噪声法测量玻尔兹曼常数研究综述

量子电压标定的噪声温度计作为一种纯电学的测量方法,在精密测量玻尔兹曼常数进而重新定义温度单位开尔文的重大历史变革中发挥了重要作用。本文阐述了量子电压标定噪声温度计的基本原理,并从传输线匹配、电磁干扰和感应电压误差三个方面分析了面临的主要技术挑战。此外,概述了噪声温度计的国内外研究现状,并展望了温度单位开尔文重新定义后主要的研究方向。     

噪声温度计用放大器设计与性能评估

低噪声、低失真、高共模抑制比的放大器对于噪声法测量热力学温度至关重要。设计了由前置放大、仪表放大和缓冲放大3级组成的噪声温度计用高性能放大器。其中,采用具有超低噪声的结型场效应对管IF9030作为前置差分放大级的输入;研制了自动化测量对管转移特性的装置,用于在大批量对管中挑选匹配度更优的器件;采用互相关技术压低电路中不相关的噪声,从而确保能够准确测量到被放大器背景噪声淹没的非线性失真信号;重点评估了放大器在1MHz带宽内的共模抑制比和放大器受双频激励时的非线性失真。测量结果表明,放大器的背景噪声为1.2nV/Hz1/2;100kHz带宽内的共模抑制比优于90dB,100kHz至1MHz带宽内的共模抑制比会随着频率的增加而降低,但不低于70dB;放大器受频率为400kHz、401kHz,幅度有效值为8μV的双频信号激励时,产生的二阶交调失真信号比双频信号低79dB,二阶谐波失真信号比双频信号低85dB。     

1V脉冲驱动型交流量子电压源研究

脉冲驱动型交流量子电压标准ACJVS通过高速脉冲序列驱动约瑟夫森结阵芯片的方式实现宽频带交流量子电压的合成,相比于可编程型交流量子电压标准PJVS,具有免台阶切换、频谱纯净、频带宽等优点。搭建的系统主要包括8位高速脉冲码型发生器、微波放大器、直流阻断、约瑟夫森结阵芯片等。通过驱动包含4个子阵列,每个子阵列含12810个约瑟夫森结的结阵芯片,并结合4通道联合低频补偿的方式,成功产生了1V有效值的脉冲驱动型交流量子电压,为进一步建立交流量子电压基准打下了坚实的基础。最后,展望了脉冲驱动型交流量子电压在量子阻抗桥、交流量子功率源、交流量子功率表方面的应用价值。     

量子电压标定的叠加型噪声温度计研究

针对传统开关切换型噪声温度计存在测量时间长且需要匹配传输线的问题,搭建了一种量子电压标定的叠加型噪声温度计,从而消除切换开关。该方案一方面不需要匹配传输线,另一方面允许增加传感器电阻阻值从而提高测量的信噪比。系统主要包括量子电压赝噪声源、低噪声放大滤波电路和高精度数据采集电路等模块。采用四阶拟合外推到直流以消除传输线效应的影响,从而得到正确的热力学温度值。恒温实验室的验证性实验表明,经过100 s测量得到的结果与名义温度值的相对偏差为0.027%、不确定度为0.16%,说明了所提出方案的可行性。