CN102590568A - 用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，包括转接头、测量转接盒、连接杆和屏蔽筒，屏蔽筒内设置有超导阵列结，连接杆内设有同轴电缆A和同轴电缆B；同轴电缆A上端头的线芯与测量转接盒内的电压输出接口低端相连接，同轴电缆A下端头的线芯与超导阵列结电压输出高端相连接，同轴电缆A下端头的屏蔽层与超导阵列结电压输出低端相连接；同轴电缆B上端头的线芯与测量转接盒内的电压输出接口高端相连接，同轴电缆B下端头的线芯与该同轴电缆B下端头的屏蔽层短接；同轴电缆A上端头的屏蔽层与同轴电缆B上端头的屏蔽层短接在一起。本发明解决了在低温环境下测试探杆在交流电压的测量中由于温差热电势而影响测量结果不确定度的问题。

Description

用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆
技术领域
本发明涉及一种低温测试探杆，特别涉及一种用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆。
背景技术
低温测试探杆是超导电压标准中的重要组成部分，在测试过程中，探杆负责把超导电压从低温环境中通过低温连接引线引出到常温中进行测试。由于超导电压标准使用的超导阵列结工作在液氦温区，温度约为4.2K，测量仪器处于实验室控温环境中，温度为293 K（20℃）左右，因此低温测试探杆连接引线两端的温差约为290 K，这就会在连接引线上产生温差热电势。
通常在超导直流电压标准中，低温测试探杆中的连接引线采用两根材料和长度均相等的低温连接引线，这两根连接引线又工作在完全相同的环境中，故两根导线产生的热电势可以抵消，减小对直流电压测量结果的影响，另外在直流电压标准的测量中，可以通过正反向的方法来进一步的消除残余热电势对测量结果的影响。
然而在超导交流电压标准中，为了降低外界噪声对交流电压信号的影响，其低温测试探杆中采用的连接引线是耐低温的同轴电缆。如图1所示，现有的低温测试探杆包括：转接头1′、测量转接盒2′、连接杆3′、屏蔽筒4′、超导阵列结5′和同轴电缆6′；由于同轴电缆6′的芯线61′和屏蔽层62′的材料以及体积不同，故在同轴电缆6′的芯线61′和其屏蔽层62′上产生的热电势U1′和U2′不相同，这就会在测量端引入一个热电势差ΔU′（ΔU′=U1′-ΔU2′），该热电势差叠加在信号上，会在交流电压的有效值测量时引入误差，影响了交流电压标准的测量不确定度，另外在交流电压的测量上又无法像直流电压的测量那样采用正反向的方法来进一步消除热电势对测量结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术的缺陷，而提供一种用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆。该测试探杆解决了在低温环境下测试探杆在交流电压的测量中由于温差热电势而影响测量结果不确定度的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，所述测试探杆包括转接头、测量转接盒、连接杆和屏蔽筒，所述转接头固定设置于所述测量转接盒的一端，所述测量转接盒的另一端与所述连接杆的上端部固接在一起，所述屏蔽筒与所述连接杆的下端部固定连接在一起；
所述屏蔽筒内设置有超导阵列结，所述连接杆内设有连接引线，所述的连接引线包括同轴电缆A和同轴电缆B；
所述同轴电缆A上端头的线芯与所述测量转接盒内的电压输出接口低端相连接，所述同轴电缆A下端头的线芯与所述超导阵列结电压输出高端相连接，该同轴电缆A下端头的屏蔽层与所述超导阵列结电压输出低端相连接；
所述同轴电缆B上端头的线芯与所述测量转接盒内的电压输出接口高端相连接，所述同轴电缆B下端头的线芯与该同轴电缆B下端头的屏蔽层短接；
所述同轴电缆A上端头的屏蔽层与所述同轴电缆B上端头的屏蔽层短接在一起。
进一步的，所述的转接头为微波转接头。
进一步的，所述的同轴电缆A和同轴电缆B均采用低温同轴电缆，该低温同轴电缆的工作温度范围为10mK～400K。
进一步的，所述同轴电缆A的屏蔽层材质和同轴电缆B屏蔽层材质均为铜镀银。
进一步的，所述同轴电缆A的线芯直径为0.2033mm，屏蔽层厚度为0.203mm；所述同轴电缆B的线芯直径为0.2033mm，屏蔽层厚度为0.203mm。
本发明与现有技术相比较，可以抵消在两根连接引线（即同轴电缆A、B）上产生的热电势，大大减小了测量转接盒内电压输出接口的高、低端引入的热电势差。该热电势差叠加在交流电压信号上，由于在量子交流电压信号上叠加了一个热电势差信号，故在量子交流信号有效值测量时引入一个热电势误差，同时在相互叠加信号的有效值计算中，为各信号的平方和再开方，故热电势每降一个量级，则其对有效值结果引入的相对误差将会下降两个量级。 
附图说明
图1为现有低温测试探杆的结构示意图。
图2为本发明的整体结构示意图之一。
图3为图2中的C部放大示意图。
图4为图2中的D部放大示意图。
图5为本发明的整体结构示意图之二。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图2至5所示，一种用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，所述测试探杆包括微波转接头1、测量转接盒2、连接杆3和屏蔽筒4；所述微波转接头1固定设置于所述测量转接盒2的一端，所述测量转接盒2的另一端与所述连接杆3的上端部固接在一起，所述屏蔽筒4与所述连接杆3的下端部固定连接在一起；所述屏蔽筒4内设置有超导阵列结41，所述连接杆3内设有连接引线，所述的连接引线包括同轴电缆A5和同轴电缆B6；所述微波转接头1是微波源的输入接口，由微波源为超导阵列结41提供特定的微波频率以及微波功率，从而实现约瑟夫森电压效应的微波条件；测量转接盒2、连接杆3、屏蔽筒4实现输入以及输出信号的屏蔽，避免外界信号对系统的干扰。
所述同轴电缆A5上端头51的线芯511与所述测量转接盒2内的电压输出接口低端相连接，所述同轴电缆A5下端头52的线芯511与所述超导阵列结41电压输出高端相连接，该同轴电缆A5下端头52的屏蔽层522与所述超导阵列结电压41输出低端相连接；
所述同轴电缆B6上端头61的线芯611与所述测量转接盒2内的电压输出接口高端相连接，所述同轴电缆B6下端头62的线芯611与该同轴电缆B6下端头62的屏蔽层622短接；
所述同轴电缆A5上端头51的屏蔽层522与所述同轴电缆B6上端头61的屏蔽层622短接在一起。
同轴电缆A5和同轴电缆B6为超导阵列结的电压输出连接引线，由超导阵列结41的电压输出端连接到测量转接盒2的电压输出接口上。同轴电缆A5和同轴电缆B6采用低温屏蔽细导线作为连接引线。
这样在低热电势测试探杆测量端的测量转接盒2电压输出接口的高、低端引入的热电势差ΔU就为同轴电缆A5和同轴电缆B6上产生的热电势之差，即ΔU=(U1-U2)-(U3-U4)=（U1-U3）+（U4-U2）。由于同轴电缆A5和同轴电缆B6为同种材质的同轴电缆，故只需要把同轴电缆A5的线芯和同轴电缆B6的线芯选取的长度相等，以及同轴电缆A5的屏蔽层和同轴电缆B6的屏蔽层选取的长度相等，就可以抵消在两根连接引线上产生的热电势。
但在实际应用中，由于无法使同轴电缆A5和同轴电缆B6完全等长，而且在测试探杆中也无法使它们处于完全相同的位置，故热电势无法完全抵消，但可以大大的减小热电势。该热电势差叠加在交流电压信号上，由于在量子交流电压信号上叠加了一个热电势差信号，故在量子交流信号有效值测量时引入一个热电势误差，在相互叠加信号的有效值计算中，为各信号的平方和再开方，故热电势每降一个量级，则其对有效值结果引入的相对误差将下降两个量级。
针对现有低温测试探杆（如图1所示）和本发明所提供的低热电势测试探杆（如图2所示）中的两种测试探杆的热电势分别进行测量，在测试中同轴电缆A5和同轴电缆B6均采用Lakeshore公司的C型低温屏蔽细导线作为测试用连接引线。该连接引线中心导体线芯511、611为铜镀银材质，线芯511、611直径为0.2033mm，屏蔽层522、622材质也为铜镀银，屏蔽层522、622厚度为0.203mm，绝缘层材料为聚四氟乙烯，使用温度范围为10mK～400K。
经测量，现有低温测试探杆（如图1所示）中的热电势ΔU′约为250nV，而本发明所提供的低热电势测试探杆（如图2所示）中的热电势ΔU约为30nV。本发明所提供的低热电势测试探杆的热电势约为现有低温测试探杆热电势的十分之一，降低了一个量级。具体来说，针对于一个有效值为1V的交流电压信号，现有低温测试探杆的叠加热电势ΔU′对其有效值测量的相对影响量为：{[(1V)2+(250nV)2]1/2-1V}/1V=3.1×10-8；
而本发明所提供的低热电势测试探杆的叠加热电势ΔU对其有效值测量的相对影响量为：{[(1V)2+(30nV)2]1/2-1V}/1V=4.5×10-10，固而降低了近两个量级。
本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。
综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，其特征在于：所述测试探杆包括转接头、测量转接盒、连接杆和屏蔽筒，所述转接头固定设置于所述测量转接盒的一端，所述测量转接盒的另一端与所述连接杆的上端部固接在一起，所述屏蔽筒与所述连接杆的下端部固定连接在一起； 
所述屏蔽筒内设置有超导阵列结，所述连接杆内设有连接引线，所述的连接引线包括同轴电缆A和同轴电缆B；
所述同轴电缆A上端头的线芯与所述测量转接盒内的电压输出接口低端相连接，所述同轴电缆A下端头的线芯与所述超导阵列结电压输出高端相连接，该同轴电缆A下端头的屏蔽层与所述超导阵列结电压输出低端相连接；
所述同轴电缆B上端头的线芯与所述测量转接盒内的电压输出接口高端相连接，所述同轴电缆B下端头的线芯与该同轴电缆B下端头的屏蔽层短接；
所述同轴电缆A上端头的屏蔽层与所述同轴电缆B上端头的屏蔽层短接在一起。
2.根据权利要求1所述的用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，其特征在于：所述的转接头为微波转接头。
3.根据权利要求1或2所述的用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，其特征在于：所述的同轴电缆A和同轴电缆B均采用低温同轴电缆，该低温同轴电缆的工作温度范围为10mK～400K。
4.根据权利要求3所述的用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，其特征在于：所述同轴电缆A的屏蔽层材质和同轴电缆B屏蔽层材质均为铜镀银。
5.根据权利要求4所述的用于超导交流电压标准的低热电势测试探杆，其特征在于：所述同轴电缆A的线芯直径为0.2033mm，屏蔽层厚度为0.203mm；所述同轴电缆B的线芯直径为0.2033mm，屏蔽层厚度为0.203mm。
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