Státní etalon stejnosměrného elektrického napětí

Název etalonu: Státní etalon stejnosměrného elektrického napětí

Kódové označení: ECM 210-1/13-051

Rok vyhlášení: 2013

Pracoviště: odd. 6011 ČMI OI Brno

Garant: Ing. Jiří Streit

Počet zajišťovaných CMC řádků: 4

Systém SI definuje jednotku proudu ampér, a tedy by se dala považovat za hlavní jednotku v oblasti elektromagnetických veličin. Bohužel kvantové etalony proudu jsou zatím pouze ve vývoji. Naproti tomu kvantové etalony napětí a odporu jsou používány již mnoho let a ve všech národních metrologických institutech slouží k realizaci jednotek ss elektrického napětí a odporu. Z nich se pak dále na základě Ohmova zákona odvozuje jednotka proudu.

Státní etalon stejnosměrného napětí se začal na ČMI budovat již v roce 1995. Byl založen na skupině zenerových referencí a jeho návaznost byla zajišťována pravidelnou kalibrací referenční jednotky v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy (BIPM) v Paříži. Tento etalon byl vyhlášen za státní v roce 2000 a realizoval stejnosměrné napětí o hodnotách 10 V, 1 V a 1.018 V s nejistotou ±5.0 µV pro 10 V. V roce 2001 se začal na ČMI OI Brno budovat kvantový etalon stejnosměrného napětí na bázi Josephsonova jevu. V roce 2004 bylo provedeno první úspěšné mezinárodní porovnání na hodnotě 1 V. Od roku 2006 pak probíhala pravidelná navázání skupiny zenerových referencí na tento kvantový etalon. Po rekonstrukci kryogenní části v roce 2009 bylo dosaženo plného a spolehlivého chodu kvantového etalonu i na napětí 10 V. V roce 2011 pak bylo provedeno přímé dvoustranné porovnání s kvantovým etalonem BIPM, které potvrdilo uváděné nejistoty kvantového etalonu ČMI. Výsledný naměřený rozdíl napěťových úrovní kvantových etalonů ČMI a BIPM a celková nejistota měření byla:

V roce 2013 pak došlo k novému vyhlášení státního etalonu ss napětí již s tímto kvantovým etalonem. Tímto krokem se zařadila Česká republika mezi země realizující vlastní nezávislou jednotku stejnosměrného napětí.

Základem primárního etalonu je polovodičový čip s tzv. Josephsonovými přechody, umístěný v kryogenní části zajišťující pracovní teplotu čipu cca 4 K. Další součástí etalonu je pak skupina Zenerových referencí, která zajišťuje průběžné uchovávání jednotky stejnosměrného napětí a zároveň slouží jako referenční etalony ss napětí. Dalšími součástmi jsou zdroj mikrovlnného výkonu a mikrovlnný čítač, řídící zdroj, nanovoltmetr a osciloskop. Návaznost frekvence je pak zajištěna přes GPS přijímač přímo na státní etalon času ČR. Úplné schéma kvantového etalonu stejnosměrného napětí v galerii.

Za nízkých teplot se z některých kovů stávají supravodiče, ve kterých elektrický odpor klesá na nulu. To je důsledkem vytvoření tzv. Cooperových párů, což jsou dvojice vzájemně velmi slabě vázaných elektronů. Všechny Cooperovy páry v jednom supravodiči mají stejnou vlnovou délku a fázi a dokážou procházet materiálem bez rozptylu na kovové mřížce, proto není pozorován v supravodičích elektrický odpor. Již delší dobu bylo známo, že elektrony dokážou procházet bariérou (např. tenkým dielektrikem) tzv. tunelováním. Podstata Josephsonova jevu je právě v tunelování Cooperových párů. Pokud máme dva supravodiče oddělené tlustou bariérou, fáze Cooperových párů v jednotlivých supravodičích jsou nezávislé. Pokud postupně snižujeme tloušťku bariéry, začnou Cooperovy páry tunelovat mezi oběma supravodiči, čímž vznikne slabá fázová vazba mezi Cooperovými páry obou supravodičů. Josephson vypočítal, že tunelovací proud skrz bariéru je sinovou funkcí rozdílu fází, a rozdíl fází je funkcí stejnosměrného napětí na bariéře. Důsledkem jsou následující tři podoby jevu:

1. stejnosměrný Josephsonův jev, kdy stejnosměrný proud přechází přes Josephsonův přechod bez vytvoření napětí na přechodu,
2. střídavý Josephsonův jev, kdy přivedením střídavého napětí na Josephsonův přechod se vytvoří proudové oscilace, tedy jev slouží jako převodník napětí na frekvenci,

inverzní střídavý Josephsonův jev, kdy přivedením střídavého proudu (obvykle pomocí externího elektromagnetického pole) na Josephsonův přechod se vytvoří stejnosměrné napětí, tedy jev slouží jako dokonalý převodník frekvence na napětí.

Inverzní střídavý Josephsonův jev se využívá v metrologii. Rovnice odvozená B. D. Josephsonem má tvar:

Kde značí:

Ze vztahu je vidět, že napětí na Josephsonově přechodu nezávisí na amplitudě střídavého proudu, pouze na jeho frekvenci. K dosažení nízké teploty potřebné pro vznik supravodivého jevu v čipech (pod pět kelvinů) se obvykle používá kapalné helium. V poslední době se také začíná používat různých chladících zařízení. Etalon ČMI je chlazen na základě pulsně-akustického jevu. Do trubice naplněné plynným heliem jsou přiváděny tlakové (akustické) vlny, které mají za následek ohřev jednoho konce trubice a ochlazení druhého konce. Tento systém nepotřebuje žádné mechanické součásti uvnitř chladící trubice a vakuové nádoby kromě malého ventilu vytvářejícího akustické vlny, který je ovšem umístěn mimo vakuovou nádobu a v dostatečné vzdálenosti od měřících vodičů. Tudíž chladicí systém produkuje pouze velmi malé mechanické otřesy a minimální elektromagnetický šum. Samotný Josephsonův čip je umístěn ve vakuové nádobě, čímž se omezuje tok tepla z vnějšího prostředí. Jako ochrana před magnetickým rušením je použita mu-metalová fólie. Mikrovlny jsou přivedeny k Josephsonově čipu vlnovodem, který je ve vakuové nádobě rozdělen dvěma trychtýřovými anténami pro omezení tepelného toku vedením. Čip je připojen k ovládacímu řídícímu zdroji a měřenému zařízení celkem šesti vodiči, jejichž průřez a délka je zvolena jako kompromis mezi celkovým elektrickým odporem vodičů a výsledným tepelným tokem na čip. Mezi vodiči existuje nenulový svodový odpor, který přispívá k celkové nejistotě etalonu. Jeho hodnota je stálá a lze ji změřit.

Mikrovlny jsou generovány Gunnovou diodou. Frekvence mikrovln je měřena a řízena čítačem, který je navázaný na referenční etalon frekvence. Ten je dále navázaný na státní etalon času pomocí globálního polohovacího systému (GPS, Ground Positioning System) metodou „Common view“. V laboratoři je měřena časová stupnice GPS a zároveň se stejné měření provádí na oddělení státního etalonu frekvence a času. Porovnáním naměřených dat lze získat odchylku referenčního etalonu frekvence vůči státnímu etalonu a tedy i nejistotu frekvence mikrovlnného záření dopadajícího na Josephsonův čip.