采用约瑟夫森电压基准参加“直流电压比率”的国际比对

    0　引言

    直流电压测量是电磁计量中重要的基础测量之一。直流电压的测量及校准常常借助于直流电压比例分压器,以溯源到直流电压工作基准。分压器比例测量准确度的提高,将大大降低直流电压测量及校准的不确定度,正因如此,国际计量局(BIPM)将直流电压比例分压器的测量确定为国际关键比对项目之一,以反映各国对直流电压进行量值传递的水平。

    此次“直流电压比率比对”由意大利国家实验室(IEN)负责组织和实施,共有包括中国、美国、英国、法国、俄罗斯、加拿大及日本等14个国家的实验室参加,时间是从1999年2月至2001年5月。中国计量科学研究院(NIM)被安排在第七站,于2000年4月进行比对。比对采用一只Datron公司制造的直流电压分压器4902S(序列号s/n20335)作为传递标准,并采用“轮辐式”方法,即每次在一个实验室的比对结束后,传递标准立即被送回IEN的主导实验室进行校准,然后再送到下一个参加比对的实验室。各个国家实验室用各自的方法对传递标准的比率进行一系列测量,测量结果经整理后送交IEN。全部比对结束后由IEN公布比对结果报告。

    比对要求测量分压器传递标准的6个比率值,其中两个必测点,4个选测点。计量院电磁处主要承担这次国际比对的任务,并决定采用电桥法进行测量。

    计量院量子电压实验室拥有国家1V和10V约瑟夫森电压基准,其测量不确定度分别为6×10^-9及5.4×10^-9,测量准确度大大高于其它测量手段。由于国际比对对测量的准确度及不确定度要求较高,因此量子电压实验室承担了其中10V/1V和10V/0.1V两个比率值的测量任务。尤其是10V/0.1V比率值的测量,因涉及小电压0.1V的测量,故采用约瑟夫森电压基准进行测量有着突出的优点,可以保证测量达到较高的准确度,增加比对数据的可信度。

    本次测量工作于2000年4月17日至19日进行。

    1　测量设备

    10V/1V和10V/0.1V两个比率值均采用约瑟夫森电压基准进行测量。

    约瑟夫森电压基准采用20208个约瑟夫森结串联而成的10V约瑟夫森结阵,微波源采用频率在75GHz左右、输出功率约90mW的耿氏固态振荡器,通过锁相环路使其频率不稳定度达到5×10^-10。采用低热电势多路转换开关连接结阵与被测电压,并用一台高内阻的精密数字电压表HP3458来测量串联结阵电压与被测电压的差值。用计算机完成数据采集并根据微波频率和台阶数,计算出测量结果及其分散性。

    由于采用的结器件高达10V,因此所复现出的直流电压可在0.1V～10V范围内连续可调,以满足对0.1V、1V及10V的高准确度测量要求,从而得到其比率值。