CN114389000B - 一种用于量子电压装置的微波波导及量子电压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于量子电压装置的微波波导及量子电压装置。该量子电压装置的微波波导包括：波导法兰；黄铜波导，与波导法兰连接；聚四氟乙烯条，包括椎体部分和位于椎体部分两端的锥端部分，锥端部分为锥尖结构，椎体部分插在黄铜波导内。本发明提出的微波波导，将低导热的聚四氟乙烯材料加入到微波波导中，聚四氟乙烯条的导热性远低于金属，可以极大地降低微波波导的传热功率，在制冷机的制冷量有限的情况下避免低温区温度升高，满足量子超导芯片的运行条件。

Description

一种用于量子电压装置的微波波导及量子电压装置

技术领域

本发明属于微波波导技术领域，特别涉及一种用于量子电压装置的微波波导及量子电压装置。

背景技术

量子电压标准是电压参数的自然基准，是依据交流约瑟夫森物理效应搭建而成的最准确、最高等级的电压参数发生、测量装置，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。标准装置主要由制冷系统、微波驱动源、偏置电信号驱动源、量子电压超导芯片，以及微波和电信号传输单元等组成。制冷系统为量子超导芯片提供4.2K(或其它与芯片相关)的环境温度，确保芯片进入超导状态；微波源、偏置信号源分别产生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，微波通道使用专用波导，电信号通道使用。

传统量子电压标准装置使用液氦制冷，其优点是量子超导芯片浸泡在液氦中，运行温度稳定，缺点是运行费用高、体积庞大，不可移动。而采用制冷机系统替代液氦制冷系统，有利于制冷系统与量子发生系统深度整合，具有降低系统体积重量和运行费用，提升量子系统便携性等优点。但是制冷机的制冷功率有限，在低温系统设计上需要降低信号连接通道的导热功率，也就是需要降低微波通道的热传导功率。量子电压装置中波导是微波信号传输通道，连接常温区和4K低温区，且工作在65GHz～75GHz，通常使用直通金属波导，众所周知，金属是热的良导体，常见的波导材料如铜、铝等金属导热系数非常大，由于制冷机的制冷量有限，必然会导致低温区温度升高，不能满足量子超导芯片的运行条件。

本发明针对采用制冷机制冷的量子电压装置，提出一种微波波导，波导中加入一段聚四氟乙烯，与金属波导相比，能够大大降低波导的热传导功率。

发明内容

本发明提供的用于量子电压装置的微波波导及量子电压装置，能够在控制微波损耗前提下，解决微波波导导热问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现。

一种用于量子电压装置的微波波导，其特征在于，包括：波导法兰；黄铜波导，与所述波导法兰连接；聚四氟乙烯条，包括椎体部分和所述椎体部分两端的锥端部分，所述锥端部分为锥尖结构，所述椎体部分插在所述黄铜波导内。

优选地，所述椎体部分的横截面为矩形截面，所述锥尖结构在所述矩形截面的正投影所述矩形截面的中心。

优选地，所述椎体部分的截面尺寸为3.1mm*1.5mm，长度300mm。

本发明还提供一种量子电压装置，包括：真空罩，所述真空罩限定出真空腔体；一级冷头，设置在所述真空腔体中；二级冷屏，固定于所述一级冷头上，限定出筒状空间；二级冷头，设置于所述筒状空间中；量子超导芯片，设置于所述筒状空间中，并且固定于所述二级冷头上；以及微波波导，为根据如前所述的微波波导，所述微波波导与所述量子超芯片连接；真空隔离波导，固定在所述真空罩上，与所述量子超导芯片匹配。

优选地，所述微波波导的一端与所述真空隔离波导法兰连接固定，所述微波波导的另一端通过量子超导芯片的波导法兰连接到所述量子超导芯片，所述真空隔离波导法兰与量子超导芯片的波导法兰的中心连线垂直地面。

优选地，在所述一级冷屏穿孔处用金属夹具固定所述微波波导的所述聚四氟乙烯条。

优选地，所述量子超导芯片通过机械夹具固定于所述二级冷头上，所述量子超导芯片与所述二级冷头的接触面为超薄银层。

优选地，所述真空隔离波导通过螺钉固定在所真空罩上，所述真空隔离波导具有WR-12波导接口，与量子超导芯片匹配。

优选地，所述二级冷屏为不锈钢筒，所述不锈钢筒的内表面镀镍。

优选地，真空罩固定于所述量子电压装置的制冷机上，所述真空罩的内部粘贴多层绝热材料。

本发明能够取得如下的有益效果：

本发明提供的微波波导，在波导中加入一段聚四氟乙烯，与金属波导相比，大大降低了波导的热传导功率；

本发明提供的微波波导应用于制冷机制冷方式下研制的量子电压装置中，特别是二极冷头的制冷系统中，制冷系统隔温结构与量子超导芯片及波导、电信号通道深度整合，与液氦制冷系统比，可大幅缩小体积重量；

本发明提供的量子电压装置，在二级冷屏穿孔处用金属夹具固定微波波导的所述聚四氟乙烯条，解决了聚四氟乙烯材料较软，不易固定的问题，实现了微波波导两端在安装固定时需要的对位精准度，使微波波导保持垂直，并使微波波导中心在直线上；

本发明极大降低了传导到量子超导芯片部位的热功率，通过试验对比，相比黄铜波导，其导热功率从300mW下降到不到20mW。因为制冷机的制冷功率为1000mW，采用本发明后，大大提高了量子超导芯片部位冷量裕度，为其运行时必须施加的微波驱动信号，电驱动信号等热功率预留出操作空间，总之，使量子超导芯片运行温度更稳定，量子电压状态更好激发和保持。

本发明是采用固态制冷系统替代液氦制冷系统的关键部件，有利于制冷装置与量子发生系统深度整合，具有降低量子电压系统体积重量，提升量子系统便携性等优点。

附图说明

图1为根据本发明实施例的微波波导的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的量子电压装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

为了降低波导的热传导功率，避免量子电压装置中低温区温度升高，满足量子超导芯片的运行条件满，本发明提出如下的实施例。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种用于量子电压装置的微波波导6，包括：波导法兰(6-1)；黄铜波导(6-2)，与所述波导法兰(6-1)连接；聚四氟乙烯条(6-3)，包括椎体部分(6-4)和位于所述椎体部分两端的锥端部分(6-5)，所述锥端部分为锥尖结构，所述椎体部分插在所述黄铜波导内。

波导法兰(6-1)可以是UG-387/U法兰。黄铜波导(62)可以是WR-12黄铜波导，其长度为10cm，位于微波波导6的两端，其上端用于与量子超导芯片的波导法兰用螺钉连接，下端用于与真空隔离波导法兰连接。

聚四氟乙烯条(6-3)，包括椎体部分(6-4)和位于所述椎体部分两端的锥端部分(6-5)所述锥端部分(6-5)为锥尖结构，锥尖长10mm。所述椎体部分(6-4)插在所述黄铜波导(6-2)内。所述椎体部分(6-4)的横截面为矩形截面，矩形截面尺寸为3.1mm*1.5mm，长度300mm，或满足低温装置预留尺寸。所述锥端部分(6-5)的锥尖结构在所述椎体部分(6-4)的矩形截面的正投影位于所述矩形截面的中心。

微波波导是微波信号传输通道，连接常温区和4K低温区，且工作在65GHz～75GHz，通常使用直通金属波导，直通金属导热系数非常大，会导致低温区温度升高，不能满足量子超导芯片的运行条件，本实施例提出的微波波导，将低导热的聚四氟乙烯材料加入到微波波导中，聚四氟乙烯条的导热性远低于金属，可以极大地降低微波波导的传热功率，在制冷机的制冷量有限的情况下避免低温区温度升高，满足量子超导芯片的运行条件。

本实施例提供的低导热微波波导(6)，工作频率为70GHz±0.5GHz，WR-12标准接口，长度300mm，微波损耗小于3dB。

本发明针对的是采用制冷机制冷的量子电压装置，本实施例提供的微波波导安装固定在二级制冷机上，制冷机为本发明涉及的超低温装置也就是量子电压装置提供冷源。一级冷头，二级冷头为制冷机的附属组件，制冷机工作频率在1Hz左右，并通过相关阀门在一级、二级冷头之间分配冷量，其中一级冷头功率不小于35W@40K、二级冷头功率不小于1W@4.2K。

微波波导安装固定在二级制冷机上，制冷机为本发明涉及的超低温装置提供冷源，聚四氟乙烯条加入到微波波导，加大了微波功率的插入损耗，而且聚四氟乙烯材料较软，波导两端在设计时安装固定时需要对位精准，使波导保持垂直，并使波导中心在直线上。为了保证微波波导固定时的对位精准度，本发明提出如下的实施例。

实施例二：

如图2所示，本实施例提供一种量子电压装置，在该量子电压装置中固定有实施例一中提出的微波波导(6)。

该电子电压装置的超低温结构采取隔温、真空结构，预留波导接口，该量子电压装置包括以下组件：

真空罩，所述真空罩限定出真空腔(1)，保证内部为真空的，真空度优于1E-3，通过螺钉及其它密封技术固定在制冷机上，在其内部粘贴多层绝热材料；

一级冷头(4)，设置在所述真空腔体(1)中，一级冷头(4)为制冷机固有部件，为芯片提供40K温区保温区，且为电信号线缆预制冷；

二级冷屏(2)，固定于所述一级冷头上，限定出筒状空间，具体地为不锈钢筒，内表面镀镍，是一级冷头的物理延伸，目的是包裹二级冷头及量子超导芯片部件，制造40K左右的内部温度环境；

二级冷头(3)，设置于所述筒状空间中，二级冷头(3)为制冷机固有部件，为芯片提供液氦温区的冷源；

量子超导芯片(7)，设置于所述筒状空间中，并且固定于所述二级冷头(3)上，量子超导芯片也称约瑟夫森阵列结，通过机械夹具安装在二级冷头(3)上，在所述量子超导芯片(7)与所述二级冷头(3)的接触面镀超薄银层加强导热，芯片的WR-12波导接口通过微波波导接外部微波源；

微波波导(6)，为根据实施例一提出的微波波导，所述微波波导(6)与所述量子超芯片(7)连接，一端通过螺钉与真空隔离波导法兰连接固定，另一端与量子超导芯片波导法兰连接。且设计时，要保证低导热波导垂直，即要求真空隔离波导法兰与超导芯片法兰中心连线垂直地面。另外，聚四氟条较为柔软，在一级冷屏穿孔处用金属夹具固定，并保证不破坏其垂直状态；

真空隔离波导(5)，固定在所述真空罩上，与所述量子超导芯片(7)匹配，真空隔离波导(5)通过螺钉固定在真空罩上，是微波波导端口，为WR-12波导接口，与量子超导芯片(7)匹配。

所述微波波导(6)的一端与所述真空隔离波导法兰连接固定，所述微波波导的一端通过量子超导芯片(7)的波导法兰连接到所述量子超导芯片(7)，所述真空隔离波导法兰与量子超导芯片的波导法兰的中心连线垂直地面。

聚四氟乙烯材料较软，波导两端在设计时安装固定时需要对位精准，使波导保持垂直，为了固定微波波导(6)中的聚四氟乙烯条(63)，在所述一级冷屏穿孔处用金属夹具固定所述微波波导(6)的所述聚四氟乙烯条。

在一级冷屏穿孔处用金属夹具固定微波波导的聚四氟乙烯条，并保证不破坏其垂直状态，使得真空隔离波导法兰与量子超导芯片的波导法兰的中心连线垂直地面，保证波导两端在安装固定时需要的对位精准度。

本实施例提供的量子电压装置极大降低了传导到量子超导芯片部位的热功率，通过试验对比，相比黄铜波导，其导热功率从300mW下降到不到20mW。因为制冷机的制冷功率为1000mW，采用本发明提供的微波波导后，大大提高了量子超导芯片部位冷量裕度，为其运行时必须施加的微波驱动信号，电驱动信号等热功率预留出操作空间，总之，使量子超导芯片运行温度更稳定，量子电压状态更好激发和保持。

本实施例提供的量子电压装置是采用固态制冷系统替代液氦制冷系统的关键部件，有利于制冷装置与量子发生系统深度整合，具有降低量子电压系统体积重量，提升量子系统便携性等优点。

本发明提供的低导热微波波导由两个10cm WR-12黄铜微波波导以及特殊处理的聚四氟乙烯介质条组成。UG-387/U波导法兰，位于低导热波导两端，上端与超导芯片波导法兰用螺钉连接，下端与真空隔离波导法兰连接，聚四氟乙烯条锥端的锥长10mm，椎体的横截面为矩形截面，且锥尖在矩形截面的投影应该在矩形中心，锥体插在铜波导内；聚四氟乙烯条，矩形截面尺寸3.1mm*1.5mm，长度满足低温装置预留尺寸，两端加工成锥形。低导热微波波导中的氟乙烯介质条极大地降低了微波波导的传热功率，在制冷机的制冷量有限的情况下避免低温区温度升高，满足量子超导芯片的运行条件。。

本发明提供的微波波导工作频率70GHz±0.5GHz，WR-12标准接口，长度300mm，微波损耗小于3dB。本发明涉及的微波波导应用于制冷机制冷方式下研制的量子电压装置中，特别是二级冷头的制冷系统中，制冷系统隔温结构与量子超导芯片及波导、电信号通道深度整合，与液氦制冷系统比，可大幅缩小体积重量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种用于量子电压装置的微波波导，其特征在于，包括：

波导法兰；

黄铜波导，与所述波导法兰连接；

聚四氟乙烯条，包括椎体部分和位于所述椎体部分两端的锥端部分，所述锥端部分为锥尖结构，所述椎体部分插在所述黄铜波导内；

所述椎体部分的横截面为矩形截面，所述锥尖结构在所述矩形截面的正投影位于所述矩形截面的中心；

所述椎体部分的截面尺寸为3.1mm*1.5mm，长度300mm。

2.一种量子电压装置，其特征在于，包括：

真空罩，所述真空罩限定出真空腔体；

一级冷头，设置在所述真空腔体中；

二级冷屏，固定于所述一级冷头上，限定出筒状空间；

二级冷头，设置于所述筒状空间中；

量子超导芯片，设置于所述筒状空间中，并且固定于所述二级冷头上；以及

微波波导，为根据权利要求1所述的微波波导，所述微波波导与所述量子超导芯片连接；

真空隔离波导，固定在所述真空罩上，与所述量子超导芯片匹配。

3.根据权利要求2所述的量子电压装置，其中，所述微波波导的一端与所述波导法兰连接固定，所述微波波导的另一端通过量子超导芯片的波导法兰连接到所述量子超导芯片，所述波导法兰与量子超导芯片的波导法兰的中心连线垂直地面。

4.根据权利要求3所述的量子电压装置，其中，在所述二级冷屏穿孔处用金属夹具固定所述微波波导的所述聚四氟乙烯条。

5.根据权利要求2-4中任一所述的量子电压装置，其中，所述量子超导芯片通过机械夹具固定于所述二级冷头上，所述量子超导芯片与所述二级冷头的接触面为超薄银层。

6.根据权利要求2-4中任一所述的量子电压装置，其中，所述真空隔离波导通过螺钉固定在所真空罩上，所述真空隔离波导具有WR-12波导接口，与量子超导芯片匹配。

7.根据权利要求2-4中任一所述的量子电压装置，其中，所述二级冷屏为不锈钢筒，所述不锈钢筒的内表面镀镍。

8.根据权利要求2-4中任一所述的量子电压装置，其中，真空罩固定于所述量子电压装置的制冷机上，所述真空罩的内部粘贴多层绝热材料。

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