黃曉釘 佟亞珍 蔡建臻

(北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100190)

1 引 言

在航天器中齊納電壓基準(zhǔn)、電阻基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)是常用的內(nèi)附基準(zhǔn)，是航天器中多種測量和控制的參考點(diǎn)，對(duì)航天器的控制具有重要意義。由于齊納電壓基準(zhǔn)、電阻基準(zhǔn)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移，因此對(duì)于長期運(yùn)行的衛(wèi)星或長期儲(chǔ)存導(dǎo)彈的可靠性產(chǎn)生不良影響。確定內(nèi)附電學(xué)基準(zhǔn)長期變化量是航天產(chǎn)品研制和使用的關(guān)鍵任務(wù)之一，可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為產(chǎn)品使用提供修正參數(shù)，對(duì)保障航天器的質(zhì)量具有重要作用。由于在短期內(nèi)電學(xué)基準(zhǔn)的變化量極小，很難測量，通常采用年穩(wěn)定性考核的方式實(shí)現(xiàn)，但效率過低、嚴(yán)重影響產(chǎn)品研制進(jìn)度，成為航天產(chǎn)品研制亟待解決的問題。

電量的測量在控制及測量領(lǐng)域具有重要的基礎(chǔ)作用，在航天器中有大量的電量和非電量需要準(zhǔn)確測量，很多非電量是通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)測量，因此電測量的靈敏度、穩(wěn)定性、線性度是傳感器測量準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)，靈敏度和穩(wěn)定性由傳感器的特性決定，線性度需通過校準(zhǔn)得到，對(duì)于毫伏、微伏量級(jí)的小電壓，由于沒有小量值的標(biāo)準(zhǔn)電壓，不易校準(zhǔn)，成為影響控制精度的關(guān)鍵因素，是當(dāng)前航天傳感器校準(zhǔn)的突出問題。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星電推進(jìn)技術(shù)取得新進(jìn)展，采用電脈沖形成離子推進(jìn)器，可節(jié)省寶貴的燃料，成為新型高軌衛(wèi)星空間姿態(tài)調(diào)整的發(fā)展趨勢(shì)，但需要對(duì)電脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確測量，確定其脈沖波形的上升時(shí)間、脈寬、下降時(shí)間等參數(shù)，其中需要通過電阻實(shí)現(xiàn)脈沖電壓的分壓和脈沖電流到電壓的轉(zhuǎn)換，而電阻具有時(shí)間常數(shù)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，因而不能準(zhǔn)確得到脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間。電阻時(shí)間常數(shù)的校準(zhǔn)成為電脈沖測量的基本問題，測量電阻的時(shí)間常數(shù)通常采用與交流標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較的方式完成，但國內(nèi)目前沒有建立交流電阻標(biāo)準(zhǔn)，成為電學(xué)計(jì)量的突出問題。

針對(duì)以上問題，本文提出采用電學(xué)量子基準(zhǔn)和計(jì)算基準(zhǔn)的解決方案。

2 電學(xué)量子基準(zhǔn)技術(shù)

2.1 量子電壓基準(zhǔn)

約瑟夫森效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)量子電壓基準(zhǔn)的物理基礎(chǔ)，其特性為：采用兩塊被一絕緣層分開的超導(dǎo)體—如相隔1nm的超導(dǎo)鉛膜，形成S-I-S結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在接近絕對(duì)零度的條件下，用頻率為f的微波輻照約瑟夫森結(jié)，其電流-電壓特性曲線上會(huì)呈現(xiàn)出電流的臺(tái)階，如圖2所示。第n個(gè)臺(tái)階的電壓V和輻射頻率f的關(guān)系如下[1]

V=nf/KJ=nfh/2e

(1)

式中：n——整數(shù)；KJ——約瑟夫森常數(shù);KJ=2e/h；h——普朗克常數(shù)；e——電子電荷量。

圖1 SIS結(jié)構(gòu)約瑟夫森電壓器件Fig.1 Josephson voltage device with SIS structure

圖2 約瑟夫森效應(yīng)電流電壓特性曲線Fig.2 I-V curve of the josephson effect

該效應(yīng)由約瑟夫森發(fā)現(xiàn)，并于1975年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由多個(gè)約瑟夫森結(jié)串聯(lián)可組成量子電壓基準(zhǔn)，其中1V、10V是常用基準(zhǔn)。

2.2 可編程量子電壓基準(zhǔn)

可編程量子電壓基準(zhǔn)采用SINIS型約瑟夫森結(jié)陣建立，平臺(tái)更穩(wěn)定，有效克服了SIS結(jié)陣臺(tái)階易跳躍的問題，可編程量子電壓基準(zhǔn)對(duì)串聯(lián)陣列以二進(jìn)制的形式分段[2,3]，輸出電壓可以任意設(shè)定，如圖3所示，隨著輻射頻率的不同，一個(gè)約瑟夫森結(jié)的輸出電壓可為十幾微伏至一百余微伏，通過二進(jìn)制與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換可得到從10μV～10V的任意點(diǎn)的電壓標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)量值的不確定在10-7至10-9量級(jí)。目前1V可編程量子電壓基準(zhǔn)比較成熟，不確定度可達(dá)10-9量級(jí)，10V可編程量子電壓基準(zhǔn)難度較高，德國PTB采用64000結(jié)的二進(jìn)制串聯(lián)陣列，實(shí)現(xiàn)了10V可編程量子電壓基準(zhǔn)。

圖3 可編程約瑟夫森陣列Fig.3 Programmable josephson array

2.3 量子電阻基準(zhǔn)

量子化霍爾效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)量子電阻基準(zhǔn)的物理基礎(chǔ)，其特性為：采用高遷移率的半導(dǎo)體器件—如砷化鎵異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)“二維電子氣”結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度低到約1k左右時(shí)，外加一個(gè)約10T的強(qiáng)磁場，這時(shí)電子被完全極化。在通過器件的電流固定時(shí)，在霍爾電壓隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的曲線上，存在一些區(qū)域，在這些區(qū)域中，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí)，霍爾電壓保持不變，這種現(xiàn)象稱為量子化霍爾效應(yīng)，如圖4所示。這些恒定霍爾電壓的區(qū)域稱為霍爾平臺(tái)，由德國科學(xué)家馮·克里青發(fā)現(xiàn)[1]，并于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，量子化霍爾電阻Rh表示為

Rh=RH/i=h/ie2i=1,2,….

(2)

式中：RH——馮·克里青常數(shù)，RH=h/e2；i——正整數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般使用霍爾平臺(tái)i=2作為量子電阻基準(zhǔn)，其對(duì)應(yīng)的霍爾電阻的量值為12906.4035Ω，該量值可通過高準(zhǔn)確度的電流比較儀傳遞到1Ω實(shí)物基準(zhǔn)，為電阻工作基準(zhǔn)提供溯源途徑[4,5]。

圖4 量子化霍爾效應(yīng)Fig.4 Quantum hall effect

2.4 交流量子電阻基準(zhǔn)

近十余年，交流量子化霍爾效應(yīng)是國際上復(fù)現(xiàn)交流阻抗量值的新方向，假定量子化霍爾效應(yīng)在交流時(shí)仍成立，在量子化霍爾樣品中通以交流電流，由此就可直接得到交流量子電阻的量值，再用電橋法傳遞到實(shí)物交流電阻、電容和電感。但是在常規(guī)的量子化霍爾電阻樣品上實(shí)現(xiàn)交流量子化霍爾效應(yīng)，其值呈現(xiàn)隨頻率變化的趨勢(shì)[6](如圖5所示)，與直流值的偏差為10-5至10-6量級(jí)。

圖5 交流量子化霍爾效應(yīng)存在的問題Fig.5 Problem of the AC quantum hall effect

國際上對(duì)交流量子化霍爾效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)量子化霍爾電阻在交流工作狀態(tài)下仍存在頻率響應(yīng)的問題，其主要原因是縱向電阻率的存在[7]，通過在量子化霍爾電阻器件底部增加兩片分裂的屏蔽門，并對(duì)這兩片屏蔽門施加電壓可以補(bǔ)償頻率和電壓誤差，使得音頻范圍內(nèi)的交直流量子霍爾電阻值的差控制在2×10-8，如圖6所示。

圖6 交流量子化霍爾電阻結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the AC quantum hall resistance

3 計(jì)算電阻技術(shù)

在交流狀態(tài)下，電阻器中存在分布參數(shù)以及趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)等附加損耗，這主要由電阻器的形狀和電阻絲的位置決定。交直流差可計(jì)算電阻是一種形狀規(guī)則的電阻器，其周圍的電磁場可以準(zhǔn)確地計(jì)算，從而使分布電感、分布電容、趨膚效應(yīng)等均可計(jì)算出來，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算出電阻絲通以交流電時(shí)其電阻分量與直流時(shí)的差別，這樣就可完成從直流電阻到交流電阻的轉(zhuǎn)換，直流電阻可溯源到量子化霍爾電阻，因此交流電阻也有了可溯源性。交直流差可計(jì)算電阻通常有以下設(shè)計(jì)類型：同軸型[8](如圖7所示)、二維四極子型[9](如圖8所示)以及二維八極子型[10](如圖9所示)。

圖7 同軸型交直流可計(jì)算差電阻Fig.7 Coaxial resistor with calculable frequency dependence

圖8 二維四極子型交直流可計(jì)算差電阻Fig.8 Quadrifilar reversed resistor with calculable frequency dependence

圖9 二維八極子型交直流可計(jì)算差電阻Fig.9 Octofilar resistor with calculable frequency dependence

4 應(yīng)用

通過對(duì)齊納電壓基準(zhǔn)和電阻基準(zhǔn)的物理和化學(xué)性質(zhì)分析，高精度的齊納電壓標(biāo)準(zhǔn)和電阻標(biāo)準(zhǔn)的變化特性是隨時(shí)間單向變化的，多年的實(shí)測經(jīng)驗(yàn)證明了該結(jié)論。由于通過多年長期考核的方法確定電阻變化量的成本高、效率低、不易實(shí)現(xiàn)，而通過常規(guī)方法的短期考核極難發(fā)現(xiàn)其變化。因量子電阻的測量不確定度可達(dá)10-9量級(jí)，若采用其測量航天器中電阻基準(zhǔn)短期變化量，可測量得到每天10-9量級(jí)的變化量，從而推算出月、年的變化量，乃至長達(dá)十年的變化量，對(duì)航天器的穩(wěn)定控制具有重要作用；同樣齊納電壓也可采用該方法得到長期的變化量。

采用可編程量子電壓可以極小的不確定度校準(zhǔn)多種傳感器輸出的毫伏、微伏量級(jí)電壓的線性度，其中標(biāo)準(zhǔn)電壓的不確定度在10-9量級(jí)，小于分辨力、熱電勢(shì)及各種干擾引入的不確定度，對(duì)航天器中傳感器測量靈敏度和準(zhǔn)確度具有重要意義。

采用交直流差可計(jì)算電阻或交流量子化霍爾電阻可在10-9秒量級(jí)確定電脈沖測量中電阻引入的時(shí)延，對(duì)航天器中電推進(jìn)系統(tǒng)的精確控制具有重要作用。

5 結(jié)束語

本文采用當(dāng)前電學(xué)計(jì)量領(lǐng)域的國際前沿技術(shù)—量子基準(zhǔn)和計(jì)算基準(zhǔn)，有效解決了航天器中電學(xué)基準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性、多種傳感器輸出電信號(hào)的線性度、電脈沖測量電阻引入的時(shí)延等航天電測領(lǐng)域的難題，具有準(zhǔn)確度高、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，為航天器研制提供了關(guān)鍵的計(jì)量保障。