izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-7-30-35izmertech-1606Research ArticleГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫSTATE STANDARDSПерспективы применения квантовых мер напряжения на эффекте Джозефсона для совершенствования эталонов вольтаProspects for the application of voltage quantum measures based on the Josephson effect for improving Volt standardshttps://orcid.org/0000-0001-5597-9437КатковА. С.KatkovA. S.

Александр Сергеевич Катков

Санкт-Петербург

Alexander S. Katkov

St. Petersburg

A.S.Katkov@vniim.ruПетровскаяА. Н.PetrovskayaA. N.

Анастасия Николаевна Петровская

Санкт-Петербург

Anastasia N. Petrovskaya

St. Petersburg

A.N.Petrovskaya@vniim.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1418-3680ГублерГ. Б.GublerG. B.

Глеб Борисович Гублер

Санкт-Петербург

Gleb B. Gubler

St. Petersburg

G.B.Gubler@vniim.ruШевцовВ. И.ShevtsovV. I.

Владимир Иванович Шевцов

Санкт-Петербург

Vladimir I. Shevtsov

St. Petersburg

V.I.Schevtsov@vniim.ruВсероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. МенделееваРоссияD. I. Mendeleyev Institute for Metrology (VNIIM)Russian Federation202212052023073035Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1606

Описано совершенствование эталонов вольта на основе эффекта Джозефсона как этап развития квантовых эталонов вольта ВНИИМ. Создание и совершенствование аппаратуры проведено на базе джозефсоновских микросхем типа «сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник» для воспроизведения постоянных напряжений до 10 В. Представлены результаты разработки транспортируемых квантовых эталонов на базе джозефсоновских  безгистерезисных микросхем типа «сверхпроводник – нормальный металл – сверхпроводник» и «сверхпроводник – изолятор – нормальный металл – изолятор – сверхпроводник». Показано, что безгистерезисные микросхемы можно применять для воспроизведения постоянных напряжений, а также напряжений произвольной формы путём аппроксимации сигналов джозефсоновскими ступенями и импульсной сигма-дельта модуляции, позволяющей воспроизводить напряжение с заданным уровнем гармоник. Приведены результаты исследования передачи единицы вольта измерительным каналам переменного напряжения с высокоточными аналого-цифровыми преобразователями из состава Государственного первичного эталона единиц электрической мощности в диапазоне частот от 1 до 2500 Гц ГЭТ 153-2019.

The improvement of volt standards based on the Josephson effect as a stage in the development of VNIIM quantum volt standards is described. The creation and improvement of equipment was carried out based on Josephson arrays of the “superconductor – insulator – superconductor” type for reproducing direct current voltages up to 10 V. The results of the development of transportable quantum standards based on Josephson hysteresis-free array of the “superconductor – normal metal – superconductor” and “superconductor – insulator – normal metal – insulator – superconductor” are presented. It is shown that hysteresis-free arrays can be used to reproduce constant voltages, as well as voltages of arbitrary shape by approximating signals with Josephson steps and pulsed sigma-delta modulation, which makes it possible to reproduce voltage with a given level of harmonics. The results of a study of the transfer of a unit of volt to measuring channels of alternating voltage with high-precision analog-to-digital converters from the State primary standard of electric power units in the frequency range from 1 to 2500 Hz GET 153-2019 are presented.

эффект Джозефсонаджозефсоновская микросхемаквантовая мера напряжениясверхпроводникизоляторнормальный металлJosephson effectJosephson arrayquantum measure of voltagesuperconductorinsulatornormal metalReferencesJosephson B. D., Phys. Lett., 1962, vol. 1, no. 7, pp. 251– 253. https://doi.org/10.1016/0031-9163(62)91369-0Josephson B. D., Phys. Lett., 1962, vol. 1, no. 7, pp. 251– 253. https://doi.org/10.1016/0031-9163(62)91369-0The International System of Units (SI), 9th ed., Paris, Bureau International des Poids et Mesures, 2019.The International System of Units (SI), 9th ed., Paris, Bureau International des Poids et Mesures, 2019.Shapiro S., Phys. Rev. Lett., 1963, vol. 11, no. 2, pp. 80– 82. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.11.80Shapiro S., Phys. Rev. Lett., 1963, vol. 11, no. 2, pp. 80– 82. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.11.80Александров В. С., Катков А. С., Телитченко Г. П. Новый государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы // Измерительная техника. 2002. № 3. С. 6–9 [Aleksandrov V. S., Katkov A. S., Telitchenko G. P., Measurement Techniques, 2002, vol. 45, no. 3, pp. 228–232. https://doi.org/10.1023/A:1015954501462].Александров В. С., Катков А. С., Телитченко Г. П. Новый государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы // Измерительная техника. 2002. № 3. С. 6–9 [Aleksandrov V. S., Katkov A. S., Telitchenko G. P., Measurement Techniques, 2002, vol. 45, no. 3, pp. 228–232. https://doi.org/10.1023/A:1015954501462].Катков А. С. Транспортируемый эталон сравнения на эффекте Джозефсона // Измерительная техника. 2005. № 2. С. 48–51 [Katkov A. S., Measurement Techniques, 2005, vol. 48, no. 2, pp. 175–179. https://doi.org/10.1007/s11018-005-0119-8].Катков А. С. Транспортируемый эталон сравнения на эффекте Джозефсона // Измерительная техника. 2005. № 2. С. 48–51 [Katkov A. S., Measurement Techniques, 2005, vol. 48, no. 2, pp. 175–179. https://doi.org/10.1007/s11018-005-0119-8].Катков А. С., Ловцюс В. Э. Компактный эталон сравнения на эффекте Джозефсона с выходным напряжением 10 В // Измерительная техника. 2011. № 7. С. 41–45 [Katkov A. S., Lovtsyus V. E., Measurement Techniques, 2011, vol. 54, nо. 7, pp. 801– 807. https://doi.org/10.1007/s11018-011-9807-8].Катков А. С., Ловцюс В. Э. Компактный эталон сравнения на эффекте Джозефсона с выходным напряжением 10 В // Измерительная техника. 2011. № 7. С. 41–45 [Katkov A. S., Lovtsyus V. E., Measurement Techniques, 2011, vol. 54, nо. 7, pp. 801– 807. https://doi.org/10.1007/s11018-011-9807-8].Behr R., Katkov A. S., Metrologia. Technical Supplement, 2005, vol. 42, 01005. https://doi.org/10.1088/0026-1394/42/1A/01005Behr R., Katkov A. S., Metrologia. Technical Supplement, 2005, vol. 42, 01005. https://doi.org/10.1088/0026-1394/42/1A/01005Катков А. С., Солве С. Ключевые сличения эталонов вольта ВНИИМ и МБМВ // Измерительная техника. 2011. № 11. С. 70– 73 [Katkov A., Solve S., Measurement Techniques, 2012, vol. 54, no. 11, pp. 1313–1318. https://doi.org/10.1007/s11018-012-9873-6].Катков А. С., Солве С. Ключевые сличения эталонов вольта ВНИИМ и МБМВ // Измерительная техника. 2011. № 11. С. 70– 73 [Katkov A., Solve S., Measurement Techniques, 2012, vol. 54, no. 11, pp. 1313–1318. https://doi.org/10.1007/s11018-012-9873-6].Гудков А. Л., Катков А. С., Козлов А. И., Краснополин И. Я., Самусь А. Н. СПИС программируемого эталона вольта и перспектива развития джозефсоновской элементной базы // Приборы. 2011. № 11(137). С. 19–25 [Gudkov A. L., Katkov A. S., Kozlov A. I., Krasnopolin I. Ya., Samus A. N., The programmable voltage standard SCIC and the development prospect of Josephson element base, Pribory, 2011, no. 11 (137), pp. 19–25 (In Russ.)].Гудков А. Л., Катков А. С., Козлов А. И., Краснополин И. Я., Самусь А. Н. СПИС программируемого эталона вольта и перспектива развития джозефсоновской элементной базы // Приборы. 2011. № 11(137). С. 19–25 [Gudkov A. L., Katkov A. S., Kozlov A. I., Krasnopolin I. Ya., Samus A. N., The programmable voltage standard SCIC and the development prospect of Josephson element base, Pribory, 2011, no. 11 (137), pp. 19–25 (In Russ.)].Lee J., Behr R., Palafox L., Katkov A., Schubert M., Starkloff M., Bock A. C., Metrologia, 2013, no. 50, pp. 612–622. http://dx.doi.org/10.1088/0026-1394/50/6/612Lee J., Behr R., Palafox L., Katkov A., Schubert M., Starkloff M., Bock A. C., Metrologia, 2013, no. 50, pp. 612–622. http://dx.doi.org/10.1088/0026-1394/50/6/612Катков А. С., Ловцюс В. Э., Быков А. И., Шевцов В. И., Новодережкин Г. В. Воспроизведение вольта во ВНИИМ на основе СИС и СНС переходов Джозефсона // Измерительная техника. 2017. № 6. С. 45–48. [Katkov A. S., Lovtsyus V. E., Bykov A. I., Shevtsov V. I., Novoderezhkin G. V., Measurement Techniques, 2017, vol. 60, no. 6, pp. 589–593 https://doi.org/10.1007/s11018-017-1240-1].Катков А. С., Ловцюс В. Э., Быков А. И., Шевцов В. И., Новодережкин Г. В. Воспроизведение вольта во ВНИИМ на основе СИС и СНС переходов Джозефсона // Измерительная техника. 2017. № 6. С. 45–48. [Katkov A. S., Lovtsyus V. E., Bykov A. I., Shevtsov V. I., Novoderezhkin G. V., Measurement Techniques, 2017, vol. 60, no. 6, pp. 589–593 https://doi.org/10.1007/s11018-017-1240-1].Катков А. С., Ловцюс В. Э., Быков А. И., Шевцов В. И., Петровская А. Н., Бэр Р., Киелер О. Квантовая мера для воспроизведения сигналов переменного напряжения // Измерительная техника. 2020. № 4. C. 39–43. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-4-39-43 [Katkov A. S., Lovtsyus V. E., Bykov A. I., Shevtsov V. I., Petrovsrkaya A. N., Behr R., Kieler O. F., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 4, pp. 295– 300. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01786-0].Катков А. С., Ловцюс В. Э., Быков А. И., Шевцов В. И., Петровская А. Н., Бэр Р., Киелер О. Квантовая мера для воспроизведения сигналов переменного напряжения // Измерительная техника. 2020. № 4. C. 39–43. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-4-39-43 [Katkov A. S., Lovtsyus V. E., Bykov A. I., Shevtsov V. I., Petrovsrkaya A. N., Behr R., Kieler O. F., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 4, pp. 295– 300. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01786-0].Gubler G., Katkov A., Investigation of ADC-Aided AC Measurement through the use of PJVS, Conference Digest СРЕМ 2012, Washington, 2012, pp. 64–65. https://doi.org/10.1109/CPEM.2012.6250662Gubler G., Katkov A., Investigation of ADC-Aided AC Measurement through the use of PJVS, Conference Digest СРЕМ 2012, Washington, 2012, pp. 64–65. https://doi.org/10.1109/CPEM.2012.6250662Kieler O. F., Iuzzolino R., Kohlmann J., IEEE Transactions on Applied Super-conductivity, 2009, vol. 19, no. 3, pp. 230–233. https://doi.org/10.1109/TASC.2009.2019283Kieler O. F., Iuzzolino R., Kohlmann J., IEEE Transactions on Applied Super-conductivity, 2009, vol. 19, no. 3, pp. 230–233. https://doi.org/10.1109/TASC.2009.2019283Schreier R., Temes G., Understanding Delta-Sigma Data Converters, Pisctaway, New Jersey, IEEE Press, 2005, 566 p.Schreier R., Temes G., Understanding Delta-Sigma Data Converters, Pisctaway, New Jersey, IEEE Press, 2005, 566 p.Benz S. P., Dresselhaus P. D., Rüfenacht A., Bergren N.F., Kinard J. R., Landim R. P., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009, vol. 58, no. 4, pp. 838–843. https://doi.org/10.1109/CPEM.2008.4574646Benz S. P., Dresselhaus P. D., Rüfenacht A., Bergren N.F., Kinard J. R., Landim R. P., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009, vol. 58, no. 4, pp. 838–843. https://doi.org/10.1109/CPEM.2008.4574646Benz S. P., Burroughs C. J., Dresselhaus P. D., IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001, vol. 11, no. 1, pp. 612–616. https://doi.org/10.1109/77.919419Benz S. P., Burroughs C. J., Dresselhaus P. D., IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001, vol. 11, no. 1, pp. 612–616. https://doi.org/10.1109/77.919419Flowers-Jacobs N. E., Rufenacht A., Fox A. E., Dresselhaus P. D., Benz S. P., Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), 2016, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM.2016.7540601Flowers-Jacobs N. E., Rufenacht A., Fox A. E., Dresselhaus P. D., Benz S. P., Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), 2016, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM.2016.7540601Гублер Г. Б., Никитин А. Ю., Шапиро Е. З., Алексеева Н. С. Многофункциональный государственный первичный эталон единиц электрической мощности в диапазоне частот от 1 до 2500 Гц ГЭТ 153-2019 // Эталоны. Стандартные образцы. 2020. № 16(1). C. 7–16. https://doi.org/10.20915/2687-0886-2020-16-1-7-16 [Gubler G. B., Nikitin A. Yu., Shapiro E. Z., Alekseeva N. S., Multifunctional state primary power standard in the frequency range from 1 to 2500 Hz, GET 153-2019, Measurement Standards. Reference Materials, 2020, no. 16(1), pp. 7–16 (In Russ.)].Гублер Г. Б., Никитин А. Ю., Шапиро Е. З., Алексеева Н. С. Многофункциональный государственный первичный эталон единиц электрической мощности в диапазоне частот от 1 до 2500 Гц ГЭТ 153-2019 // Эталоны. Стандартные образцы. 2020. № 16(1). C. 7–16. https://doi.org/10.20915/2687-0886-2020-16-1-7-16 [Gubler G. B., Nikitin A. Yu., Shapiro E. Z., Alekseeva N. S., Multifunctional state primary power standard in the frequency range from 1 to 2500 Hz, GET 153-2019, Measurement Standards. Reference Materials, 2020, no. 16(1), pp. 7–16 (In Russ.)].Katkov A., Gubler G., Shevtsov V., Petrovskaya A., Behr R., Kieler O., Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-2020), 2020, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM49742.2020.9191742Katkov A., Gubler G., Shevtsov V., Petrovskaya A., Behr R., Kieler O., Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-2020), 2020, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM49742.2020.9191742

The authors declare that there are no conflicts of interest present.