4.3 Система еталонів в галузі електрорадіовимірювань

Еталонні бази різних країн мають свої особливості, однак аналіз загального рівня розвитку методів відтворення одиниць вимірювань і досвіду розвинених країн дозволяє говорити про деякі загальні закономірності побудови оптимальної еталонної бази в розглянутій галузі (рис. 4.3).

Основу системи еталонів становлять такі квантові еталони: еталон одиниці часу (частоти), що базується на атомному переході в ізотопі цезію − секунди; еталон одиниці електрорушійної сили і постійної напруги – вольта, що базується на ефекті Джозефсона; еталон одиниці електричного опору – ома, що базується на квантовому ефекті Холла; еталон одиниці магнітної індукції – тесли, що базується на явищі ядерного магнітного резонансу. Саме ці еталони, завдяки високій точності, надійності та доступності, стали базовими еталонами системи.

Рис. 4.3. Система еталонів у галузі електрорадіовимірювань

Еталонна база в галузі електрики являє собою не просто сукупність еталонів, але систему з досить розвиненими зв'язками як між окремими еталонами, так і з еталонами інших галузей вимірювань. Радіотехнічні еталони є складовою частиною цієї системи. Оскільки електричні одиниці, як правило, відтворюються з найвищою точністю на постійному струмі чи струмі низької частоти, а потім “переносяться” у радіодіапазон, можна вважати, що електричні еталони є метрологічною основою радіотехнічних еталонів. При загальній кількості одиниць, що застосовуються в електрорадіовимірюваннях (ЕРВ), більше п’ятидесяти централізовано, тобто за допомогою еталонів, відтворюються в різних країнах лише 10 – 15 одиниць. Оскільки частотний і динамічний діапазони застосування багатьох одиниць дуже широкі, у ряді випадків для відтворення однієї і тієї самої одиниці створюється кілька еталонів (приклад: еталони вольта на постійному струмі, у НЧ-діапазоні, у ВЧ-діапазоні, для високих напруг постійного та змінного струму).

Перейдемо до розгляду квантових (базових) еталонів системи (еталон одиниці часу вже розглянутий у розділі 3, п. 3.1).

4.4 Еталон вольта на ефекті Джозефсона

4.4.1 Фізична суть ефекта Джозефсона

Ефект Джозефсона виникає за деяких умов в контактах двох надпровідників, розділених тонким шаром діелектрика (рис. 4.4) [32, 34]. Ефект одержав назву за ім’ям англійського вченого Б. Джозефсона, що відкрив його в 1962 році.

Надпровідник

Діелектрик

E

Надпровідник

Рис. 4.4. Схематичне зображення джозефсонівского переходу

Науковий опис цього ефекту виходить за рамки даного посібника, тому розглянемо його фізичну суть коротко. Відомо, що при температурі нижче визначеної критичної , властивої даному матеріалу чи сплаву, останній переходить в особливий надпровідний стан, у якому електричні й магнітні властивості принципово відрізняються від тих, які метал (сплав) має при звичайних температурах. Виникнення надпровідного стану пояснюється появою особливого роду носіїв електричного заряду – зв'язаних електронних (куперівських) пар, які утворюються при. Наведемо такий приклад (рис. 4.5).

Якщо постійну напругу прикласти до надпровідника, у колі потече електричний струм, а падіння напруги на надпровіднику буде дорівнювати нулю (рис. 4.5 а).

Якщо тепер надпровідник розділити на 2 частини з великою відстанню між ними, струм текти не буде, а вольтметр покаже напругу джерела (рис. 4.5 б).

Рис. 4.5. До пояснення фізичної суті ефекту Джозефсона

При зменшенні відстані між двома надпровідниками до деякого значення (порядку одиниць нм), має місце перехід електронів з одного надпровідника в інший (тунелювання куперівских пар електронів), тобто в колі потече струм, хоча падіння напруги між надпровідниками не буде (рис. 4.5 в). Це явище одержало назву стаціонарного ефекту Джозефсона.

При збільшенні струму більше деякого критичного надлишок енергії випромінюється у вигляді кванта світла – фотона з енергією , тобто коло починає генерувати ВЧ-напругу (рис. 4.5 г). Частотацього випромінювання визначається законом збереження енергії:

.

Це явище назвали нестаціонарним ефектом Джозефсона. Воно має обернений характер, тобто якщо опромінювати джозефсонівский перехід коливанням з деякою частотою , то при збігу цієї частоти з характерною для даної напругиU частотою виникає резонансна взаємодія. Такий же резонанс настає при, де– ціле число, у результаті чого на вольт-амперній характеристиці (ВАХ) переходу з'являються особливості (рис. 4.6) у вигляді сходинок при напругах

,

де − номер сходинки.

Величина називається квантом магнітного потоку, обернена– сталою Джозефсона.

Рис. 4.6. Вольт-амперна характеристика джозефсонівського переходу

Оскільки частота в даний час може бути створена дуже стабільною і точно виміряна, теоретично досяжна точність відтворення напруги за допомогою ефекту Джозефсона при коректній апаратурній реалізації обмежується похибкою визначення h/2е.