新型交流量子电压信号合成方法研究

Quantum voltage standard was established based on the Josephson effect because it converts frequency to voltage perfectly. The current ac quantum voltage waveform systhesizers in National institutes of metrology consist of complicate driven sources and cannot output stable waveform. To meet the requirement of long period measurements, we propose to develop new pulse driven quantum votage waveform synthesis method and technique in this project, to simplify the ac quantum voltage standard system and to get stable output. We will study on 1) synthesis method with new pulse-encoding technique by combining the bipolar code generator and DC current source,2）reducing the inductive voltage that contributes to the systematic error in the systhesized quantum voltage waveform, 3) optimizing the modulation parameters to drive the Josephson junction to the second quantum step and thus to increase the amplitude of the output waveform, and 4) the route and method for precision measurement with the ac quantum voltage wavefrom.

超导约瑟夫森效应建立了电压向频率的溯源路径，从而被用来建立量子电压标准。本项目拟针对国际上现有交流量子电压信号合成系统结构复杂，工作状态不稳定等问题，研究新的脉冲驱动的交流量子电压波形合成方法与技术，通过采用新型的脉冲编码方式，实现脉冲序列与直流电流结合驱动约瑟夫森结的合成方式，从而简化现有交流量子电压合成系统硬件结构，提高系统运行的稳定性，降低感应电压带来的系统误差；通过对驱动脉冲序列的优化，探索使约瑟夫森结阵运行在第二量子电压台阶，从而提高合成电压信号幅度的可行性；研究交流量子电压信号的输出频率特性及负载能力，建立基于交流量子电压信号进行仪器校准和精密测量的方案。

交流量子电压标准是当今国际计量领域重要的研究热点之一。传统的交流电压标准采用了热转换器，然而受热电效应等因素的影响，热转换器的准确度较低，并且其性能会随着温度和湿度的变化出现漂移。与此不同，以量子物理效应为基础的交流约瑟夫森电压标准（ACJVS）具有复现性好、稳定性高和不确定度低等优点。本项目搭建了一套ACJVS系统，并针对合成原理与合成优化以及应用层面开展了一系列研究。主要研究内容和取得的创新性成果如下：. 搭建了包含约瑟夫森结阵芯片、微波驱动模块、低频驱动模块和电压测量模块的ACJVS系统。利用ACJVS合成了不同幅度、不同频率、包含不同个数频率分量的电压。以校准热传递标准Fluke 792A为例，评估了合成的量子电压传递到被校准设备过程中受到的各种不确定度因素的影响。. 在合成原理与合成优化层面，开展了两方面的研究：（1）提出了一种新型的合成方法——双脉冲抵消法，从而减小了感应电压、简化了系统结构。详细分析了双脉冲抵消法与已有合成方法的系统结构和驱动方式，并比较了它与已有合成方法在减小低频电流分量、减小感应电压方面的差异。（2）提出采用算法优化多频率信号中各个谐波分量的初相位，从而减小了波峰因数、压缩了时域波形，进而提高了ACJVS的合成能力，具体使ACJVS合成的包含200个频率分量的多频率信号中各频率分量的幅度最大值从0.6mV提高到了1.3mV。. 在应用层面，也开展了两方面的研究：（1）利用量子电压标定的噪声温度计精密测量了玻尔兹曼常数。其中，采用新型双脉冲抵消法合成了量子电压噪声，改进了切换开关电路，并重点研究了非线性失真的影响，从而使玻尔兹曼常数测量的不确定度降到了2.7×10-6，测量结果被CODATA 2014和CODATA2017收录。（2）提出将ACJVS合成的电压信号用于放大器的行为级建模。搭建了行为级建模平台，并以归一化均方误差为根据，建立了放大器的行为级模型。通过比较放大器输出端的预测值与实测值之间的差异，证明了所建立行为级模型的准确性，从而拓宽了ACJVS的应用范围。