溯源到约瑟夫森量子电压标准的电子温标

Stable and accurate temperature scale is essential for precise temperature measurement. Recent investigations discovered that the current International Temperature Scale (ITS90) is of discrepancy from the thermodynamic temperature scale in some aspects. We proposed to establish a pure electronic temperature scale with traceability to the quantum Josephson voltage standard. Through optimizing the Josephson junction array devises, the ac quantum voltage standard system, and the pulse driven arbitrary waveform synthesis technique, we will synthesize a series of quantum accurate pseudo noise waveform with different power spectral density and different statistical distributions, which can be used as references for thermodynamic temperature scale by matching the noise powers to the Johnson noise arising from thermal motion of electrons in a conductor. We will investigate the effects from the parasitic impedance of the Josephson junction array, the different statistic distributions, and non-ideal behavior of the noise thermometer on measurement of the thermodynamic temperature. We will also precisely measure the thermodynamic temperature of some fix points in the ITS90, to provide reference data for correcting the ITS90.

高度稳定、准确的温标是精确测量温度的前提。最新的研究表明，现行ITS90国际温标与真实的热力学温标之间存在一定的差异。本项目提出建立一种溯源到约瑟夫森量子电压标准的电子温标。通过优化约瑟夫森结阵器件、交流量子电压标准系统和脉冲驱动的任意波形合成技术，合成具有不同功率谱密度和统计分布特征的量子电压噪声信号，能够与不同温度下电阻的热噪声匹配，从而作为一种热力学温标的参考。通过研究降低约瑟夫森结阵电路寄生参数、合成噪声信号的统计分布、噪声温度计中非理想因素等对热力学温度测量的影响，精密测量ITS90温标中不同定义固定点的热力学温度，为国际温标的修订提供参考数据。

准确可靠的温度测量是当前精密测量领域的热点和难点。噪声温度计作为一种原级测温方法，一方面可以为国际温标的修订提供重要参考数据，另一方面有望解决极端环境的温度测量难题。本项目在约瑟夫森结阵制备、量子电压系统搭建、基于噪声温度计的电子温标、实用型噪声温度计方面开展了一系列的研究工作，具体研究内容和取得的创新性成果如下：.制备了用于开关切换型量子电压标定噪声温度计的包含20个约瑟夫森结的量子电压噪声源芯片，以及可用于叠加型噪声温度计的包含8000个约瑟夫森结的量子电压噪声芯片。两个量子电压芯片的第一台阶宽度均大于1mA。上述工作使我国成为继美国、德国、日本后第四个达到该集成度的国家。.研制了主要包含高性能脉冲码型发生器、约瑟夫森结阵芯片、微波放大器等的量子电压合成系统。研究了传统合成方法、单脉冲零补偿法、三电平双脉冲零补偿法、五电平双脉冲零补偿法的性能。解决了高速驱动脉冲与多通道低频补偿电流源的联合驱动技术。利用搭建的系统成功合成了幅度有效值最大可到1V的交流量子电压信号，填补了国内空白。.研制了一套量子电压标定的开关切换型噪声温度计系统，实现了对镓熔点、铟凝固点热力学温度的测量。研究了不同谱线密度、幅度对测量结果的影响；研制了用于对管自动化筛选的模块，测试时间从之前的30分钟缩短到了2分钟，极大地提高了筛选效率；研制了用于热噪声测量的极低噪声放大器；阐明了各种因素对不确定度的影响机理。镓熔点的测量结果为TGa=302.9115K±5.2mK，铟凝固点的测量结果为TIn=429.7442K±7.4mK，这为国际温标的修订提供了重要的参考数据。.针对实用型噪声温度计的需求，提出了一种新型的全差分叠加型噪声温度计。该方案相比于国外现有方案，具有更强的抗电磁干扰能力。比较了单端叠加型噪声温度计与全差分叠加型噪声温度计在频谱方面的差异；研制了低成本高精度电阻测量仪器；详细分析了各种因素对功率比值的影响；利用搭建的系统测量镓熔点热力学温度，经过50s积分，测得的温度值为302.93K±1.21K。