CN109116885B - 量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，所述量子电压标准装置包括量子超导芯片，该主动平衡控制装置包括真空罩、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件，所述真空罩收容所述量子超导芯片、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件；所述制冷单元用于向所述真空罩内提供定量冷量；所述温度监测单元用于监测所述真空罩内的环境温度；所述热平衡单元用于平衡所述真空罩内的温度变化；所述热连接部件作为所述真空罩内的热传导媒介，分别与所述制冷单元、热平衡单元和量子超导芯片连接。

Description

量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置及方法

技术领域

本发明涉及动态热平衡控制，特别是涉及一种量子电压标准中热功率的主动平衡控制装置及方法。

背景技术

量子电压标准是电压的自然基准，可作为最高标准对电压参量进行量值传递，并在电学计量、航空航天以及武器系统的电压等高端测量方面有着广泛应用。其装置组成主要包括制冷单元、微波驱动源、电流驱动源、量子电压超导芯片等，制冷单元为量子超导芯片提供4.2K的环境温度，高频高功率微波和直流电信号共同驱动量子超导芯片产生稳定可靠的量子电压信号。

以往的量子电压装置采用液氦制冷，其优点是量子超导芯片浸泡在液氦容器中，运行温度稳定，缺点是运行费用高、体积庞大，不可移动。而采用固态制冷系统替代液氦制冷系统具有降低运行费用，降低系统体积重量，提升量子系统便携性等优点。制冷系统替代后，由于芯片安装在固态制冷机冷头上，系统辐射漏热、金属导线和微波波导传导漏热、微波和电信号驱动功率等因素将导致量子超导芯片运行温度波动，不利于量子超导芯片稳定工作。

通过增加量子超导芯片周边连接附件的热沉，是平衡动态热负荷最通用的设计，但这是一种被动的处理方法，热沉的热容量设计不能兼顾量子标准长时间运行和短时间运行，因而对工作冷头热功率平衡设计带来困扰，同时热沉自身温度发生变化后，整个控温系统调整难度增大。除了在制冷系统结构上采取隔温、真空设计，以及优化量子超导芯片与冷头热传导结构外，热负荷控制方法也是系统可靠运行的关键。

因此需要提供一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置及方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置及方法，以解决微波及电信号激励下量子超导芯片温度控制问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明一方面提供了一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，所述量子电压标准装置包括量子超导芯片，其特征在于，该主动平衡控制装置包括真空罩、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件，

所述真空罩收容所述量子超导芯片、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件；

所述制冷单元用于向所述真空罩内提供定量冷量；

所述温度监测单元用于监测所述真空罩内的环境温度；

所述热平衡单元用于平衡所述真空罩内的温度变化；

所述热连接部件作为所述真空罩内的热传导媒介，分别与所述制冷单元、热平衡单元和量子超导芯片连接。

优选地，所述制冷单元包括工作冷头、压缩机及制冷机，所述压缩机及制冷机设置在所述真空罩外部，所述制冷机与设置在所述真空罩内部的工作冷头连接，通过所述工作冷头向所述真空罩内部提供定量冷量。

优选地，所述工作冷头与所述热连接部件固定连接。

优选地，所述温度监测单元包括温度监视器和多个温度传感器，所述温度监视器用于显示所述温度传感器所测温度；所述多个温度传感器均匀布置在所述量子超导芯片和所述热连接部件四周。

优选地，所述热平衡单元包括热平衡驱动和热平衡部件，

所述热平衡驱动设置在所述真空罩外部，为所述热平衡部件提供电流，并控制量子超导芯片的驱动电流；所述热平衡部件用于为所述真空罩内提供热量，以平衡所述真空罩内的温度变化。

优选地，所述热平衡驱动单元为所述平衡部件提供的电流为直流电，所述直流电的最大功率不小于所述量子超导芯片的最大激励功率。

优选地，所述热平衡驱动的功率分为7档，分别为0mW、5mW、15mW、25mW、35mW、45mW、195mW。

优选地，所述热平衡部件为串联布置的量子电功率耗散原件组，均匀分布在所述量子超导芯片四周。

优选地，所述热连接部件包括无氧铜桥式热沉、超薄银镀层和铍青铜弹簧夹具，所述无氧铜热沉一侧与所述工作冷头连接；另一侧镀有所述超薄银镀层，并通过所述铍青铜弹簧夹具与所述量子超导芯片固定连接。

本发明第二方面提供了一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制方法，包括如下步骤：

将量子系统中的量子超导芯片布置在主动平衡控制装置中；

启动所述主动平衡控制装置的制冷单元向和热平衡单元，将所述主动平衡控制装置内温度控制在设定温度；

通过所述热平衡单元控制微波驱动源启动并控制热平衡驱动降档；

通过所述热平衡单元控制多路电信号驱动源启动依次启动，并配合所述多路电信号驱动源的启动进行依次降档。

本发明的有益效果如下：

本发明针对的是采用固态制冷技术的量子电压装置，是一种超低温、真空、多负荷复杂精密系统。本发明能够解决微波及电信号激励下液氦温区量子超导芯片温度控制问题，使施加微波或电信号后量子超导芯片的温度波动在允许的范围内，保证准确、稳定的量子电压输出。

此外，本发明提供的主动热平衡控制方法是：通过在系统中增加热平衡驱动源和热平衡耗能部件，平衡激励信号对量子超导芯片运行温度的干扰。在理论分析和实验测试基础上，设计热平衡部件耗散功率略大于芯片运行的最大激励功率，在保证微波或电信号施加于量子超导芯片的同时，撤销等值的热平衡功率，反之亦然，即将制冷机工作冷头的热负荷从动态多负荷变为恒定负荷，解决了量子电压系统运行时微波激励和电信号激励导致量子超导芯片温度波动的问题

本发明的主动热平衡控制装置及方法在保证系统输出电压的精度要求的同时实现了系统的安全可靠运行，兼具运行费用低，系统体积重量小，量子系统便携性等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本实施例中的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置的示意图；

图2示出本实施例中的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种固态制冷量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，所述量子电压标准装置包括量子超导芯片，该主动平衡控制装置包括真空罩、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件，所述真空罩收容所述量子超导芯片、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件；所述制冷单元用于向所述真空罩内提供定量冷量；所述温度监测单元用于监测所述真空罩内的环境温度；所述热平衡单元用于平衡所述真空罩内的温度变化；所述热连接部件作为所述真空罩内的热传导媒介，分别与所述制冷单元、热平衡单元和量子超导芯片连接。

本实施例提供的主动平衡控制装置，是一种超低温、真空、多负荷复杂精密系统。在工作前，使用者可根据上述结构对其进行安装布置。本发明能够对微波源驱动及电信号激励下液氦温区量子超导芯片温度进行精确控制，利用所述工作冷头和所述热平衡单元使量子超导芯片的工作环境温度达到量子超导芯片的设定温度，即保证所述预设温度在4.2K以下的某一定值并保持温度平衡，即为量子系统工作提供低温环境，同时使施加微波或电信号后量子超导芯片的温度波动在允许的范围0.2K内，保证准确、稳定的量子电压输出。

本实施例中，所述热平衡单元包括热平衡驱动和热平衡部件，其中所述热平衡驱动设置在所述真空罩外部，为所述热平衡部件提供电流，并控制量子电压系统的驱动源；所述热平衡部件用于为所述真空罩内提供热量；所述热平衡部件为串联布置的量子电功率耗散原件组，均匀分布在所述量子超导芯片四周。

进一步的，所述热平衡驱动为热平衡部件提供直流驱动的电流，保证所述热平衡驱动的最大功率不小于所述量子超导芯片的最大激励功率，即最大输出功率为195mW或以上，电流负载稳定度优于0.0005，通过专用细芯低温导线连接热平衡部件，可以是信号源或直流电流源；热平衡部件为量子电功率耗散元件组，通过机械夹具压在热连接部件上，元件采用串联方式，均匀分布在量子超导芯片周围，可采用高精度低温电阻，数量大于10只，均匀分布，总阻值不影响所述热平衡驱动的电流输出。

进一步的，所述热平衡驱动的功率分为7档，分别为0mW、5mW、15mW、25mW、35mW、45mW、195mW。在量子电压系统进行启动时，随热平衡单元控制微波驱动源和多路电信号驱动的启动，控制热平衡驱动的输出功率调整由高档位进行降档，实现热平衡单元减少的能量与激励驱动产生的热量相互抵消。

本实施例中，所述热连接件是量子超导芯片与工作冷头的中间连接的关键部件，包括无氧铜桥式热沉，超薄银镀层，铍青铜弹簧夹具。无氧铜热沉紧密固定在工作冷头上，在无氧铜热沉上部镀银，镀银层上紧贴量子超导芯片，并用铍青铜弹簧夹具将量子超导芯片压在无氧铜热沉上，弹簧夹具用螺钉固定在无氧铜热沉。热连接部件一个作用是确保量子超导芯片与冷源有良好的热接触，可将量子超导芯片上热能迅速传导到热沉上。

本实施例中，所述温度监视单元包括温度监视器和温度传感器，所述温度显示器通过专用细芯低温导线连接温度传感器。

进一步的，温度传感器，可以为碳玻璃传感器或其它低温温度传感器，用螺钉固定在热连接部件芯片周围。

本实施例中，所述的真空罩为量子系统中的芯片提供一个密封环境，其内部为真空的，真空度小于1E-3，在所述真空罩上设置有线缆接口和波导接口，通过密封技术与所述制冷单元进行连接。进一步的，可通过螺钉或其他固定连接结构将所述真空罩在所述制冷单元的适当部位进行固定。

本实施例中，所述制冷单元包括压缩机及制冷机，为所述主动平衡控制装置的冷量交换设备，能够持续定量的向所述真空罩内提供冷量，将所述真空罩内的热量导出到外部，通过维持工作冷头温度控制量子超导芯片运行温度。

本实施例中，所述工作冷头为制冷机的附属部件，与制冷机主机连接，为量子系统提供冷量。

本实施例中，所述量子电压系统的驱动源包括多路电信号驱动源和微波驱动源。多路电信号驱动源，为量子超导芯片专用电信号偏置驱动电源，通过专用细芯低温导线连接芯片对应导线接口；微波驱动源，为量子超导芯片专用微波驱动功率源，通过微波波导连接芯片对应波导接口；量子超导芯片，或称约瑟夫森结，通过机械夹具安装在热连接部件上，接触面镀超薄银层加强导热，热平衡部件均匀分布芯片周围，芯片的WR-12波导接口通过波导接微波源，芯片信号接口通过低温导线接多路电信号驱动源。

本发明根据一个上述具体实施例中主动平衡控制装置进行安装布置，解决了量子电压系统运行时微波激励和电信号激励导致量子超导芯片温度波动的问题。

由于芯片安装在固态制冷装置真空罩内的工作冷头上，影响芯片温度的热源或热功率主要有两类，一类是环境漏热，包括热辐射、波导管传导热、信号线传导热，这三种热源与真空罩内外环境温差相关，基本可以看作恒定热源，可以通过理论及试验基础上确定的各热源的热功率量级和变化规律，并以此控制制冷机工作频率。另一类是量子超导芯片正常工作过程，必须加入的微波功率和电激励功率，这部分是动态变化的。

如图2所示，本发明针对这部分动态热负荷给出解决方案，还公开了另一个具体的实施例，即一种基于上述量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制方法，包括如下步骤：

将量子系统中的量子超导芯片布置在主动平衡控制装置中；

启动所述主动平衡控制装置的制冷单元和热平衡单元，将所述主动平衡控制装置内温度控制在设定温度；

通过所述热平衡单元控制微波驱动源启动并控制热平衡驱动降档；

通过所述热平衡单元控制多路电信号驱动源依次启动，并配合所述多路电信号驱动源的启动进行依次降档。

为了解决固态制冷量子电压标准装置的热负荷与制冷单元之间热功率动态平衡控制，本发明的公开的方法的一个实施例中，通过在固态制冷量子电压标准装置中增加热平衡驱动源和热平衡耗能部件，平衡激励信号对量子超导芯片运行温度的干扰。步骤包括量化微波激励功率和电信号激励、确定热平衡驱动单元和热平衡部件物理参数、整体设计量子芯片工作的热平衡系统。

本发明所述的方法中针对的量子标准装置从原理上，微波驱动源启动后均匀施加于量子超导芯片全部通道，微波源功率与量子超导芯片相匹配，只需在很小范围内调整，因此为0或者固定功率(150mW)的热源。电信号激励功率较为复杂，量子超导芯片有18个通路，理论上电驱动功率可以有2的18次方种组合，实际上芯片工作时许多通道的内阻相近，按照影响芯片温度小于0.2K波动幅度的技术要求，电信号功率组合简化为6种，即0mW、5mW、15mW、25mW、35mW、45mW，即可依据启动先后顺序，将档位设置为0mW、5mW、15mW、25mW、35mW、45mW、195mW的七个档位。为了进一步对温度进行精确调节，可在档位间进行微调。此时所述热平衡部件的最大耗散功率可以设置成略大于芯片运行的最大激励功率，且分档可调，保证微波或电信号施加于量子超导芯片的同时，撤销等值的热平衡功率。反之亦然，即将制冷机量子芯片工作界面的热负荷从动态多负荷变为基本恒定负荷。

针对动态变化的热负荷，我们设计了热平衡驱动和热平衡部件，它们的作用是，热平衡驱动提供能量，驱动热平衡部件在工作冷头和量子超导芯片之间耗散热功率，对应于动态负荷，其功率分7档，档位的最大功率为195mW。所以在启动制冷设备和热平衡单元，热平衡单元运行于档位最大功率，使工作冷头提供的冷量满足量子超导芯片工作需要的设定温度，即所述设定温度为4.2K或以下的某一温度值并保持温度平衡，即为量子系统工作提供低温环境。此时，系统中由外界环境通过导丝等连接器件对所述真空罩内的温度影响，已被抵消，外界环境影响也无较大波动，因此可忽略。量子系统启动时，首先施加微波功率，同时撤掉对等功率的热平衡驱动电流，即对热平衡驱动的功率进行降档；然后，同样地，施加某一功率的驱动电信号，同时撤掉对等功率的热平衡驱动电流，即配合所述多路电信号驱动的启动，对热平衡驱动进行降档，使装置内环境温度稳定平衡在设定温度。其中在运行过程中，若档位幅度变化无法使系统环境温度维持在要求范围内，可对档位进行微调，使量子超导芯片的环境温度控制在工作要求范围。整个过程监控芯片温度波动，并测试量子电压输出情况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，所述量子电压标准装置包括量子超导芯片，其特征在于，该主动平衡控制装置包括真空罩、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件，

所述真空罩收容所述量子超导芯片、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件；

所述制冷单元用于向所述真空罩内提供定量冷量；

所述温度监测单元用于监测所述真空罩内的环境温度；

所述热平衡单元用于平衡所述真空罩内的温度变化，其进一步包括热平衡驱动和热平衡部件，

所述热平衡驱动设置在所述真空罩外部，为所述热平衡部件提供电流，并控制量子超导芯片的驱动电流；所述热平衡部件为串联布置的量子电功率耗散元件组，均匀分布在所述量子超导芯片四周，用于为所述真空罩内提供热量，以平衡所述真空罩内的温度变化；

所述热连接部件作为所述真空罩内的热传导媒介，分别与所述制冷单元、热平衡单元和量子超导芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，其特征在于，所述制冷单元包括工作冷头、压缩机及制冷机，

所述压缩机及制冷机设置在所述真空罩外部，所述制冷机与设置在所述真空罩内部的工作冷头连接，通过所述工作冷头向所述真空罩内部提供定量冷量。

3.根据权利要求2所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，其特征在于，所述工作冷头与所述热连接部件固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，其特征在于，所述温度监测单元包括温度监视器和多个温度传感器，

所述温度监视器用于显示所述温度传感器所测温度；所述多个温度传感器均匀布置在所述量子超导芯片和所述热连接部件四周。

5.根据权利要求1所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，其特征在于，所述热平衡驱动单元为所述平衡部件提供的电流为直流电，所述直流电的最大功率不小于所述量子超导芯片的最大激励功率。

6.根据权利要求1所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，其特征在于，所述热平衡驱动的功率分为7档，分别为0mW、5mW、15mW、25mW、35mW、45mW、195mW。

7.根据权利要求2所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置，其特征在于，所述热连接部件包括无氧铜桥式热沉、超薄银镀层和铍青铜弹簧夹具，

所述无氧铜热沉一侧与所述工作冷头连接；另一侧镀有所述超薄银镀层，并通过所述铍青铜弹簧夹具与所述量子超导芯片固定连接。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的一种量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置的主动平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

将量子系统中的量子超导芯片布置在主动平衡控制装置中；

启动所述主动平衡控制装置的制冷单元向和热平衡单元，将所述主动平衡控制装置内温度控制在设定温度；

通过所述热平衡单元控制微波驱动源启动并控制热平衡驱动降档；

通过所述热平衡单元控制多路电信号驱动源启动依次启动，并配合所述多路电信号驱动源的启动进行依次降档。

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