izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-7-4-8izmertech-1965Research ArticleГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫSTATE STANDARDSГосударственный первичный эталон вольта четвёртого поколенияState primary volt standard of the fourth generationhttps://orcid.org/0000-0001-5597-9437КатковА. С.KatkovA. S.

Александр Сергеевич Катков

Санкт-Петербург

Alexander S. Katkov

St. Petersburg

A.S.Katkov@vniim.ruШевцовВ. И.ShevtsovV. I.

Владимир Иванович Шевцов

Санкт-Петербург

Vladimir I. Shevtsov

St. Petersburg

V.I.Schevtsov@vniim.ruГромоваЮ. А.GromovaJ. A.

Юлия Андреевна Громова

Санкт-Петербург

Julia A. Gromova

St. Petersburg

J.A.Gromova@vniim.ruВсероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. МенделееваРоссияD. I. Mendeleyev Institute for MetrologyRussian Federation2023300820230748Copyright © Катков А.С., Шевцов В.И., Громова Ю.А., 20232023Катков А.С., Шевцов В.И., Громова Ю.А.Katkov A.S., Shevtsov V.I., Gromova J.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1965

Представлены результаты научных исследований, направленных на усовершенствование Государственного первичного эталона единицы электрического напряжения ГЭТ 13-01, построенного на основе квантового эффекта Джозефсона. В процессе усовершенствования ГЭТ 13-01 решены следующие задачи: расширен диапазон воспроизведения постоянного напряжения в результате перехода от двух реперных точек с номинальными значениями напряжения 1 и 10 В к диапазону 1·10–3–10 В; повышена помехоустойчивость воспроизводимого напряжения за счёт внедрения меры напряжения с безгистерезисной джозефсоновской микросхемой; обеспечена стабильность воспроизводимого напряжения; автоматизирован процесс передачи единицы напряжения как мерам напряжения, так и измерителям напряжения; обеспечен процесс установки заданного напряжения во временно́ й области. Усовершенствованный ГЭТ 13-01 утверждён с новым составом как Государственный первичный эталон единицы электрического напряжения ГЭТ 13-2023. В ГЭТ 13-2023 использованы квантовые меры напряжения на основе джозефсоновских микросхем разного типа. Исследованы метрологические характеристики ГЭТ 13-2023 в процессе сличений квантовых мер, входящих в его состав (с гистерезисной и безгистерезисной джозефсоновскими микросхемами). ГЭТ 13-2023 обеспечивает воспроизведение единицы электрического напряжения со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 1·10–9 В, неисключённой систематической погрешностью не более 1·10–9 В в диапазоне напряжений 1·10–3–1 В и обеспечивает воспроизведение единицы электрического напряжения со средним квадратическим отклонением результата измерений в диапазоне напряжений 1–10 В не более 10–9, умноженное на значение воспроизводимого напряжения, неисключённой систематической погрешностью не более 10–9, умноженное на значение воспроизводимого напряжения. Полученные результаты актуальны для обеспечения единства измерений в области постоянного напряжения и проведения международных ключевых сличений.

The results of scientifi c research aimed at improving the State primary standard of electrical voltage unit GET 13-01, built on the basis of the Josephson quantum effect, are presented. In the process of improving GET 13-01, the following tasks were solved: the range of reproduction of constant voltage was expanded as a result of the transition from two reference points with nominal voltage values of 1 and 10 V to the range of 1·10–3–10 V; increased noise immunity of the reproducible voltage due to the introduction of a voltage measure with a hysteresis-free Josephson array; the stability of the reproduced voltage is ensured; the process of transferring a unit of voltage to both voltage measures and voltage meters is automated; the process of setting the specifi ed voltage in the time domain is provided. The improved GET 13-01 was approved with a new composition as the State Primary Standard of the unit of electrical voltage GET 13-2023. GET 13-2023 uses quantum voltage measures based on various types of Josephson arrays. The metrological characteristics of GET 13-2023 are studied in the process of comparisons of quantum measures included in its composition (with hysteresis and hysteresis-free Josephson arrays). GET 13-2023 provides reproduction of the unit of electrical voltage with a standard deviation of the measurement result of not more than 1·10–9 V, a non-excluded systematic error of not more than 1·10–9 V in the voltage range of 1·10–3–1 V and provides reproduction of a unit of electrical voltage with a standard deviation of the measurement result in the voltage range of 1–10 V not more than 10–9 multiplied by the value of the reproduced voltage, a nonexcluded systematic error of not more than 10–9 multiplied by the value of the reproduced voltage. The obtained results are relevant for ensuring the uniformity of measurements in the fi eld of constant voltage and for conducting international key comparisons.

воспроизведение напряжениямера напряжениякалибровкаэффект Джозефсонаджозефсоновские микросхемыкритический токквантовая ступень напряженияключевые сличенияvoltage reproductionvoltage measurecalibrationJosephson effectJosephson arrayscritical currentvoltage quantum stepkey comparisonsReferencesАлександров 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, 2007, vol. 45, pp. 228-232. https://doi.org/10.1023/A:1015954501462Avrons D., Katkov A., Krzhimovsky V., Reymann D., Witt T. J. Bilateral comparison of 1.018 V standards between the VNIIM and the BIPM. Rapport BIPM-99/2, available at: https://www.bipm.org/documents/20126/27085544/bipm+publication-ID-368.pdf/5225962a6c67-94b7-2d18-06835ddc0970 (accessed: 05.07.2023).Avrons D., Katkov A., Krzhimovsky V., Reymann D., Witt T. J. Bilateral comparison of 1.018 V standards between the VNIIM and the BIPM. Rapport BIPM-99/2, available at: https://www.bipm.org/documents/20126/27085544/bipm+publication-ID-368.pdf/5225962a6c67-94b7-2d18-06835ddc0970 (accessed: 05.07.2023).Katkov A. S., Solve S., Stock M. Bilateral Comparison of 10 V Standards between the VNIIM (Russia) and the BIPM, August to October 2007 (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-K11.b). Rapport BIPM-07/07, available at: https:// www.bipm.org/documents/20126/27085544/bipm+publicationID-1838.pdf/bbad746f-caf5-2f2a-4bae-ef1b43b0a698 (accessed: 05.07.2023).Katkov A. S., Solve S., Stock M. Bilateral Comparison of 10 V Standards between the VNIIM (Russia) and the BIPM, August to October 2007 (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-K11.b). Rapport BIPM-07/07, available at: https:// www.bipm.org/documents/20126/27085544/bipm+publicationID-1838.pdf/bbad746f-caf5-2f2a-4bae-ef1b43b0a698 (accessed: 05.07.2023).Behr R., Katkov A. S. Metrologia, 2005, vol. 42, no. 1A, 01005. https://doi.org/10.1088/0026-1394/42/1A/01005Behr R., Katkov A. S. Metrologia, 2005, vol. 42, no. 1A, 01005. https://doi.org/10.1088/0026-1394/42/1A/01005Solve S., Chayramy R., Stock M., Katkov A. Metrologia, 2011, vol. 48, 01007. https://doi.org/10.1088/0026-1394/48/1A/01007Solve S., Chayramy R., Stock M., Katkov A. Metrologia, 2011, vol. 48, 01007. https://doi.org/10.1088/0026-1394/48/1A/01007Benz S. P., Burroughs C. J., Dresselhaus P. D., Christina L. A. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2001, vol. 50, no. 2, pp. 181–184. https://doi.org/10.1109/19.918096Benz S. P., Burroughs C. J., Dresselhaus P. D., Christina L. A. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2001, vol. 50, no. 2, pp. 181–184. https://doi.org/10.1109/19.918096Katkov A., Shevtsov V., Gubler G. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, 2018, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8500892Katkov A., Shevtsov V., Gubler G. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, 2018, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8500892Катков 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., et al. Measurement Techniques, 2017, vol. 60, pp. 589– 593. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1240-1Mise en pratique for the defi nition of the ampere and other electric units in the SI, SI Brochure-9 the edition (2019) – Appendix 2, available at: https://www.bipm.org/documents/20126/41489676/SIApp2-ampere.pdf (accessed: 05.07.2023).Mise en pratique for the defi nition of the ampere and other electric units in the SI, SI Brochure-9 the edition (2019) – Appendix 2, available at: https://www.bipm.org/documents/20126/41489676/SIApp2-ampere.pdf (accessed: 05.07.2023).Solve S., Kim M. S., Palafox L., Behr R., Budovsky I., Gluber G. B. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Denver, CO, USA, 2020, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM49742.2020.9191727Solve S., Kim M. S., Palafox L., Behr R., Budovsky I., Gluber G. B. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Denver, CO, USA, 2020, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/CPEM49742.2020.9191727

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