CN108051646B - 无液氦量子霍尔电阻传递装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无液氦量子霍尔电阻传递装置，该装置包括：超导磁体，超导磁体包括超导线圈和样品空间，样品空间设置于超导线圈产生的磁场中心；制冷机，制冷机与超导磁体连接，为超导磁体提供冷源；量子霍尔电阻芯片，量子霍尔电阻芯片设置于样品空间内；电流比较仪电阻电桥，电流比较仪电阻电桥与量子霍尔电阻芯片电气连接；标准电阻器，标准电阻器与电流比较仪电阻电桥电气连接。本发明提出的量子霍尔电阻传递装置是一种无液氦维持量子霍尔电阻传递的便携式装置，大大降低传统量子霍尔电阻基准装置的复杂性，以及使用液氦的高昂成本和复杂操作，同时保证了量值传递的高准确度，推动了电磁计量领域量值扁平化传递的发展，产生重要的社会经济效益。
Description
技术领域
本发明属于精密电学测量领域，更具体地，涉及一种无液氦量子霍尔电阻传递装置。
背景技术
根据国际计量委员会CIPM的建议，从1990年1月1日开始，在世界范围内启用直流量子化霍尔电阻基准，开启了电磁计量量子化的时代，电阻单位复现不再依赖实物电阻，而是由量子化霍尔电阻基准复现。我国于2003年建成量子化霍尔电阻标准装置，其标准不确定度达到2.4×10-10，虽然我国量子化霍尔电阻基准的标准不确定度极小，但是经过实物电阻进行量传时受限于复现量子霍尔电阻的环境苛刻性(高磁场、极低温)及实验复杂性，以及运行高准确度测量装置(低温电流比较仪需要液氦维持)操作复杂性、成本高昂性等实际特点，电阻量值传递只在顶层运行量子化霍尔电阻装置，采用实物电阻及直流电阻电桥多级传递，传递到用户时不确定度最高仅为10-7量级，严重影响电阻单位高准确度传递。
传统的量子霍尔电阻基准装置工作条件苛刻，操作复杂，限制了量子霍尔电阻标准的推广和应用，影响电阻单位高准确度量值传递，因此，有必要一种新的量子霍尔电阻传递装置。
发明内容
本发明针对传统量子霍尔电阻基准装置工作条件苛刻，操作复杂，限制量子霍尔电阻标准的推广和应用，影响电阻单位高准确度量值传递的问题，通过提供一种无液氦维持量子霍尔电阻传递的便携式装置，从而推动电磁计量领域量值扁平化传递的发展，产生重要的社会经济效益。
为了实现上述目的，本发明提供一种无液氦量子霍尔电阻传递装置，该装置包括：超导磁体，所述超导磁体包括超导线圈和样品空间，所述样品空间设置于所述超导线圈产生的磁场中心；制冷机，所述制冷机与所述超导磁体连接，为所述超导磁体提供冷源；量子霍尔电阻芯片，所述量子霍尔电阻芯片设置于所述样品空间内；电流比较仪电阻电桥，所述电流比较仪电阻电桥与所述量子霍尔电阻芯片电气连接；标准电阻器，所述标准电阻器与所述电流比较仪电阻电桥电气连接。
优选地，所述量子霍尔电阻芯片为石墨烯量子霍尔电阻芯片。
优选地，所述量子霍尔电阻芯片的电气引线通过所述超导磁体内部由超导磁体顶端引出。
优选地，所述电流比较仪电阻电桥为低频电流比较仪电阻电桥，用于传递量子霍尔电阻量值。
优选地，所述电流比较仪电阻电桥的工作频率小于10Hz，工作温度为18-25℃。
优选地，所述制冷机的工作电压为380V。
优选地，还包括在第2量子平台处能够获得最准确的量子化霍尔电阻值。
优选地，所述第2量子平台所需磁感应强度不高于6T，工作温度不低于3.5K。
优选地，所述量子霍尔电阻芯片在所述第2量子平台的阻值为12906.4035Ω。
优选地，所述标准电阻器为十进制电阻。
本发明提出的无液氦量子霍尔电阻传递装置，基于运行环境要求低的石墨烯量子霍尔电阻，利用成熟的制冷机冷却的超导磁体技术，复现量子霍尔电阻值，测量装置采用常温下运行的低频电流比较仪电阻电桥，高准确的传递量子霍尔电阻值到实物标准电阻上，大大降低传统量子霍尔电阻基准装置的复杂性，以及使用液氦的高昂成本和复杂操作，同时保证了量值传递的高准确度。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的无液氦量子霍尔电阻传递装置的示意图。
附图标记说明
1、壳体；2、制冷机；3、量子霍尔电阻芯片；4、电流比较仪电阻电桥；5、标准电阻器；6、超导线圈；7、样品空间；8、样品杆；9、固定杆；10、阀门。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种无液氦量子霍尔电阻传递装置，该装置包括：超导磁体，超导磁体包括超导线圈和样品空间，样品空间设置于超导线圈产生的磁场中心；制冷机，制冷机与超导磁体连接，为超导磁体提供冷源；量子霍尔电阻芯片，量子霍尔电阻芯片设置于样品空间内；电流比较仪电阻电桥，电流比较仪电阻电桥与量子霍尔电阻芯片电气连接；标准电阻器，标准电阻器与电流比较仪电阻电桥电气连接。
电阻单位复现目前由量子化霍尔电阻基准装置复现，量子化霍尔电阻需要在强磁场、低温条件下运行，量子化后才能产生电阻基准值，并通过测量装置将该量值传递到实物标准电阻上。在此需要说明的是，用于电阻传递的测量装置如果在10-8量级以上传递，必须依赖高准确度的电流比较仪进行测量传递。
作为优选方案，量子霍尔电阻芯片为石墨烯量子霍尔电阻芯片，传统的量子霍尔电阻芯片的材质为砷化镓，其复现量子霍尔电阻的环境很苛刻(高磁场、极低温)，但是石墨烯量子霍尔电阻芯片对工作磁场的要求不高于6T，工作温度不低于3.5K，工作环境的要求相对较低。
作为优选方案，量子霍尔电阻芯片的电气引线通过超导磁体内部由超导磁体顶端引出，最大程度降低引线引起的漏热，维持超导磁体内部温度的稳定性。
作为优选方案，电流比较仪电阻电桥为低频电流比较仪电阻电桥，用于传递量子霍尔电阻量值，该电流比较仪电阻电桥属于交流电流比较仪电阻电桥，交流测量相对于直流测量在消除热电势、1/f噪声抑制以及零位检测方面具有很好的优势，考虑到交直流差影响，本发明采用低频交流电流比较仪电阻电桥实现量子霍尔电阻的传递。
作为优选方案，低频电流比较仪电阻电桥的工作频率小于10Hz，工作温度为18-25℃。
具体地，低频电流比较仪电阻电桥的工作频率小于10Hz，使得交直流差影响降到很低，可以忽略或通过修正进行补偿，电桥传递比例准确度可以达到10-8～10-9量级。
传统的电流比较器为低温电流比较仪，运行时需要液氦维持，操作复杂并且成本高，而低频电流比较仪电阻电桥的工作温度为18-25℃，在常温下即可工作。
作为优选方案，还包括在第2量子平台处能够获得最准确的量子化霍尔电阻值。
作为优选方案，制冷机为超导磁体提供冷源，其冷头嵌入超导磁体的内部，整个超导磁体和制冷机的冷头部分处于一个密闭的壳体中，内部抽真空，以维持超导磁体内部温度的稳定性，采用工业用电，其工作电压为380V，其功率一般为3000W，冷却的极限温度可达3.5K，满足了石墨烯量子霍尔电阻芯片对工作温度的需求。
具体地，本发明提供的量子霍尔电阻传递装置无需液氦维持超导磁体的低温，而是采用制冷机传导制冷方式为超导磁体提供冷源，制冷机冷头与超导磁体的超导线圈和样品空间相连，可将超导线圈冷却到超导态，将样品空间冷却至量子霍尔电阻芯片所需低温，超导线圈用于提供电阻单位复现需要的强磁场，样品空间设置于超导线圈产生的磁场中心，此处的磁场最为均匀。
作为优选方案，第2量子平台所需磁感应强度不高于6T，工作温度不低于3.5K。
作为优选方案，量子霍尔电阻芯片在第2量子平台的阻值为12906.4035Ω，量子霍尔电阻量值是自然基准，量值固定。
作为优选方案，标准电阻器为十进制电阻，阻值范围1Ω～10kΩ，阻值长期稳定性(半年)小于2×10-6。
实施例1
图1示出了根据本发明的无液氦量子霍尔电阻传递装置的示意图，其中，Rs连接量子霍尔电阻样品，Rx连接被测标准电阻器。
如图1所示，本发明提供了一种无液氦量子霍尔电阻传递装置，该装置包括：超导磁体，超导磁体包括超导线圈6和样品空间7，样品空间7设置于超导线圈6产生的磁场中心；制冷机2，制冷机2与超导磁体连接，为超导磁体提供冷源；量子霍尔电阻芯片3，量子霍尔电阻芯片3设置于样品空间7内；电流比较仪电阻电桥4，电流比较仪电阻电桥4与量子霍尔电阻芯片3电气连接；标准电阻器5，标准电阻器5与电流比较仪电阻电桥4电气连接。
其中，量子霍尔电阻芯片3为石墨烯量子霍尔电阻芯片；量子霍尔电阻芯片3的电气引线通过超导磁体内部由超导磁体顶端引出；电流比较仪电阻电桥4为低频电流比较仪电阻电桥，工作频率小于10Hz，工作温度为18-25℃，其用于传递量子霍尔电阻量值；制冷机2的工作电压为380V；在第2量子平台处能够获得最准确的量子化霍尔电阻值，第2量子平台所需磁感应强度不高于6T，工作温度不低于3.5K，量子霍尔电阻芯片3在第2量子平台的阻值为12906.4035Ω；标准电阻器5为十进制电阻；样品杆8为可拆卸器件，用于将量子霍尔电阻芯片3放入样品空间7，量子霍尔电阻芯片3放入样品空间7后，关闭阀门10，使得整个壳体1密闭，为下一步壳体1内部抽真空做准备；固定杆9用于固定超导线圈6。
首先，将电流比较仪电阻电桥4一端与量子霍尔电阻芯片3连接，量子霍尔电阻芯片3的电气引线通过超导磁体内部由超导磁体顶端引出，电流比较仪电阻电桥4另一端与待比较的标准电阻器5连接；
然后，通过样品杆8将量子霍尔电阻芯片3置于样品空间7内，并关闭阀门10，量子霍尔电阻芯片3的材质为石墨烯，对运行环境的要求相对较低；
随后，启动制冷机2，将超导线圈冷却到超导态，将样品空间冷却至量子霍尔电阻芯片3所需低温，此刻，为超导线圈通电流使量子霍尔电阻芯片进入第2平台，从而达到复现量子霍尔电阻值的条件；
最后，利用低频电流比较仪电阻电桥4将被测量(标准电阻器)与标准量(量子霍尔电阻芯片的阻值)进行比较，求得两者之间的比例，最终实现将量子霍尔电阻值高准确的传递到标准电阻器5。
本实施例提出的无液氦量子霍尔电阻传递装置，基于运行环境要求低的石墨烯量子霍尔电阻，利用成熟的制冷机冷却的超导磁体技术，复现量子霍尔电阻值，测量装置采用常温下运行的低频电流比较仪电阻电桥，高准确的传递量子霍尔电阻值到实物标准电阻上，大大降低传统量子霍尔电阻基准装置的复杂性，以及使用液氦的高昂成本和复杂操作，同时保证了量值传递的高准确度。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (8)
1.一种无液氦量子霍尔电阻传递装置，其特征在于，该装置包括：
超导磁体，所述超导磁体包括超导线圈和样品空间，所述样品空间设置于所述超导线圈产生的磁场中心；
制冷机，所述制冷机与所述超导磁体连接，为所述超导磁体提供冷源；
量子霍尔电阻芯片，所述量子霍尔电阻芯片设置于所述样品空间内；
电流比较仪电阻电桥，所述电流比较仪电阻电桥与所述量子霍尔电阻芯片电气连接；
标准电阻器，所述标准电阻器与所述电流比较仪电阻电桥电气连接；
其中，所述电流比较仪电阻电桥为低频电流比较仪电阻电桥，用于传递量子霍尔电阻量值；
其中，所述低频电流比较仪电阻电桥的工作频率小于10Hz，工作温度为18-25℃。
2.根据权利要求1所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，所述量子霍尔电阻芯片为石墨烯量子霍尔电阻芯片。
3.根据权利要求1所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，所述量子霍尔电阻芯片的电气引线通过所述超导磁体内部由超导磁体顶端引出。
4.根据权利要求1所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，所述制冷机的工作电压为380V。
5.根据权利要求1所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，还包括在第2量子平台处能够获得最准确的量子化霍尔电阻值。
6.根据权利要求5所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，所述第2量子平台所需磁感应强度不高于6T，工作温度不低于3.5K。
7.根据权利要求5所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，所述量子霍尔电阻芯片在所述第2量子平台的阻值为12906.4035Ω。
8.根据权利要求1所述的无液氦量子霍尔电阻传递装置，其中，所述标准电阻器为十进制电阻。
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