超精密可编程低温超导电流比较仪关键技术研究

Using the SET (Single Electron Transfer) Pump to establish the Quantum Current Standard is the hotspot and difficulty in Electrical Metrology, which is important for closing the “Quantum Metrology Triangle”, and can offer the method to directly realize the ampere value in the coming NEW SI unit. This project propose the programmable Cryogenic Current Comparator (CCC) transfering and measuring techniques with super-high sensitivity, stability and accuracy to establish the Quantum Current Standard. In order to realize the super-high sensitivity, the methods of increasing the turns of the superconducting coil, investigating the adjustable high frequency filter, and improving the flux-voltage module to increase the slew rate are used. And for the aim to realize the super-high stability, methods of feedforward of system, phase plane technique to analyze the feedback module, the adjusting slow reversing current circuit to overcome the current jump are applied. Furthermore, there proposed a gas pressure filter to improve the system stability. Finally, to get the super-high accuracy, a 15-bit integer turns and fractional turns programmable binary CCC winding self-calibration method and technique are proposed, and the magnetic shield is improved to decrease the magnetic error.

SET单电子泵建立量子电流标准是电学计量领域的热点和难点问题，对闭合“量子计量三角”具有重大意义，为迎接SI基本单位——安培重新定义，提供直接复现量值的重要手段，本课题提出用于建立量子电流标准的超高灵敏度、超高稳定性以及超高准确度的可编程低温超导电流比较仪(CCC)关键测量和传递技术。通过增加超导线圈匝数提高有用信号，研究精密可调式高频滤波器抑制高频噪声，优化磁通-电压转化模型和方法提高CCC摆率，实现CCC超高灵敏度；通过增加前馈预平衡方法提高系统稳定裕度，利用相平面法分析CCC反馈系统模型、研究精密可调式缓慢换向电路克服电流跳跃问题，提出一种气压滤波模型和方法克服气压波动对系统的影响，实现CCC超高稳定度；通过完善超导磁屏蔽技术以降低磁误差，提出一种15位整数匝、多位分数匝可编程二进制超导线圈自校准方法和技术，以高效准确的实现比例自校准，实现CCC超高准确度。

国际单位制基本单位重新定义后，电流单位安培通过基本电荷(e)定义，在此背景下，建立我国的量子电流基准非常迫切，目前复现量子电流的主要路径都依赖于低温超导电流比较仪（CCC）测量技术；我国微弱电流校准和测量能力（CMC）在国际上偏弱；国际上为应对电离辐射领域对高压电离室跨越5个数量级高准确度微弱电流计量需求迫切。综上，研究低温超导电流比较仪关键技术可有效应对以上需求。项目研制了一套15位整数匝、27位分数匝超精密可编程低温超导电流比较仪，可实现pA级微弱电流放大；电流比例不确定度最高达到E-10量级，项目主要开展了CCC直流超导量子干涉仪磁通锁定环分析和设计，测试表明，SQUID磁通锁定环电路系统带宽达到100 kHz以上，在低频下自制电路摆率达到E5 µФ0/s量级，磁通电压系数为192µV/Φ0，性能优异，具有操作灵活，可以施加正负双向的偏置电流，增益更高等特点；开展了CCC电流放大器研究，可用于pA级微弱电流的精密测量，该放大器由二进制超导线圈在15bit内组合任意电流比例，实验结果表明，CCC超导比例线圈与检测线圈耦合系数达到0.61，CCC电流放大比例为2000:1时，在1Hz频率下，放大器的等效输入电流噪声为30fA/√Hz，电流灵敏度为4.71nA/Ф0，该放大器在对峰峰值6pA方波电流测试中得到了验证；开展了CCC比例校准研究，提出一种CCC二进制比例线圈自校准方法，通过正反串超导比例线圈总能实现1:1比例，磁通电压转换器检测零磁通并通过算法达到比较和校准比例的目的，实验表明，CCC比例误差可达到E-10量级；开展了CCC微差补偿技术研究，实现CCC分数匝的设计和测试，理论分辨率可达27bit。本项目的完成，尤其是小电流测量的优异表现，将对量子电流基准的建立、我国微弱电流CMC能力、电离辐射微弱电流计量领域起到很好的支撑作用。