модуляции выходного напряжения цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов под действием модуляции СВЧ мощности накачки цепочки.

Обозначены возможные частотные диапазоны и погрешности воспроизведения напряжения для каждого типа синтезатора. В первой главе приведен анализ и обсуждение теоретических и экспериментальных результатов, полученных на момент написания диссертации ведущими в этой области метрологическими лабораториями. Отмечен ряд актуальных нерешенных вопросов, касающихся принципа работы и реализации построения квантовых синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона. На основании проведенного анализа для построения установки, работающей в низкочастотной области, выбрана схема на основе джозефсоновской цепочки с переключаемыми двоичными секциями, к тому же, к этому времени РТВ были изготовлены экспериментальные образцы джозефсоновских интегральных схем с двоичными группами переходов.

Глава 2 посвящена экспериментальным исследованиям электродинамических характеристик образцов цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS с двоичными группами переходов, изготовленных в РТВ, рассчитанных на частоту СВЧ смещения 10 ГГц. Первостепенной задачей всех экспериментов ставилось определение основных характеристик цепочек с целью изучения возможности построения на их основе

синтезаторов переменного напряжения. На основе экспериментальных результатов формулируются требования к аппаратуре синтезатора переменного напряжения на эффекте Джозефсона.

В §2.1 приводится описание конструкции джозефсоновских ИС, а также используемой аппаратуры для измерения и регистрации ВАХ цепочек. На рис. 1а схематично показана топология джозефсоновской микросхемы, на рис.1б - джозефсоновская ИС с крепёжной диамагнитной оправкой и СВЧ разъемом.

а) б)

Рис.1. Вид джозефсоновской интегральной схемы, а) - схематичная топология, б) фото микросхемы с оправкой и СВЧ разъемом типа БМА.

На рис. 2 показаны типичные ВАХ исследующихся схем, а) - без воздействия СВЧ излучения, б) - под действием СВЧ мощности 10 ГГц.

Рис.2. Типовые ВАХ джозефсоновской цепочки, преимущественно используемой в экспериментах, а)-без СВЧ накачки, б)- под действием СВЧ ЮГГц.

В рамках работ для исследовавшихся экспериментальных цепочек определены оптимальные частоты и мощности СВЧ сигнала накачки, при которых ступеньки напряжения не имеют наклона и имеют максимальный размах по току, что необходимо для стабильной работы быстро перестраиваемого эталона вольта на основе джозефсоновских схем.

В параграфе приведены результаты измерения амплитуд генерируемых цепочками напряжений. Измерения проводились при помощи компаратора Р-3003, который периодически калибровался по мере напряжения МН-3, ежедневно поверяемой по группе нормальных элементов ВНИИФТРИ.

Здесь же обозначены основные трудности, возникающие при работе с чувствительными джозефсоновскими структурами, а также предложены варианты их решения. В частности, показан способ подачи и коммутации тока смещения в сегментах цепочки, позволяющий быстро переключать номер рабочей ступеньки напряжения, не допуская

эффектов "схлопывания" тока ступеньки ВАХ или появления субступенек ВАХ (рис.3).

Испытания выявили некоторые погрешности технологического процесса изготовления цепочек переходов и подсказали возможные варианты их решения для построения практических быстроперестраиваемых эталонов вольта.

В §2.2 описан эксперимент по точному измерению постоянного напряжения, воспроизводимого цепочкой переходов джозефсона типа SINIS с СВЧ накачкой 10 ГГц с использованием аппаратуры вторичного эталона вольта ВЭТ 13-13-01 на основе традиционной SIS цепочки, работающей в СВЧ диапазоне 70 ГГц.

В §2.2.1 описаны элементы экспериментальной установки, в т.ч. системы криозонда. Экспериментальная установка, блок схема которой показана на рис.4, состояла из двух криозондов с цепочками SIS и SINIS джозефсоновских переходов; двух гелиевых дьюаров; двух СВЧ генераторов с системами фазовой автоподстройки частоты на 10-18 и 53-78 ГГц; двух источников смещения, развертки и регистрации ВАХ цепочек джозефсоновских переходов; системы измерения постоянного напряжения нановольтового уровня и меры напряжения на стабилитронах МН-3 производства ВНИИФТРИ.

В §2.2.2 приведена методика измерения и оценка метрологических характеристик экспериментальной установки. Оценивается вклад различных составляющих в погрешность измерения, таких как: нестабильность частоты облучения цепочки и шум, утечки тока в измерительной цепи, ошибка усиления детектора, смещение нуля, входной ток детектора, его входной импеданс, нелинейность, шум, наклон ступеньки напряжения на переходе, не скорректированная термо - ЭДС в измерительной цепи и др.

На основе проведенного анализа делается вывод, что экспериментальная установка способна обеспечить измерение напряжения SINIS цепочки со случайной погрешностью менее 1 нВ при числе измерений N = 10-15. На рис.5 представлены обобщенные результаты измерения постоянного напряжения, генерируемого цепочкой переходов типа SINIS, относительно эталона

+1 ступенька

Рис.3. ВАХ +1-ой ступеньки напряжения с субступеньками

напряжения на основе SIS микросхемы, проведённые в широком интервале времени Т от 2 до 50 минут в течение нескольких дней. Расхождение <AU> между экспериментальным и теоретическим значениями разности выходных напряжений двух цепочек составило -0.039 нВ на уровне 10 мВ с абсолютной случайной погрешностью s = 0.7 нВ. Данный эксперимент не выявил отличий от теоретических внутри случайной погрешности серии измерений. Результаты эксперимента позволили понять особенности работы с джозефсоновскими цепочками SINIS типа, а также оценить предельные точностные характеристики измерительного оборудования.

СЧВ-74

5МГц

(фПО'ЮНД

10 ГГц

Рис.4. Блок схема экспериментальной установки для точного измерения напряжения SINIS цепочки относительно эталона вольта на основе традиционной SIS цепочки.

Подобные измерения были проведены позже метрологической лабораторией BNM-LNE (Франция) для трех типов двоичных цепочек сильношунтированных переходов, SNS, SINIS, и шунтированной SIS, производства соответственно NIST, РТВ и VTT (СРЕМ - 2002), которые подтвердили результаты ВНИИФТРИ.

В §2.3 формулируются полученные на основе экспериментальных данных требования к аппаратуре установки для воспроизведения сигналов переменного напряжения.

В главе 3 приводится описание конструкции и исследования разработанной и изготовленной установки для воспроизведения сш налов переменного низкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями.

10,572645

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 номер измерения

♦ 21.12.1999

23.12.1999

Д 24.12.1999

■ 27.12.1999

ш 28.12.1999

• 29.12.1999

Рис.5. Обобщенные результаты измерения постоянного напряжения цепочки переходов SINIS относительно эталона напряжения ВЭТ 13-13-01 на основе SIS

микросхемы

Параграф 3.1 посвящен описанию разработанной установки. Блок схема установки показана на рис.6. В СВЧ системе диапазона 10 ГГц использован серийный СВЧ-генератор Г4-111 с системой ФАПЧ собственной разработки. Для синхронизации частоты СВЧ смещения джозефсоновских переходов, и тактовых сигналов, используемых в системе управления, использовался рубидиевый стандарт частоты СЧВ-74.

Программируемый блок источников смещения (БИС) располагается в непосредственной близости от криозонда с джозефсоновской микросхемой и может использоваться для управления ' джозефсоновскими цепочками разрядностью до 16 бит. Блок содержит программируемые источники тока, а также аналоговые ключи для коммутации тока в двоичных секциях цепочки. Поскольку рабочий ток смещения джозефсоновских переходов составляет величину менее 1 мА, в качестве элементов питания источников тока могут использоваться аккумуляторы или батареи формата АА. При использовании химических источников тока достигается идеальная электрическая развязка управляющих напряжений двоичных сегментов джозефсоновской интегральной схемы.

В ходе экспериментов было определено реальное время переключения между ступеньками напряжения джозефсоновской цепочки для такой реализации блока смещения. Так, максимальное время переходных процессов при переключениях тока смещения в двоичных секциях (время переключения всех секций с нулевой ступеньки Шапиро ВАХ на первую ступеньку и наоборот) составило менее 0,6 мкс. В течение остального времени выходное напряжение цепочки джозефсоновских переходов определяется в соответствии с формулой Уеш= (Р-N)f/Kj, где Р - число переходов, находящихся на плюс первой ступеньке, N -число переходов, находящихся на минус первой ступеньке, / - частота СВЧ смещения, Kj - константа Джозефсона, её значение установлено 483597,9 ГТц/В на сессии консультативного комитета по электричеству (рекомендация EI-88).

Рис.6. Блок схема установки для воспроизведения сигналов переменного ничкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями.

Система управления (СУ) состоит из: микроконтроллера МС8-51, ЦАП, 24-х разрядного АЦП (на основе интегрального АЦП типа А077Ю), блока оптронной развязки, формирователя напряжений и сигналов управления генераторами тока, блока формирования тактового сигнала, а также блока питания. Система управления смонтирована в механически укрепленный компьютерный корпус горизонтального расположения с размерами 410x360x140 мм3. Управление режимами работы установки осуществляется при помощи компьютера.

В §3.2 приведено описание и исследование метрологических характеристик программного модуля установки, предназначенного для генерирования

цифровых тестовых сигналов, измерения параметров сигналов переменного напряжения, и управления работой синтезатора. Программный модуль может генерировать тестовые сигналы в классе гармонических функций (синус и косинус) и их гармоники (до 32) с возможностью добавления белого шума. Алгоритм измерения параметров сигналов основан на методе линейного регрессионного анализа в классе сумм гармонических функций.

Параграф 3.3 посвящен экспериментальным исследованиям разработанной установки. В нем приведены результаты исследований метрологических характеристик установки при воспроизведении и измерении сигналов . переменного напряжения с использованием 9-ти битной цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона (режим синтезатора), а также 1

быстрого программирования уровней постоянного напряжения (режим калибратора). (

В работе представлены результаты измерения программируемых уровней постоянного напряжения, соответствующих ступенькам напряжения джозефсоновской цепочки, измеряемым при помощи АЦП СУ синтезатора, калиброванного на уровне 1 В по мере напряжения МН-3. Время измерения различных уровней напряжения составляло 20 е., (по 10 односекундных измерений в каждой полярности, СКО единичного измерения ~ 1,6 мкВ), частота дискретизации АЦП - 22 Гц. При этом максимальное расхождение между измеренными значениями и задаваемыми составило менее 500 нВ. Несмотря на значительно более низкие метрологические характеристики используемого АЦП, по сравнению с джозефсоновским преобразователем, данный эксперимент показывает возможности встроенного АЦП при измерении сигналов напряжения.

В §3.3.2 приведены результаты измерений синтезируемых сигналов переменного низкочастотного напряжения с заданными параметрами, проводимых при помощи АЦП СУ и программно-измерительного модуля.

На рис.7,8 представлены графики синтезируемых сигналов, зарегистрированных пр! помощи АЦП СУ. В таблицах 1, 2 представлены результаты измерения параметров этих сигналов по записанным цифровым реализациям при помощи программного модуля установки.

По результатам проведённых исследований делаются следующие выводы: -погрешность воспроизведения установкой единицы напряжения ,

постоянного тока в режиме калибратора напряжений не более 5-10"5%;

-частотный диапазон синтезируемых полигармонических сигналов - 0,001 420 Гц;

-максимальная амплитуда синтезируемых сигналов -21 мВ; -среднеквадратичная относительная погрешность воспроизведения амплитуды полигармонических сигналов с коэффициентом нелинейных искажений КНИ менее 0,1% не более 0,01% и для сигналов с КНИ до 25% не более 0,03%.

I

I

В §3.3.4 представлены результаты испытаний, проведённых при помощи аппаратуры установки, девятиканальной системы регистрации геофизических данных КИСА-9Д, построенной на основе 14-ти разрядного АЦП для определения её метрологических характеристик. Испытания проводились с целью получения: амплитудных характеристик сейсмических каналов и максимальных значений входного сигнала, определения коэффициента нелинейных искажений сейсмических каналов, фазовой неидентичности сейсмических каналов.

синусоидального сигнала

Параметры Сигнала Заданные параметры модельного сигнала Измеренные параметры сигнала на выходе цепочки

Число отсчетов на период, у 699,9999788 699.9999190

Частота осн тона /*о, Гц 0 031428571 0 031428575

КНИ, % 0 02199 0 02166

Амплитуда сигнала, мВ 21.00919 21.0075

Таблица 1. Результаты эксперимента по синтезу синусоидального сигнала

Параметры сигнала Заданные параметры Измеренные параметры

Число отсчетов на период,? 256 255.99974064

Частота /-о, Гц 0.15625003 0.1562501583

КНИ, % 25 00 25 046467

Ампл осн тона,мВ 12 3863 12 381789

Отн ампл 2-й гарм 0.1976 0.1978

Отн ампл 3-й гарм 0 0884 0 0897

Отн ампл 4-й гарм 0 0884 0 0887

Отн ампл 5-й гарм 0 0884 0 0878

Число обраб отсчетов 2048 2042

Рис.8. Вид синтезированного Таблица 2. Результаты эксперимента по

синусоидального сигнала с пятью синтезу синусоидального сигнала с

гармоническими составляющими гармоническими составляющими

В заключении сформулированы основные результаты диссертации и даны предложения по их практическому использованию.

Основные результаты диссертации

1. Проанализированы возможные пути и особенности построения синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона. Показаны частотные диапазоны и погрешности воспроизведения напряжения для каждого типа синтезатора.

2. Проведены исследования экспериментальных образцов двоичных цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS с частотой СВЧ накачки 10 ГГц производства РТВ с целью построения на их основе синтезаторов переменного напряжения. Показана возможность их использования для создания высокоточных синтезаторов переменного напряжения.

3. Проведен эксперимент по точному измерению постоянного напряжения, генерируемого цепочкой джозефсоновских переходов типа SINIS СВЧ диапазона 10 ГГц относительно эталона напряжения на основе традиционной SIS цепочки, работающей в диапазоне 70 ГГц. Определены предельные метрологические возможности аппаратуры, используемой в экспериментах.

4. Предложено и опробовано техническое решение, состоящее в использовании гальванически изолированных источников тока, присоединенных к двоичным сегментам джозефсоновской схемы и интегральных быстродействующих аналоговых ключей, шунтирующих источники тока, которое обеспечивает воспроизводимое переключение ступенек напряжения джозефсоновских микросхем с частотой до 1 МГц.

5. Разработана и изготовлена установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями.

6. Проведены исследования установки с использованием 9-ти битной цепочки из 512 сильношунтированных джозефсоновских переходов СВЧ диапазона 10 ГГц с выходным напряжением 20 мВ. Показано, что:

- при работе установки е режиме калибратора напряжений, погрешность воспроизведения единицы напряжения постоянного тока составляет не более 5-Ю"5 %;

- при работе установки в режиме синтезатора переменного напряжения погрешность воспроизведения единицы напряжения переменного синусоидального тока в диапазоне частот 0,001 -г- 20 Гц не более 0,01% для сигналов с КНИ менее 0,1%, и не более 0,03% для сигналов с КНИ до 25%.

7. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что предложенные в работе технические решения могут быть использованы в дальнейшем для построения высокоточных средств нового поколения для воспроизведения и измерения сигналов переменного низкочастотного напряжения, а так же для реализации в будущем квантовых эталонов переменного напряжения.

Список публикаций по теме диссерлации:

1. Шерстобитов С.В.. Исследование цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов с бинарными отводами, // Измерительная техника -N12. - 2000. - С. 52-56.

2. Карпов О.В., Шерстобитов С.В.. Блок для системы фазовой автоподстройки частоты промышленных генераторов СВЧ - излучения на диапазоны частот 7-18 и 37.5-78 ГГц. // ПТЭ. - N 5. - 2000. С. 56-58.

3. Шерстобитов С.В.. Исследование цепочек SNS джозефсоновских переходов с целью создания D/A конверторов. // "Молодые метрологи - народному хозяйству России": Материалы н.-тех. конференции. 25-29 октября 1999 г., М.: 1999.-С. 67-71.

4. Карпов О.В., Кутовой В.Д., Шерстобитов С.В.. Измерение напряжения цепочки безгистерезисных джозефсоновских переходов относительно эталона напряжения на основе джозефсоновской микросхемы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. // ПТЭ. - N 5(2001). - С. 91-96.

5. O.V. Karpov., V.D. Koutovoi, S.V. Sherstobitov and J. Niemeyer, High-precision Comparision of Voltages Generated by SINIS and SIS Josephson Junction Arrays at the 10 mV Level. // Metrologia, 2001,38, pp. 471-476.

6. Карпов O.B., Кубышкин B.B., Шерстобитов C.B.. Стенд для измерения параметров и калибровки многоразрядных АЦП. // "Современные технологии регистрации геолого-геофизических данных при проведении поисково-разведочных работ на нефть и газ", материалы н.-тех. конференции ГЕОТЕХ 2001, 18-20 сентября 2001; Саратов. С. 43-44.

7. O.V.Karpov, S.V. Sherstobitov, J.F. Verkhovykh, J.Niemeyer. Voltage waveform syntesizer based on josephson array chip with binary subdivisions // Conference Digest CPEM 2002, Ottawa, Canada, 2002, pp. 432-433.

8. O.V. Karpov, V.D.Koutovoi, S.V.Sherstobitov, V.N.Krutikov, J.Niemeyer. Pulse width modulation type josephson AC waveform synthesizer // Conference Digest CPEM 2002, Ottawa, Canada, 2002, pp. 496-497.

9. Карпов O.B., Шерстобитов C.B., Верховых Ю.Ф.. Цифровой синтезатор переменного напряжения на основе джозефсоновской интегральной микросхемы с двоичными секциями. // ПТЭ. - N 5 (2002). С. 83-87.

10. Васильев Д.Р., Карпов О.В., Крутиков В.Н., Кутовой В.Д., Тертычная М.А., Шерстобитов С.В.. Вторичный эталон единицы постоянного напряжения ВЭТ 13-13-01. // Измерительная техника. - N3. - 2003. С. 25-29.

Подписано к печати 28 .05.03 Объём 0,6 уч.-изд. л. формат 60x90 /16 Тираж 100 экз.

Полиграфучасток ГП "ВНИИФТРИ" Зак. № 241

»

Щ

г ' Í

12SW

H2514

Введение

Глава 1 О способах построения синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона

1.1 Синтезатор напряжения на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями

1.2 Синтезатор напряжения, управляемый серией импульсов (дельта-сигма цифро-аналоговый преобразователь на эффекте Джозефсона)

1.3 RSFQ- синтезатор переменного напряжения

1.4 Синтезатор напряжения с широтно-импульсной модуляцией на основе цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов

1.5 Краткие выводы к главе

Глава 2 Исследование экспериментальных цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS с двоичными секциями и частотой СВЧ накачки ЮГГц

2.1 Результаты исследования экспериментальных образцов цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS

2.2 Точное измерение напряжения цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS относительно эталона напряжения на основе традиционной SIS цепочки

2.2.1 Экспериментальная установка

2.2.2 Методика измерения и оценка метрологических характеристик экспериментальной установки

2.2.3 Результаты измерения напряжения Usinis - Ю ГГц относительно Usis - 70ГГц

2.3 Требования к аппаратуре синтезатора переменного напряжения на основе двоичных цепочек сильношунтированных переходов Джозефсона

2.4 Краткие выводы к Главе

Глава 3 Установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов с двоичными секциями

3.1 Описание устройства аппаратуры установки

3.2 Программно-измерительный модуль установки

3.2.1 Исследование характеристик программноизмерительного модуля установки

3.3. Экспериментальные результаты

3.3.1 Регистрация вольт амперных характеристик и настройка режимов работы

3.3.2 Синтезирование установкой сигналов переменного напряжения с заданными параметрами и измерение характеристик сигналов при помощи АЦП и программно-измерительного модуля

3.3.3 Измерение характеристик серийных низкочастотных генераторов при помощи аппаратуры установки

3.3.4 Испытания с целью определения метрологических характеристик 9-ти канальной системы регистрации геофизических данных при помощи аппаратуры установки

3.3.4.1 Методика испытаний

3.3.4.2 Результаты испытаний

Актуальность работы. В настоящее время эффект Джозефсона в слабо связанных проводниках [1] нашел применение, в основном, в двух направлениях: это метрология (эталоны напряжения постоянного тока), и точное приборостроение (датчики магнитного поля на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров "СКВИДов") [2,3].

В наши дни процесс стадии разработки и создания эталонов напряжения постоянного тока на эффекте Джозефсона фактически завершён. Такие эталоны используются практически во всех странах мира, имеющих национальные метрологические центры. Более того, в ряде промышленно развитых стран некоторые коммерческие предприятия так же оснащены джозефсоновскими эталонами вольта.

В России завершается процесс создания эталонов вольта на эффекте Джозефсона. Так, во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева утвержден Государственный первичный эталон вольта ГЭТ 13-89. Он обеспечивает воспроизведение размера вольта с НСП и СКО не более МО'9 [4]. Во ВНИИМС и ВНИИФТРИ утверждены вторичные эталоны ВЭТ 13-1299 и ВЭТ 13-13-01 соответственно. Ведутся работы по созданию сети вторичных эталонов вольта в городах Хабаровске, Иркутске, Новосибирске.

В то же время существует потребность в аппаратуре нового поколения для точного воспроизведения и измерения как формы, так и амплитуды напряжения переменного тока, определяемая нуждами метрологического обеспечения современных высокоточных систем сбора, анализа и регистрации информации в геофизике, акустике, гидроакустике, радиотехнике, системах телекоммуникаций.

В России метрологическое обеспечение средств измерений напряжения переменного тока в частотном диапазоне 0,01 Гц ч- 30 МГц осуществляется в соответствии с Государственной поверочной схемой по МИ 1935-88. Во глазе этой поверочной схемы находится Государственный специальный эталон единицы напряжения переменного тока ГЭТ 89-75 (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева) имеющий следующие характеристики: частотный диапазон 20 Гц - 30 МГц, диапазон напряжений 0,1 - 10 В, НСП 1 -10"5 -3-10"4, СК0 5-10"*-5-10"5.

Для расширения частотного диапазона в область инфранизких частот (0,01 -20)Гц, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были разработаны и изготовлены две поверочные установки - АРМП ИЗЧ. Они используются во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и РОСТЕСТ-Москва как рабочие эталоны 2-го разряда в диапазоне частот 0,01-ИЮ Гц с пределом допускаемой погрешности 0,025-2,5%.

По мнению ряда экспертов, необходимый прогресс в повышении точности электрических измерений переменного низкочастотного напряжения в десять и более раз следует ожидать в разработке и создании аппаратуры нового поколения на эффекте Джозефсона [5,6,13]. Такие работы ведутся в NIST (США), РТВ (Германия), ETL (Япония), VTT (Финляндия), K.RISS (Ю.Корея) и др.

Так, в конце 2001 г. стартовал 4-х летний европейский проект по созданию синтезатора напряжения произвольной формы на эффекте Джозефсона, (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, JAWS Project) [8]. В этом проекте участвуют такие страны как Нидерланды, Германия, Англия, Франция, Словения, Швеция и др. Мировой интерес и актуальность проблемы может подчеркнуть тот факт, что на последней конференции по прецизионным электромагнитным измерениям СРЕМ-2002 (16-21 июня 2002 г. Канада, Оттава) было представлено 14 работ по синтезаторам сигналов переменного напряжения на эффекте Джозефсона, в том числе три работы от ВНИИФТРИ.

Таким образом, разработка новых высокоточных измерительных систем на основе эффекта Джозефсона для решения задач метрологического обеспечения средств измерений сигналов переменного низкочастотного напряжения является важной актуальной проблемой.

Цель работы. Целью данной работы является комплексное исследование возможности построения прецизионных средств измерения низкочастотного переменного напряжения на основе цепочек сильношунтированных переходов Джозефсона, изготовленных по технологии SINIS (сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор -сверхпроводник), разработка схемотехнических решений, обеспечивающих электромагнитную совместимость цифровых элементов и узлов системы управления синтезатора напряжения с джозефсоновской интегральной схемой, а также создание и исследование установки, которая может быть использована как для воспроизведения, так и измерения параметров сигналов переменного низкочастотного и инфранизкочастотного напряжения.

Научная новизна.

1. Впервые выполнены исследования экспериментальных образцов джозефсоновских интегральных схем с двоичными группами сильношунтированных переходов типа SINIS с частотой СВЧ смещения 10 ГГц и показана возможность построения на их основе высокоточных синтезаторов переменного напряжения.

2. Впервые проведены точные измерения напряжения цепочки джозефсоновских переходов типа SINIS относительно эталона ВЭТ 13-13-01.

3. Впервые разработана, изготовлена и исследована установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе джозефсоновской интегральной схемы с двоичными секциями, работающая в диапазоне частот 0 + 20 Гц.

Практическая значимость и реализация результатов.

Настоящая диссертация связана с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых центром физико-химических и электрических измерений (ЦФХЭИ) ГП "ВНИИФТРИ". Разработанная установка используется во ВНИИФТРИ для проведения дальнейших исследований по созданию высокоточных средств измерений переменного напряжения на эффекте Джозефсона. Результаты разработки узлов СВЧ системы и криозонда и результаты точного измерения напряжения цепочки SINIS джозефсоновских переходов использованы при разработке и утверждении ВЭТ 13-13-01. Результаты разработки электронных блоков и схем для точного измерения постоянного напряжения использованы при разработке рН - метра первого разряда. Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на научно -технической конференции "Молодые метрологи - народному хозяйству России" (25.1029.10 1999 г., Москва), XXVI и XXVII научно-технических конференциях молодых ученых-военных метрологов "Актуальные задачи военной метрологии" (22.05.2001 г. и 9.04.2002 г., Мытищи), на рабочем семинаре Евро-Азиатского геофизического общества (ЕАГО) "Современное состояние и направления развития метрологического обеспечения в разведочной геофизике" (17.04-18.04 2001 г. Москва), международной конференции СРЕМ-2002 (16-21 июня 2002 г. Канада, Оттава), IV Всероссийской научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации" (19-22 ноября 2002г. ЦДО "Подмосковье")

Личный вклад автора

Работа выполнена в лаб. 630 ЦФХЭИ ГП "ВНИИФТРИ". Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальных исследований джозефсоновских микросхем, разработке и создании установки. Автором предложены и исследованы способы и схемотехнические решения переключения напряжения джозефсоновских ИС, проведена оценка погрешностей измерений. На защиту выносятся:

• Результаты исследования джозефсоновских схем, изготовленных по технологии SINIS, показывающие возможность построения на их основе квантовых синтезаторов переменного напряжения.

• Техническое решение, состоящее в использовании гальванически изолированных источников тока, присоединенных к двоичным сегментам джозефсоновской схемы и интегральных быстродействующих аналоговых ключей, шунтирующих источники тока, обеспечивает воспроизводимое переключение напряжения джозефсоновской микросхемы с частотой до 1 МГц. • Результаты исследования установки на основе 9-ти битной джозефсоновской интегральной схемы, подтверждающие следующие её основные метрологические характеристики: погрешность воспроизведения единицы напряжения постоянного тока не более 5-10"5 % при работе установки в режиме калибратора напряжений; погрешность воспроизведения единицы напряжения переменного синусоидального тока в диапазоне частот 0,001 -г 20 Гц не более 0,01%, при работе установки в режиме синтезатора переменного напряжения.

Структура и содержание диссертационной работы. Диссертация состоит из трёх глав, после каждой делаются краткие выводы. В главе 1 анализируются преимущества и недостатки основных способов построения высокоточных синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона, в частности:

- на основе цепочки джозефсоновских переходов с переключаемыми двоичными секциями с фиксированной частотой синусоидального СВЧ смещения;

- на основе цепочки джозефсоновских переходов смещённых последовательностью пикосекундных импульсов с переменной частотой следования;

- на основе цифровой RSFQ-логической схемы (Rapid Single Flux Quantum), использующей принцип двоичного умножения SFQ импульсов;

- а также оригинальный способ на основе широтно-импульсной модуляции выходного напряжения цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов под действием модуляции СВЧ мощности накачки цепочки.

Обозначены возможные частотные диапазоны и погрешности воспроизведения напряжения для каждого типа синтезатора. В первой главе приведен анализ и обсуждение теоретических и экспериментальных результатов, полученных на момент написания диссертации ведущими в этой области метрологическими лабораториями. Отмечен ряд актуальных нерешенных вопросов, касающихся принципа работы и реализации построения квантовых синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона. На основании проведенного анализа для построения установки, работающей в низкочастотной области, выбрана схема на основе джозефсоновской цепочки с переключаемыми двоичными секциями, к тому же, к этому времени РТВ были изготовлены экспериментальные образцы джозефсоновских интегральных схем с двоичными группами переходов.

Глава 2 посвящена экспериментальным исследованиям электродинамических характеристик образцов цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS с двоичными группами переходов, изготовленных в РТВ, рассчитанных на частоту СВЧ смещения 10 ГГц. В этой же главе приводится описание эксперимента по точному измерению напряжения, генерируемого такой цепочкой относительно вторичного эталона напряжения ВЭТ 13-13-01 на основе традиционной SIS (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) цепочки, изготовленной так же РТВ.

Первостепенной задачей всех экспериментов ставилось определение основных характеристик джозефсоновских схем с целью изучения возможности построения на их основе синтезаторов переменного напряжения. Следующей задачей являлось формулирование требований к аппаратуре синтезатора переменного напряжения на эффекте Джозефсона.

В главе 3 приводится описание конструкции и результатов исследования разработанной и изготовленной установки для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями.

В заключении сформулированы основные результаты работы, а так же предложены пути их дальнейшей реализации.

Основные результаты диссертации:

1. Проанализированы возможные пути и особенности построения синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона. Показаны частотные диапазоны и погрешности воспроизведения напряжения для каждого типа синтезатора.

2. Проведены исследования экспериментальных образцов двоичных цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS с частотой СВЧ накачки 10 ГГц производства РТВ с целью построения на их основе синтезаторов переменного напряжения. Показана возможность их использования для создания высокоточных синтезаторов переменного напряжения.

3. Проведен эксперимент по точному измерению постоянного напряжения, генерируемого цепочкой джозефсоновских переходов типа SINIS СВЧ диапазона 10 ГГц относительно эталона напряжения на основе традиционной SIS цепочки, работающей в диапазоне 70 ГГц. Определены предельные метрологические возможности аппаратуры, используемой в экспериментах.

4. Предложено и опробовано техническое решение, состоящее в использовании гальванически изолированных источников тока, присоединенных к двоичным сегментам джозефсоновской схемы и интегральных быстродействующих аналоговых ключей, шунтирующих источники тока, которое обеспечивает воспроизводимое переключение ступенек напряжения джозефсоновских микросхем с частотой до 1 МГц.

Разработана и изготовлена установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями.

Проведены исследования установки с использованием 9-ти битной цепочки из 512 сильношунтированных джозефсоновских переходов СВЧ диапазона 10 ГГц с выходным напряжением 20 мВ. Показано, что:

- при работе установки в режиме калибратора напряжений, погрешность воспроизведения единицы напряжения постоянного тока составляет не более 510"5 %; при работе установки в режиме синтезатора переменного напряжения погрешность воспроизведения единицы напряжения переменного синусоидального тока в диапазоне частот 0,001 -4- 20 Гц не более 0,01% для сигналов с КНИ менее 0,1%, и не более 0,03% для сигналов с КНИ до 25%. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что предложенные в работе технические решения могут быть использованы в дальнейшем для построения высокоточных средств нового поколения для воспроизведения и измерения сигналов переменного низкочастотного напряжения, а так же для реализации в будущем квантовых эталонов переменного напряжения.

В целом проведённые исследования создали основу для построения в будущем эталонов переменного напряжения на эффекте Джозефсона, а так же синтезаторов переменного напряжения произвольной формы.

1. К.К. Лихарев, Б.Е. Ульрих, Системы с джозефсоновскими контактами. - М. 1978.

2. А. Бароне, Дж. Патерно, Эффект Джозефсона. Физика и применение. - Мир. Москва. 1984.

3. B.N. Taylor and T.J. Witt, "New International electrical reference standards based on the Josephson and quantum Hall effect" // Metrologia, vol. 26, pp. 47-62, 1989.

4. B.C. Александров, A.C. Катков, Г.П. Телитченко. Новый государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы. // Измерительная техника, N3, 2002, с. 6-9.

5. Г.П. Телитченко, Система обеспечения единства измерений переменного электрического напряжения: состояние - Изд-во Санкт-Петербургского гос. университета, 2002.

6. А.С.Катков, Е.Д.Колтик, В.И.Кржимовский, Г.П.Телитченко. Единый квантовый эталон вольта на постоянном и переменном токе. Концепция построения. // Измерительная техника N12, 1997, 39-42.

7. S.P.Benz, C.A.Hamilton, C.J. Burroughs, L.A.Cristian. // Josephson Standards for AC Voltage Metrology. II 1997 NCSL Workshop & symposium.

8. Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer: realization of a quantum standard for AC voltage-European project, // http://www.jaws-proiect.nl/

9. J. Kim, A. Sosso, A. Clark, Dynamics of overdamped Josephson junctions driven by a square-wave pulse, Journal of Applied Physics, vol. 83, No 6, March 1998.

10. S.P. Benz, "Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards" // Appl. Phys. Lett., vol.67, pp.2714-2716, Oct. 1995.

11. Schulze, R. Behr, F. Miiller, and J. Niemeyer, "Nb/Al/AlOx/AlOx/Al/Nb Josephson junctions for programmable voltage standards," Appl. Phys. Lett., vol. 73, pp. 996-998, Aug. 1998.

12. C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, R.L.Kautz; Josephson D/A converter with fundamental accuracy. // IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 44, pp.223-225, april 1995;

13.C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, S.P. Benz and J.R. Kinard, AC Josephson voltage standard: Progress report, II IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 46, pp. 224-228, Apr. 1997.

14. C.A.Hamilton et al. Digital-to-analog converter with voltage defined by Josephson frequency voltage relation, // United States patent №5.565.866, 15 october 1996.

15. S.P. Benz and C.A. Hamilton, A pulse driven programmable Josephson voltage standard, //C. Appl. Phis. Lett., v.68, pp. 3171-3173, May, 1996.

16. H. Schulze, R. Behr, J.Kohlmann, F. Muller, J. Niemeyer, Programmable 10 V Josephson voltage standard using SINIS junctions, II Appl. Supercond. Conf. (ASC2000); Virginia Beach; September 17-22 2000.

17. C.A.Hamilton, C.J. Burroughs, Т.Е.Harvey, L.A.Cristian. Stable I Volt programmable voltage standard, // Appl. Phys. Lett. 71 (13) pp. 1866-1868, September 1997.

18. C.A.Hamilton, C.J. Burroughs, S.P.Benz, Josephson voltage standards : A review. II EEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp.3756-3761, June 1997.

19. B.M. Бухштабер, О.В. Карпов, С.И. Тертычный Электродинамические свойства джозефсоновского перехода, облучаемого последовательностью 5-импульсов // ЖЭТФ, 120, вып. 6(12), стр. 1478-1485, 2001.

20. V.M. Buchstaber, O.V.Karpov, S.I. Tertychniy. Quantum Josephson D/A converter driven by trains of short 2n-pulses II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

21. S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, T.E.Harvey, L.A.Cristian, J.X. Przybysz. Pulse-driven Josephson digital/analog converter. H IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 8. No. 2. pp. 42-47 June 1998

22. S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, L.A.Cristian, T.E.Harvey. AC and DC voltage source using quantized pulses, II Proc., Conf. on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 98) Washington, D.C.:437-438, Jul 1998.

23. S.R. Norsworthy, R. Schreier, and G.C. Temes, Eds., Delta-sigma data converters: Teory, Design, and simulation. //New York: IEEE Press. 1997.

24. S.P. Benz, C.J. Burroughs, T.E.Harvey, C.A. Hamilton. Operating conditions for pulse-quantized AC and DC bipolar voltage source. II IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 9. No. 2. pp. 3306-3309, Jun 1999.

25. S.P. Benz, C.J. Burroughs. Constant voltage steps ih Nb-PdAu-Nb Josephson junction arrays. II IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 2434-2436, June 1997.

26. S.P. Benz, C.J. Burroughs, C.A. Hamilton. Operating margins for a pulse-driven programmable voltage standard. //IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 2653-2656, June 1997.

27. S.P. Benz, C.J. Burroughs, P.D. Drasselhaus, Low harmonic Distortion in a Josephson arbitrary waveform Synthesizer, II Appl. Phys. Lett. 77(7), pp. 1014-1016, August 2000.

28. O.A. Chevtchenko, E. Houtzager, H.E. van den Brom, Characteristics of Binary Josephson Arrays for a Programmable Voltage Standard, II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

29. P.O. Hetland, K. Lind, H. Slinde, Characterisation of SINIS Programmable Josephson Arrays at Justervesenet, I I Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

30. J.M. Williams, P. Kleinschmidt, T.J.B.M. Janssen, P. Patel, R. Behr, F. Miiller, J.Kohlmann. Synthesis of Precision AC Waveforms using a SINIS Josephson Junction Array 11 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

31. R. Behr, J.Kohlmann; J.T. Janssen, P. Kleinschmidt, J.M. Williams, D. Reymann, B. Jeanneret O. Chevtchenko, E. Houtzager, H. E. van den Brom; A. Sosso, D. Andreone, J. Penttila, P.Helisto. Analysis of Different Measurement Set-Ups for a Programmable Josephson Voltage Standard II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

32. J. Kohlmann, R. Behr, F. Miiller, O. Kieler, J. Niemeyer H. Schulze, Improved SINIS Josephson Junction Series Arrays for the Quantum Voltmeter И Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

33. J. Kohlmann, H. Schulze, R. Behr, F. Miiller, J. Niemeyer. 10 V SINIS Josephson junction series arrays for programmable voltage standards. II IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 50, No. 2, pp. 192-194, April 2001.

34. J. Niemeyer. Transform Project: BMBF 13N7259, Psysikalisch - Technische Bundesanstalt, Braunschweig, 2000.

35. Samuel P. Benz, Charles J. Burroughs, Jr., Paul D. Dresselhaus, and Laurie A. Christian, AC and DC Voltages from a Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer // IEEE TRANS. INSTR. AND MEAS., VOL. 50, NO. 2, APRIL 2001

36. S. P. Benz, C. J. Burroughs, and P. D. Dresselhaus, .Nanotechnology for next generation Josephson voltage standards,. // IEEE Trans.Instrum. and Meas.,vol. 50, No.6, December 2001.

37. O.B. Карпов, С.В. Шерстобитов. Блок для системы фазовой автоподстройки частоты промышленных генераторов СВЧ - излучения на диапазоны частот 7-18 и 37.5-78 ГГц, II ПТЭ, N 5, 2000г., стр. 56-58.

38. Haruo Yoshida, Teneoki Kozakai, Yasushi Murayama, II IEEE Trans. Instrum. and Meas, 1997, 46, pp. 260-263.

39. P.Reymann, IEEE Trans. Instrum. and Meas, 1991, 40, pp. 309-311.

40. Yasuhiko Sakamoto, Tadshi Endo, Toshiaki Sakuraba, IEEE Trans. Instrum. and Meas, 1993, 42, pp. 583-586.

41. T.J.Witt, CPEM-2000, Sydney, Digest, p.667-668.

42. Panu Helisto, Heikii Seppa, Aussi Rauniainen, CPEM-2000, Sydney, Digest, pp. 401-402.

43. C.A. Hamilton, Y.H. Tang, Evaluating the uncertainty of Josephson Voltage standards, // Metrologia, 1999, 36, pp. 53-58

44. H. Sasaki, S. V. Polonsky, S. Kiryu, F. Hirayama, T. Kikuchi, M. Maezawa and A. Shoji, "RSFQ-Based D/A Converter for AC Voltage Standard," // IEEE Trans. Appl. Supercond., 1999.

45. H. Sasaki, S. Kiryu, A. Shoji , "Uncertainties in AC Voltage Measurements Using Josephson DA Converters" // Bulletin of the Electrotechnical Laboratory, vol. 62, pp. 1-11, 1998. (in Japanese)

46. H. Sasaki, V. Bubanja, S. Kiryu, F. Hirayama, M. Maezawa and A. Shoji, "A Proposal for AC-DC Transfer Difference Measurements Using an SFQ-Based D/A Converter", // ETL Technical Report 1999, (circulation inside ETL only)

47. C.B. Шерстобитов, Исследование цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов с бинарными отводами, // Измерительная техника N12, 2000г. стр.52-56.

48.0.В. Карпов, В.Д. Кутовой, С.В. Шерстобитов. Измерение напряжения цепочки безгистерезисных джозефсоновских переходов относительно эталона напряжения на основе джозефсоновской микросхемы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник // ПТЭ N 5, 2001г. стр. 91-97.

49. O.V. Karpov, V.D. Koutovoi, S.V. Sherstobitov and J. Nimeyer., High-precision Comparision of voltages generated by SINIS and SIS Josephson junction arrays at the 10 mV level .// Metrologia, 2001, 38, pp. 471-476.

50. Дж. Себер. Линейный регрессионный анализ // Пер. с англ. Под ред. М. Б. Малютова.-М.: Мир, 1980

51. C.JI Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990.

52. Г. Дженкинс, Д. Ватте Спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир. вып.1, 1971, вып.2, 1972.

53. Н.Н.Калиткин Численные методы. - М.: Мир, 1972. С.196.

54. J.P. Lo-Hive, F. Piquemal, R. Behr, С. Burroughs, H. Seppa, "Characterisation of Binary Josephson series arrays of different Types at BNM-LNE and comparisons With conventional SIS Arrays" // Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002)

55. K.K. Likharev, V.K. Semenov, "RSFQ logic/memory family: a new Josephson junction technology for sub-teraherz-ckock-frequency Digital Systems"// IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.1, pp. 3-28, March 1991.

56. V.K. Semenov, "Digital to analog Conversion based on processing of SFQ pulses" // IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.3, pp. 2637-2640, 1993.

57. C.A. Hamilton, "Josephson voltage standards, based on Single Flux Quantum voltage multipliers" // IEEE Trans. Instrum. and Meas, Vol.2, pp. 2139-142, 1992.

58.1. Budovsky, H. Sasaki, " A Measurement System for the Dissemination of Josephson AC-DC Transfer Standards", // Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

59. P.S.Wright, J.R. Pickering, An AC Voltage Standard based on a 1-B IT D/A CONVERTER. И Digest CPEM, Washington, USA, 1998, p. 173.

60. О.В. Карпов, С.В. Шерстобитов, Ю.Ф. Верховых. Цифровой синтезатор переменного напряжения на основе джозефсоновской интегральной микросхемы с двоичными секциями. // ПТЭ, N 5 (2002) стр. 83-87.

61. Д.Р. Васильев, О.В. Карпов, В.Н. Крутиков, В.Д. Кутовой, М.А. Тертычная, С.В. Шерстобитов. Вторичный эталон единицы постоянного напряжения ВЭТ 13-13-01. // Измерительная техника. - N3. - 2003. стр. 25-29. т. 2

Заключение

В данной работе проведены комплексные исследования возможности построения прецизионных средств измерения низкочастотного переменного напряжения на основе цепочек сильношунтированных переходов Джозефсона. Перечислим основные из полученных результатов.

1. К.К. Лихарев, Б.Е. Ульрих, Системы с джозефсоновскими контактами. - М. 1978.

2. А. Бароне, Дж. Патерно, Эффект Дэюозефсона. Фгаика и применение. - Мир. Москва. 1984.

3. B.N. Taylor and T.J. Witt, "New International electrical reference standards based on the Josephson and quantum Hall effect" // Metrologia, vol. 26, pp. 47-62, 1989.

4. B.C. Александров, A.C. Катков, Г.П. Телитченко. Новый государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы. // Измерительная техника, N3, 2002, с. 6-9.

5. Г.П. Телитченко, Система обеспечения единства измерений переменного электрического напряжения: состояние - Изд-во Санкт-Петербургского гос. университета, 2002.

6. А.С.Катков, Е.Д.Колтик, В.И.Кржимовский, Г.П.Телитченко. Единый квантовый эталон вольта на постоянном и переменном токе. Концепция построения. // Измерительная техника N12, 1997, 39-42.

7. S.P.Benz, C.A.Hamilton, C.J. Burroughs, L.A.Cristian. /I Josephson Standards for AC Voltage Metrology. II1997 NCSL Workshop & symposium.

8. Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer: realization of a quantum standard for AC voltage- European project, // http://wvyw.iaws-proiect.nl/

9. J. Kim, A. Sosso, A. Clark, Dynamics of overdamped Josephson junctions driven by a square- wave pulse. Journal of Applied Physics, vol. 83, No 6, March 1998.

10. S.P. Benz, "Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards" // Appl. Phys. Lett., vol.67, pp.2714-2716, Oct. 1995.

11. Schulze, R. Behr, F. Miiller, and J. Niemeyer, "Nb/Al/AlOx/AIOx/Al/Nb Josephson junctions for programmable voltage standards," у^ /тр/. Phys. Lett., vol. 73, pp. 996-998, Aug. 1998.

12. C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, R.L.Kautz; Josephson D/A converter with fundamental accuracy. II IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 44, pp.223-225, april 1995;

13. C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, S.P. Benz and J.R. Kinard, AC Josephson voltage standard: Progress report, II IEEE Trans. Instrxim. Meas., vol. 46, pp. 224-228, Apr. 1997.

14. C.A.Hamilton et al. Digital-to-analog converter with voltage defined by Josephson frequency voltage relation, II United States patent J^o5.565.866, 15 October 1996.

15. S.P. Benz and C.A. Hamilton, A pulse driven programmable Josephson voltage standard, //С Appl. Phis. Lett., v.68, pp. 3171-3173, May, 1996. •я -*!

16. Н. Schulze, R. Behr, J.Kohlmann, F. Muller, J. Niemeyer, Programmable JO V Josephson voltage standard using SINISJunctions, II Appl. Supercond. Cpnf. (ASC2000); Virginia Beach; September 17-22 2000.

17. C.A.Hamilton, C.J. Burroughs, T.E.Harvey, L.A.Cristian. Stable 1 Volt programmable voltage standard, //Appl. Phys. Lett. 71 (13) pp. 1866-1868, September 1997.

18. C.A.Hamilton, C.J. Burroughs, S.P.Benz, Josephson voltage standards : A review. II EEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp.3756-3761, June 1997.

19. B.M. Бухштабер, O.B. Карпов, СИ. Тертычный Электродинамические свойства дэюозефсоновского перехода, облучаемого последовательностью 5-импульсов // ЖЭТФ, 120, вып. 6(12), стр. 1478-1485, 2001.

20. V.M. Buchstaber, O.V.Karpov, S.I. Tertychniy. Quantum Josephson D/A converter driven by trains of short 2K-pulses II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

21. S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, T.E.Harvey, L.A.Cristian, J.X. Przybysz. Pulse- driven Josephson digital/analog converter. II IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 8. No. 2. pp. 42-47 June 1998

22. S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, L.A.Cristian, T.E.Harvey. AC and DC voltage source using quantized pulses, II Proc, Conf. on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 98) Washington, D.C.:437-438, Jul 1998.

23. S.R. Norsworthy, R. Schreier, and G.C. Temes, Eds., Delta-sigma data converters: Teory, Design, and simulation. //New York: IEEE Press. 1997.

24. S.P. Benz, C.J. Burroughs, T.E.Harvey, C.A. Hamilton. Operating conditions for pulse- quantized AC and DC bipolar voltage source. II IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 9. No. 2. pp. 3306-3309, Jun 1999.

25. S.P. Benz, C.J. Burroughs. Constant voltage steps ih Nb-PdAu-Nb Josephson junction arrays. II IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 2434-2436, June 1997.

26. S.P. Benz, C.J. Burroughs, C.A. Hamilton. Operating margins for a pulse-driven programmable voltage standard. //IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 2653-2656, June 1997.

27. S.P. Benz, C.J. Burroughs, P.D. Drasselhaus, Low harmonic Distortion in a Josephson arbitrary waveform Synthesizer, II Appl. Phys. Lett. 77(7), pp. 1014-1016, August 2000.

28. O.A. Chevtchenko, E. Houtzager, H.E. van den Brom, Characteristics of Binary Josephson Arrays for a Programmable Voltage Standard, II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

29. P.O. Hetland, K. Lind, H. Slinde, Characterisation of SINIS Programmable Josephson Arrays at Justervesenet, II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

30. J.M. Williams, P. Kleinschmidt, T.J.B.M. Janssen, P. Patel, R. Behr, F. Muller, J.Kohlmann. Synthesis of Precision AC Waveforms using a SINIS Josephson Junction Array II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

31. J. Kohlmann, R. Behr, F. Muller, O. Kieler, J. Niemeyer H. Schulze, Improved SINIS Josephson Junction Series Arrays for the Quantum Voltmeter II Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2002).

32. J. Kohlmann, H. Schulze, R. Behr, F. Muller, J. Niemeyer. 10 V SINIS Josephson junction series arrays for programmable voltage standards. II IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 50, No. 2, pp. 192-194, April 2001.

33. J. Niemeyer. Transform Project: BMBF 13N7259, Psysikalisch - Technische Bundesanstalt, Braunschweig, 2000.

34. Samuel P. Benz, Charles J. Burroughs, Jr., Paul D. Dresselhaus, and Laurie A. Christian, AC and DC Voltages from a Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer // IEEE TRANS. INSTR. AND MEAS., VOL. 50, NO. 2, APRIL 2001

35. S. p. Benz, С J. Burroughs, and P. D. Dresselhaus, .Nanotechnology for next generation Josephson voltage standards,. // IEEE Trans.Instrum. and Meas.,vol. 50, No.6, December 2001.

36. O.B. Карпов, В. Шерстобитов. Блок для системы фазовой автоподстройки частоты промышленных генераторов СВЧ- излучения на диапазоны частот 7-18 и 37.5-78 ГГц, II ПТЭ, N 5, 2000г., стр. 56-58.

37. Haruo Yoshida, Teneoki Kozakai, Yasushi Murayama, // IEEE Trans. Instrum. and Meas, 1997, 46, pp. 260-263.

38. P.Reymann, IEEE Trans. Instrum. and Meas. 1991, 40, pp. 309-311.

39. Yasuhiko Sakamoto, Tadshi Endo, Toshiaki Sakuraba, IEEE Trans. Instrum. and Meas, 1993, 42, pp. 583-586.

40. T.J.Witt, CPEM-2000, Sydney, Digest, p.667-668.

41. Panu Helisto, Heikii Seppa, Aussi Rauniainen, CPEM-2000, Sydney, Digest, pp. 401-402.

42. C.A. Hamilton, Y.H. Tang, Evaluating the uncertainty of Josephson Voltage standards, // Metrologia, 1999, 36, pp. 53-58

43. H. Sasaki, S. V. Polonsky, S. Kiryu, F. Hirayama, T. Kikuchi, M. Maezawa and A. Shoji, "RSFQ-Based D/A Converter for AC Voltage Standard," // IEEE Trans. AppL Supercond., 1999. */;

44. Н. Sasaki, S. Kiryu, A. Shoji , "Uncertainties in AC Voltage Measurements Using Josephson DA Converters" // Bulletin of the Electrotechnical Laboratory, vol. 62, pp. 1-11, 1998. (in Japanese)

45. H. Sasaki, V. Bubanja, S. Kiryu, F. Hirayama, M., Maezawa and A. Shoji, "A Proposal for AC- DC Transfer Difference Measurements Using an SFQ-Based D/A Converter", // ETL Technical Report 1999, (circulation inside ETL only)

46. O.V. КафОУ, V.D. Koutovoi, S.V. Sherstobitov and J. Nimeyer., High-precision Comparision of voltages generated by SIN IS and SIS Josephson junction arrays at the 10 mV level .// Metrologia, 2001, 38, pp. 471-476.

47. Дж. Себер. Линейный регрессионный анализ // Пер. с англ. Под ред. М. Б. Малютова.-М.; Мир, 1980

48. Л Марпл-мл.. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990.

49. Г. Дженкинс, Д. Ватте Спектральный анализ и его прилолсения. - М.: Мир. вып.1, 1971, вып.2, 1972.

50. Н.Н.Калиткин Численные методы. - М.: Мир, 1972. 196.

51. K.K. Likharev, V.K. Semenov, "RSFQ logic/memory family: a new Josephson junction technology for sub-teraherz-ckock-frequency Digital Systems"// IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.l,pp. 3-28, March 1991.

52. V.K. Semenov, "Digital to analog Conversion based on processing of SFQ pulses" // IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.3, pp. 2637-2640, 1993.

53. Д.Р. Васильев, О.В. Карпов, В.Н. Крутиков, В.Д. Кутовой, М.А. Тертычная, СВ. Шерстобитов. Вторичный эталон единицы постоянного напряжения ВЭТ 13-13-01. // Измерительная техника. - N3. - 2003. стр. 25-29.