METROLOGIE ELEKTRICKÝCH VELIČIN ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ P14b

Vysvětlení některých pojmů Supravodivost je schopnost některých kovů za nízkých teplot (0,35 K až 20) K vést elektrický proud bezeztrátově, tj. s nulovým elektrickým odporem. Jev nastává pod určitou teplotou. V magnetickém poli tato teplota klesá, při překročení určitého proudu tento jev mizí. Supravodivost je umožněna tvorbou Cooperových párů, tj. vazby dvou elektronů s opačnými spiny. Působení je jen na určitou tzv. koherenční délku. P14b

Vysvětlení některých pojmů Tunelový jev je kvantově mechanický jev, při němž může potenciálovou bariérou projít elementární částice s energií menší než je výška potenciálové bariéry, což podle zákonů klasické mechaniky není možné. P14b

Vysvětlení některých pojmů Mikrovlnné záření je elektromagnetické záření o vlnových délkách mm až dm. Toto záření se nešíří kovovými vodiči ani optickým prostředím, ale šíří se vlnovody, tj. dutinami určitých tvarů, jejichž rozměry mají vztah k vlnové délce záření. Zde už nelze oddělit obvodové prvky s vlastnostmi odporů nebo kapacit, nelze je popsat tzv. soustředěnými parametry. Obvodové prvky mají charakter určitých geometrických struktur na tištěném spoji. P14b

Stejnosměrný Josephsonův jev Kontaktem mezi dvěma slabě vázanými supravodiči, oddělenými izolační vrstvou v řádech nm, může procházet stejnosměrný proud, aniž to má za následek vznik stejnosměrného napětí mezi těmito supravodiči. Kontakt se chová jako kompaktní supravodič, ale jen dokud proud nepřekročí jistou kritickou hodnotu. P14b

Příklady slabě vázaných supravodičů, různé typy Josephsonových kontaktů: tunelový spoj, hrotový kontakt, můstkový spoj P14b

Na obr. a) je supravodivý tunelový spoj tvořený dvěma proužky supravodivého materiálu oddělenými vrstvou oxidu. Uspořádání se nazývá tunelovým proto, že mechanismus průchodu proudu z jednoho supravodiče do druhého spočívá v tunelování elektronů sdružených do Cooperových párů vrstvou oxidu. Tloušťka izolační vrstvy musí být menší než je koherenční délka supravodiče, ta je u kovových materiálů asi 100 nm až 5000 nm. P14b

Schéma Josephsonova přechodu P14b

Základní volampérová charakteristika stejnosměrného Josephsonova jevu. Důležité jsou oblasti označené šipkami ! P14b

VA charakteristika J-jevu Při malých proudech se tento spoj chová jako supravodič, při vzrůstu proudu nad určitou hodnotu supravodivost skokem zaniká, supravodivé systémy na sebe vzájemně nepůsobí a pro závislost proudu začne přibližně platit Ohmův zákon. V oblastech označených šipkami právě nastala obyčejná vodivost, tj. byl překročen kritický proud. P14b

VA charakteristika J-jevu Po překročení kritického proudu se mezi oběma supravodiči objeví stejnosměrné napětí U a spojem začne protékat střídavý supraproud, jehož kmitočet f je vázán s napětím U vztahem: kde e je náboj elektronu a h je Planckova konstanta a f je kmitočet supraproudu. P14b

Střídavý Josephsonův jev Uvedený jev byl prokázán experimentálně a byl nazván střídavý Josephsonův jev. Uvedený vztah platí nezávisle na použitých supravodičích a na způsobu dosažení slabé vazby mezi nimi. Z metrologického hlediska je to ideální převodník U/f. Při napětí 1 mV vzniká střídavý signál o kmitočtu 483,5 MHz. P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Josephson předpověděl i opačný jev. Při ozáření kontaktu mikrovlnným zářením o kmitočtu f dochází k modulaci supraproudu procházejícího kontaktem, což má za následek, že se na na VA charakteristice objeví řada oblastí, v nichž se proud (v určitých mezích) neřídí stejnosměrným napětím, objeví se stupně při určitých napětích. P14b

P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev kde n je celé číslo. Tato metoda byla prvně vyzkoušena Shapirem a grafickému zobrazení této skutečnosti se říká Shapirovy schody. Viz též následující obrázek. P14b

P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Kmitočet f přitom musí být blízký rezonančnímu kmitočtu kontaktu a nabývá hodnot řádově desítek GHz. Tunelový spoj je možné si v této souvislosti představit jako rezonátor s rovnoběžnými odrazovými plochami. Josephsonův spoj je ideální převodník f/U s převodním činitelem rovným celistvému násobku poměru h/(2e). P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Kmitočet lze měřit s nejistotou menší než 10-11, takže o nejistotě, s níž lze vypočítat napětí Un rozhoduje jen nejistota, se kterou známe h/(2e). Aby se usnadnilo vzájemné porovnávání, byla od r. 1990 přes CCE dohodnuta doporučená hodnota Josephsonovy konstanty KJ-90 = 483 597,9 GHz/V. P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Tloušťka izolační vrstvičky je kritická, musí být srovnatelná s koherenční délkou. Při překročení tloušťky se snižuje hodnota kritického proudu a dochází k rozpadu Cooperových párů, při malých tloušťkách nelze jev vybudit. Dnes se užívá jako supravodič niob, je odolný k oxidaci a změnám teplot. P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Jako izolátor se používá oxid hlinitý. Tloušťky Nb vrstev jsou několik desetin mm, takže plošné spoje vykazují velkou kapacitu, tato je příčinou silné hysteréze VA charakteristik, takže se Shapirovy stupně vzájemně překrývají, což je pro metrologii výhodné, lze je provozovat dokonce i bez použití napájecího proudu. P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Přesto napájecí proud a příkon mikrovlnného záření musí být nastaven velmi přesně, aby nedocházelo k  chaotickému chování spoje. J-spoje pracují při teplotě kapalného helia (4,2 K), starší zařízení musí být udržováno při této teplotě trvale. P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Jak bylo vidět na předchozích charakteristi-kách, Josephsonovo napětí je velmi malé. Pro dosažení vyššího napětí je možno použít vyšších kmitočtů, ale zdroje mikrovlnného záření, tedy klystron nebo Gunnova dioda, jsou jen do 100 GHz. Dnes je nejběžnější frekvence 70 GHz a tomu odpovídá výška jednotlivých stupňů 145 mV. P14b

Inverzní střídavý Josephsonův jev Je tedy zřejmé, že dosažení vyššího napětí je možno jen použitím většího počtu spojů řazených v sérii. Na dalším obrázku je jednoduchá konstrukce primárního etalonu elektrického napětí pomocí inverzního střídavého Josephsonova jevu. P14b

Josephsonův napěťový etalon a,b – přizpůsobení k vlnovodu, c – odporové vedení, d –řetěz přechodů, e,f – ss vývody, g – dolní propusť. P14b

Josephsonův napěťový etalon Na řešení tohoto problému se soustředily laboratoře v USA, Německu a Japonsku. Dnes se již vyrábějí pole s  20  000 Josephsonovými spoji, čímž vznikají etalony v rozsahu –15 V až +15 V. Struktura takového etalonu je na dalším obrázku a dále je řez mikrovlnovodem spoje. P14b

Struktura čipu s řadami J-spojů P14b

Řez mikrovlnovodem s J-spoji P14b

Standardní čip s J-spoji vyrobený v PTB, 10x16 mm, 2000 spojů Nb/Al2O3, 16 řad P14b

Blokové schéma J‑ etalonu s řídicími a měřicími obvody P14b

Moderní systém etalonu s J-spoji od firmy HYPRES vpravo je nízkoteplotní část s He P14b

Sekundární etalony elektrického napětí Westonovy články, polovodičové etalonové zdroje napětí: Zenerovy diody, stabilizátor využívající zakázaného pásma. P14b

Westonovy články Tyto elektrochemické články se používají ve dvou typech jako nasycené (tj. s nasyceným elektrolytem CdSO4) a nenasycené. Nasycené články vykazují výbornou dlouhodobou stabilitu svého napětí, nevýhodou je větší teplotní závislost a citlivost na otřesy a transport. Články nenasycené jsou méně stabilní, mají menší závislost na teplotě a jsou méně citlivé na otřesy a transport. P14b

Westonovy články Napětí Westonova článku nasyceného typu je naprázdno při teplotě 20 °C kolem 1,018 66 V. Vnitřní odpor je podle typu 100 W až 1000 W. Nepříjemnou vlastností je hysteréze při změně teplot. Články udržují dlouhodobě své napětí, ale projevuje se u nich časová závislost, delší ustalování údaje po výrobě a také stárnutí po deseti letech. Proto se z těchto článků vytvářejí skupinové etalony. Nyní jsou již úspěšně nahrazovány polovodičovými etalony. P14b

Zenerovy diody Zenerovy diody jsou polovodičové diody, využívající průchodu proudu v nepropustném směru. Dioda se zapojuje sériově s  rezistorem a na diodě vzniká stabilizované Zenerovo napětí Ur, které se používá pro účely etalonáže. Napětí je téměř konstantní pro určitý rozsah proudu, závisí na teplotě a vykazuje jev stárnutí. P14b

Stabilizátor se Zenerovou diodou a jeho VA charakteristika P14b

Etalony se Zenerovými diodami Pro lepší stabilizaci napětí se stabilizuje i proud procházející diodou. Kompenzace teplotní závislosti: dioda s napětím kolem 6 V, sériové zapojení Z-diody se dvěma běžnými diodami v propustném směru, regulace teploty diody. P14b

Etalony se Zenerovými diodami Umělé stárnutí se provádí provozem při vyšší teplotě a/nebo při vyšším zatížení. Takto je možno snížit teplotní závislost až na hodnotu 1·10-6 K-1 (obvod MAC199). Drift je způsoben migrací iontů v polovodičové struktuře. Pro vyšší stabilitu musí být tyto obvody pod trvalým zatížením. P14b

Stabilizátor využívající šířky zakázaného pásma křemíku Jedná se o dvojici bipolárních tranzistorů s rozdílným proudovým zatížením, daným odstupňovanými plochami jejich emitorů. Výstupní napětí má nejmenší teplotní závislost, je-li nastaveno na hodnoty plynoucí z teoretických úvah, tedy 1,205 V. Rezistory musí být nastaveny na přesné hodnoty laserovým trimrováním. Po doplnění P14b

Stabilizátor využívající šířky zakázaného pásma křemíku dalšími korekčními obvody a zesílením napětí operačním zesilovačem na 10 V byl tento stabilizátor vyráběn i u nás pod označením MAC01 a byl určen pro použití v D/A a A/D převodnících. Vlastností tohoto typu stabilizátoru se ještě příliš nevyužívá, jeho schéma je na následujícím obrázku. P14b

Stabilizátor využívající šířky zakázaného pásma křemíku P14b

Napěťový referenční etalon DATRON 4910 Patří mezi polovodičové zdroje napětí. Má čtyři nezávislé výstupy 10 V, které mohou být řazeny sériově a jejichž napětí je možno měnit po malých krocích 1·10-5 %. Odběrový proud až 15  mA. Pro každý výstup je použit zvláštní modul se Zenerovou diodou, která je na společném čipu s diodou pro teplotní kompenzaci, teplotním čidlem a topným elementem. P14b

Pracovní měřidla Hranice přesnosti analogových voltmetrů, principu magnetoelektrického je kolem 0,1 %. Větších přesností nyní dosahují digitální voltmetry a multimetry. Světoví výrobci multimetrů jsou firmy Datron, Hewlett-Packard, Fluke. Speciální multimetry nyní již dosahují rozlišení na 8,5 míst, jako přístroj Datron 1281. Tento přístroj ukazuje napětí 19 V jako 19,000  000  0  V, tedy s rozlišením 100  nV. P14b

Kalibrátory V metrologii se často používají multimetrům podobné přístroje – kalibrátory. Tato zařízení jsou vlastně generátory a vytvářejí požadované hodnoty napětí. Musí obsahovat kvalitní napěťovou referenci a další elektronické obvody, umožňující vytvářet požadované násobky a díly z této napěťové reference. P14b

Hranice možností měření napětí Měření napětí je rušeno teplotním šumem, který nastává na každém rezistoru. Velikost tohoto šumu závisí na termodynamické teplotě a velikosti odporu rezistoru. Na následujícím obrázku jsou ilustrovány možnosti měření napětí různými přístroji. P14b

Hranice možností měření napětí P14b

Hranice možností měření napětí Na vodorovné ose je uveden odpor zdrojů, na svislé ose jsou uvedeny napěťové úrovně měřených a šumových napětí. Černý trojúhelník vpravo dole je oblast, kde je z  důvodů šumu měření nemožné. Krajní možnosti digitálních multimetrů (DMM) jsou ve středu oblasti, měření na vyšších odporech mohou zajistit elektrometry, měření nižších úrovní napětí zajišťují nanovoltmetry (nVM), pro ještě nižší úrovně musí být opatřeny předzesilovačem. P14b

Stav v ČR Po rozpadu federace u nás nebyly žádné primární etalony elektrických veličin. Kvantový etalon napětí zakoupený na sklonku ČSFR vlastní Slovenská republika. Jako členové metrické konvence jsme bezplatně v Paříži navazovali etalony 10 V a 1,018 V. Využíváme také cestovní polovodičové etalony, které nám zapůjčuje BIPM. P14b

Stav v ČR Nedávno již byl zakoupen kvantový etalon elektrického napětí, který je umístěn v  ČMI v Brně. Toto pracoviště čeká několikaletá experimentální činnost a několikeré mezinárodní porovnávání, než bude tento etalon zařazen jako primární nebo národní etalon elektrického napětí. P14b

Kvantový etalon elektrického napětí ČR P14b