Устройство для измерения ультранизких напряжений

1 .",I

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<щ737851

Союз Советскив

Социалистических.Республик

К АВТОРСКОМУ СВ ИПЛЬСТВУ (61 } Дополнительное к авт. свид-ву (Я)М. Кл. (22) Заявлено 011277 (21) 2548894/18-21

G 01 R 19/26 с присоединением заявки Мо (23) Приоритет

- Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 317, 7 (088. 8) г

Опубликовано 3005.80. Бюллетень Йо 20

Дата опубликования описания 300580 (72) Автор изобретения

Г.С. Кривой

Омский политехнический институт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАНИЗКИХ

НАПРЯЖЕНИЙ нами в качестве прототипа, содержаций частично резистивный сквид-ре- сквид, связанный индуктивно с колебательным контуром, подключенным к усилителю высокой частоты, на выходе которого включен амплитудный детек гор и частотомер (2). На ресквид лопается магнитный поток ВЧ-накачки, например, от отдельного генератора, подключенного к катушке, индуктивно связанной с ресквидом. Измеряемое напряжение прикладывается к резистивному участку ресквида.

Генератор, усилитель и детектор образуют блок высокочастотной накачкй, усиления и амплитудного детектирования, который может быть реализован и другими средствами, например, без генератора, когда для

ВЧ-накачки используется автогенерация усилителя. Этот .вольтметр является цифровым, причем измеряемое найряжение -преобразуется в частоту в ресквиде в соответствии с соотношением Джоэефсона: х фо

1.

Изобретение относится к технике . измерения ультраниэких электрических напряжений ниже 10 B. с использованием явления сверхпроводимости и эффекта Джоэефсона в слабосвязанных З сверхпроводниках.

Известны автокомпенсационные вольтметры ультранизких напряжений, в которых в качестве нуль-органа используются сверхпроводящие квантовые 10 интерференционные датчики-сквиды (1), Эти вольтметры содержат сквид,элек тронную схему усиления, детектирования и фильтрации сигнала со сквида, выходной измерительный приФэр, цепь 15 компенсации и связанную со сквидом катушку индуктивности, к зажимам которой подключено измеряемое напряжение, Информация об измеряемом напряжении в таких вольтметрах пред- 20 ставлена в аналоговой форме.

Выявление полярности измеряемого напряжения в принятой системе отсчета производится по полярности выходного Напряжения. Недостатком таких 25 .вольтметров является аналоговая форма сигнала и необходимость калибровки коэффициента преобразования.

Известен также вольтметр ультранизких напряжений, рассматриваемый 3Р где Х вЂ” частота джозефсоновской осцилляции

737851

U — напряжение на переходе Джо-.

М зефсона, Ф ька =zo7!Ои

Вб -" квант магнитого потока. джозефсоновская осцилляция вызывает периодическое с частотой fx изменение импеданса ресквида, что — приводит к амплитудной модуляции напряжения на колебательном контуре, После усиления этого напряжения усилителем высокой частоты и детектирования амплитудным детектором на его вы ходе появляется переменное напряжение ,с частотой fx . Частота fx измеряется частотомером, Коэффициент преобразования A измеряемого напряжения"в- частоту заранее известен и определяется только мировыми постоянными: н„ze сГО 1

Х

Поэтому калибровка вольтметра не требуется, если используется электронно-счеТный частотомер.

При подаче на вход известного вольтметра напряжений различной

:полярности в принятой системе отсчета значение частоты fg зависит толь1ico от модуля измеряемого напряжения и ке зависит от его полярности,Это явля

""" ет ся недостатком известного вольтметра и не позволяет выявлять полярность измеряемого напряжения, что ограничивает область применения известного вольтметра.

Цель изобретения — определение полярности измеряемого напряжения.

Для достижения поставленной цели в устройство для измерения ультраниз ких напряжений, содержащий частично реэистивный сквид, индуктивко связанный с колебаТельным контуром, подключенным к блоку высокочастотной накачки, состоящеМУ -из последовательно соединенных усилителя с автогекерацией и детектора, на выходе которого включен частотомер, входные зажимы, подключенные к резистивной части сквида, и резистор, введены генератор двухполярных симметричных прямоугольных импульсов (меандра)

N интетратор. Вход интегратора подключен к генератору импульсов, а "выход через резистор — к катушке индуктквности колебательного контуРа. Частотомер выПолнеи на реверсивных счетчиках, вход направления счета-котбрых соединен с генератором импульсов.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на,фиг. 2 — временные диаграммы его работы.

Устройство для измерения ультранизких напряжений содержат ресквид с переходом Джозефсона 2 и зажимами 3, ка которые подается измеряемое напряжение. Ресквйд 1 индуктивно свя зан с катущкой индуктивности 4 коле60

65 санная в счетчиках после окончанйя одного периода меандра, положительна, так как /fz+ fx/) /f — fx/.

Когда измеряемое найряженйе U< (линия 20) отрицательно, то к переходу Джозефсона 2 приложено напряже1 баТельного контура 5, подключенного к входу усилителя 6 высокой частоты, работающего" в автогенерационном режимЬ; s связи с чем отпадает необходимость в отдельном генераторе высокочастотной накачки. На выходе усилителя 6 включен амплитудный детектор

7. Усилитель 6 и амплитудный детектор 7 составляют блок 8 высокочастотной накачки. С выхода блока 8 сигнал пбдается на частотомер 9, выполненный на реверсивных счетчиках. Генератор 10 меандра подключен. к входу интегратора 11, выход которого через развязывающйй резистор

12 подключен к катушке индуктивности

15 4. Для управления напряжением счета реверсивных счетчиков частотомера

9 используется меандр, поэтому генератор 10 подключен к входу 13 управления направлением счета.

20 С генератора 10 на вход интегратора 11 пОступает напряжение меандра (кривая 14 на фиг .2) . С выхода интегратора 10 результат интегрирования меандра — пилообразное напряжение задает в катушке индуктивности 4 пилообразный ток (крквая 15). Сопротивление резистора 12 достаточно велико, чтобы выход интегратора 11 не шунтировал контур 5 и ке ухудшал его добротность. Пилообразный ток индуцирует в контуре ресквида 1 MC (кривая 16), повторяющую по форме меандр.

Амплитуда ЭДС равна Е. ЭДС суммируется с положительным в выбранной системе отсчета измеряемым напряжением + U< (линия 17), а результат суммирования (кривая 18) приложен к переходу Джоэефсона 2. В положительные полупериодй меандра амплитуда напряжения на переходе Джозефсона равна /U„ + E/, а в отрицательные полупериоды равна /Π— Е/. В соответствии с соотношением Джозефсона в ресквиде 1 возникает осцилляция, частота которой (кривая 19) прямо пропорциональна модулю напряжения (кривая 18). В положительные полупериоды меандра эта частота равна

/fe+ f /, а в отрицательные полух Р периоды равна /Й вЂ” Е„ /. После уси5() ления и детектирования на выходе блока 8 появляется сигнал, частота которого -измеряется частотомером 9 отдельно в положительный и отрицательный полупериоды меандра 14.

Иеандр 14 управляет направлением счета реверсивных счетчиков частотомера 9, причем в положительный полупериод меандра осуществляется сложение, а в отрицательный полупериод — вычитание. Разность, эапи73

Мие (кривая 21), причем амплитуда этого напряжения в положительные по-, лупериоды меандра равна /Š— U„f а в отрицат ел ь ные; пол у периоды р а вн а

/-Е-Б /.

В этом случае возникает осцилляция с частотой, показанной на фиг.2 кривой 22, а число, записанное в реверсивных счетчиках частотомера 9 в положительный полупериод меандра, будет меньше, чем число импульсов, вычитаемое в отрицательный полупериод меандра. Следовательно, разность записанная в счетчиках по истечении одного периода меандра, отрицательна.

Полярность измеряемого напряжения может быть выявлена, например, во втором полупериоде меандра,когда в процессе вычитания разность, записанная в счетчиках, становится равной нулю (если напряжение U отрицательно), или на протяжении всего второго полупериода меандра не принимает нулевого значения (когда напряжение U положительно). формула изобретения

Устройство для измерения ультрачизких напряжений, содержашее частич7851 6 но реэистивный сквид, индуктивно связанный с колебательным контуром, подключенным к блоку высокочастотной накачки, состояшему из последовательйо соединенных усилителя с автогенерацией и детектора, на выходе которого включен частотомер, входные зажимы, подключенные к резистивной части сквида, и резистор, о т л ич а ю ш е е с я тем, что, с целью выявления полярности измеряемого напряжения, введены генератор двух- полярных прямоугольных симметричных импульсов и интегратор, вход которого подключен к генератору импульсоB, а выход — через резистор к катушке ин15 дуктивности колебательного контура, а частотомер выполнен на реверсивных счетчиках, вход управления направлением счета которых соединен с генератором импульсов.

20 †- .Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Солимар Л, Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение, M. р Мир, 1974, с. 388. 5 2. Патент ChlA 9 3. 622. 881, кл. 324-120, 2 3. 11. 71.

737851

37хФ

Заказ 2á54/25 шираз. 1019. Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Умгород, ул. Проектная,4

Составитель Ф. Цареградский .

Редактор Е. Дайч Техред Н.Бабурка- Корректор И. Муска