CN117008668A - 基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统 - Google Patents

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CN117008668A CN202311287514.5A CN202311287514A CN117008668A CN 117008668 A CN117008668 A CN 117008668A CN 202311287514 A CN202311287514 A CN 202311287514A CN 117008668 A CN117008668 A CN 117008668A
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Abstract

本发明公开了一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统,温控装置包括冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列、温度传感器及控制器;冷头、冷台、封装结构、衬底和约瑟夫森结阵列位于真空环境中;约瑟夫森结阵列设置于衬底上,封装结构对衬底和约瑟夫森结阵列进行封装,封装结构设置于冷头上,冷头和封装结构之间设有冷台;温度传感器采集约瑟夫森结阵列、封装结构和冷头的温度,控制器与温度传感器以及约瑟夫森结阵列通信连接,并根据封装结构和冷头的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列的输入功率。本发明通过对连接的冷头、封装结构的温度振荡幅值分析,可以实现对约瑟夫森结阵列的温度精准、智能的波动调节。

Description

基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统
技术领域
本发明属于量子电压标准系统技术领域,尤其涉及基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统。
背景技术
可编程约瑟夫森电压标准PJVS(programmable Josephson voltage standard)的电压的精准度,仅由基本常数和入射微波信号的频率决定,并且对于偏置参数的范围是恒定的。
量子测量领域,之前的多数约瑟夫量子电压标准系统都是采用液氦制冷方式,但是,受限于量子电压基准运行环境的苛刻性、液氦使用成本高昂性、基准装置操作复杂性和体积庞大等特点,超高精度的量子精密测量法方法难以普及。
当前,已有研究低温恒温系统,建立无液氦约瑟夫森的低温试验平台。基于温控机和冷冻探头的PJVS与液氦型PJVS有三个主要区别。首先,冷冻探头的温度是随时间变化的,并且以低温冷却器的工作频率(1.2 Hz)振荡,因此必须实施某种方式的温度稳定。第二,量子芯片在冷冻探头的表面从系统中吸取热量,并且由于低温冷却器之间存在多个机械接头,回路的温度总是高于低温头的温度。第三,与基本恒定温度4.2 K的液氦不同,冷冻探头的平均温度是温控功率和微波功率耗散的函数。
为了实现芯片的温度控制,常采用外部温度调节的方式,如专利CN109116885A给出量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置及方法,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,真空罩收容量子超导芯片、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件;制冷单元用于向真空罩内提供定量冷量;温度监测单元用于监测真空罩内的环境温度;热平衡单元用于平衡真空罩内的温度变化;热连接部件作为真空罩内的热传导媒介,分别与制冷单元、热平衡单元和量子超导芯片连接。该方案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所在环境的温度波动在允许的范围内。
但是对于量子超导芯片在的微波功率耗散引起的发热量无法进行控制,导致量子超导芯片的温度调节存在一定延时性,从而存在使量子电压台阶宽度变窄的情况。量子电压台阶宽度是许多因素的函数:微波信号的频率、功率水平和均匀性、约瑟夫森结的电特性和结的温度。约瑟夫森结阵列(其中,约瑟夫森结阵列是由很多个约瑟夫森结组合而成)工作的最佳频率很大程度上取决于芯片上微波组件和阵列传输线的设计,因此在恒定温度下,约瑟夫森结阵列存在提供最大量子电压台阶宽度的最佳微波功率。然而,在基于温控机的PJVS系统中,芯片温度是芯片上耗散的微波功率的强函数,微波功率耗散引起约瑟夫森结阵列发热,导致芯片温度上升,并因此将引起量子电压台阶宽度变窄。
因此,如何对约瑟夫森结阵列的温度进行精准、智能控制,使其具有较宽的量子电压台阶宽度是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷,本发明提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统,其中,温控装置包括冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列、温度传感器及控制器;冷头、冷台、封装结构、衬底和约瑟夫森结阵列位于真空环境中;约瑟夫森结阵列设置于衬底上,封装结构对衬底和约瑟夫森结阵列进行封装,封装结构设置于冷头上,冷头和封装结构之间设有冷台;温度传感器采集约瑟夫森结阵列、封装结构和冷头的温度;控制器与温度传感器和以及约瑟夫森结阵列通信连接,并根据封装结构和冷头的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列的输入功率。本发明通过对连接的冷头、封装结构的温度振荡幅值分析,可以实现对约瑟夫森结阵列的温度精准、智能的波动调节。
第一方面,本发明提供了一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,所述温控装置包括:冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列、温度传感器和控制器;
冷头、冷台、封装结构、衬底和约瑟夫森结阵列均位于真空环境中;
约瑟夫森结阵列设置于衬底上,封装结构对衬底和约瑟夫森结阵列进行封装,封装结构设置于冷头上,冷头和封装结构之间设有冷台;
温度传感器采集约瑟夫森结阵列、封装结构和冷头的温度;
控制器与温度传感器以及约瑟夫森结阵列通信连接,并根据封装结构和冷头的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列的输入功率。
进一步的,所述冷头和冷台之间设有第一固态介质,所述冷台与封装结构之间设有第二固态介质;所述封装结构与衬底之间设有第三固态介质;所述衬底和约瑟夫森结阵列之间设有第四固态介质。
进一步的,所述第二固态介质包括铟箔,其厚度不大于0.13 mm。
进一步的,约瑟夫森结阵列由若干约瑟夫森结组成,各个约瑟夫森结之间具有填充氧化物的沟槽,约瑟夫森结阵列的沟槽深度大于氧化物的厚度;
约瑟夫森结阵列的衬底为高电阻率硅,第四固态介质的热导率不小于100 W/K。
进一步的,约瑟夫森结与填充氧化物之间设有Cr-Cu-Au界面,且Cr-Cu-Au界面由热蒸发生成,Cr-Cu-Au界面厚度不小于150 nm。
进一步的,封装结构和冷台为铜材料,铟箔在封装结构和冷台之间,形成铜-铟-铜接头的第二固态介质,第二固态介质的热导率具体表示为:
其中,为第二固态介质的热导率,f()为铜-铟-铜固态介质热导函数,/>为铟箔表面的氧化程度,/>为铟箔的厚度,/>为施加于铜-铟-铜上的压强,/>为铟箔的屈服强度。
第二方面,本发明提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法,采用如上述基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,具体包括如下步骤:
步骤S101、在预设时间段内,温度传感器采集封装结构的温度和冷头的温度;
步骤S103、控制器获取该预设时间段内封装结构的温度振荡幅度和冷头的振荡幅度;
步骤S105、控制器基于对封装结构与冷头的温度振荡幅度的分析,调节约瑟夫森结阵列的输入功率。
进一步的,步骤S105,具体包括如下步骤:
控制器将封装结构与冷头的温度振荡幅度的比值与预设条件进行匹配,并基于匹配结果,结合冷头的温度,调节约瑟夫森结阵列的输入功率;
其中,所述预设条件为:
式中,ΔTP为封装结构的温度振荡幅度,ΔTCH为冷头的温度振荡幅度,α为温度振荡幅度的校准系数,ω为冷头供冷的低温冷却器的工作频率,C1、C2分别为冷台、封装结构的热容量,G1、G2分别为第一固态介质的热导率、第二固态介质的热导率。
进一步的,所述步骤105中调节约瑟夫森结阵列的输入功率,具体包括:
式中,TJ为当前时刻约瑟夫森结阵列的温度,β为约瑟夫森结阵列的功率调节校准系数,Q为约瑟夫森结阵列产生的功率,TCH为冷头的温度,G1为第一固态介质的热导率,G2为第二固态介质的热导率,G3为第三固态介质的热导率,G4为第四固态介质的热导率。
第三方面,本发明还提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控系统,所述系统包含处理器、存储器,所述处理器通过执行存储器中的计算机指令实现上述的一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法。
本发明提供的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统,至少包括如下有益效果:
(1)本发明通过对封装结构的温度振荡幅度和冷头的温度振荡幅度的分析,进行调节约瑟夫森结阵列的输入功率,从而可以实现对温度波动的调节。
(2)本发明通过在冷台与封装结构之间设置铟箔,形成铜-铟-铜固态介质,提高并且精准控制得到第二固态介质的热导率,同时,结合封装结构与冷头的温度振荡幅度,以预设条件为匹配判断基准,可以提高对温度控制的精确度。
(3)本发明将冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列等均纳入温度控制的模型中,实现对量子电压标准系统温控的精准、智能控制。
附图说明
图1示出本发明实施例的一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置的结构框图;
图2示出本发明某一实施例的固态介质连接关系结构示意图;
图3示出本发明实施例的一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法的流程图。
附图标记说明:1-冷头,2-冷台,3-封装结构,4-衬底,5-约瑟夫森结阵列,6-温度传感器,7-控制器,11-第一固态介质,12-第二固态介质,13-第三固态介质,14-第四固态介质。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义,“多种”一般包含至少两种。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
在现有的低温冷却器上,通常低于4.28 K温度的测量是不可能的,获得清晰限定的量子电压台阶所需的微波功率总是将量子芯片加热到至少4.28 K。无液氦PJVS成功运行的主要挑战是优化低温探头和低温恒温系统的设计,努力在低温冷却器的容量限制内,尽可能降低量子芯片的工作温度。
参见图1和图2所示,本发明提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,温控装置包括:冷头1、冷台2、封装结构3、衬底4、约瑟夫森结阵列5、温度传感器6和控制器7;
冷头1、冷台2、封装结构3、衬底4和约瑟夫森结阵列5位于真空环境中;
约瑟夫森结阵列5设置于衬底4上,封装结构3对衬底4和约瑟夫森结阵列5进行封装,封装结构3设置于冷头1上,冷头1和封装结构3之间设有冷台2;
温度传感器6采集约瑟夫森结阵列5、封装结构3和冷头1的温度;
控制器7与温度传感器6以及约瑟夫森结阵列5通信连接,并根据封装结构3和冷头1的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列5的输入功率。
另外,温控装置还可以包括:低温冷却器(例如压缩机)、真空泵等。其中,压缩机作用于冷头1,以调节冷头1的温度,真空泵用于调节真空环境的真空度。
本发明控制器通过温度传感器检测的温度数据与预设条件进行匹配,在无法匹配的情况,对约瑟夫森结阵列5的功率进行调节,使得调节后温度传感器检测的温度数据可以与预设条件进行匹配,达到调节约瑟夫森结阵列5的温度,使其具有较宽的量子电压台阶宽度。
尤其是在低温冷却器上对约瑟夫森结阵列5控温,使其具有较宽的量子电压台阶宽度。冷头1和冷台2与低温冷却器连接,为了最大限度地减少冷头1的温度波动,可以使用均温模块(即第一固态介质的一种)进行实现,其结构为:冷头1上设置冷台2,均温模块连接冷头1和冷台2,冷台2上设置封装衬底4和约瑟夫森结阵列5的封装结构3。
在实际应用场景中,冷头1和冷台2之间垫一个均温模块并通过螺丝压接固定,均温模块连接冷台2和冷头1,使温度传到更均匀。均温模块的材质不做具体的限定,尽可能选择高热导率的材料。
冷头1的位置安装高精度温度计和加热棒,并连接温度传感器6,用于实现温度的自动控制。冷头1、均温模块、冷台2、封装结构3、衬底4、约瑟夫森结阵列5形成整体位于恒温容器内,恒温容器内部微波线缆与外部的微波源连接,恒温容器内部电流引线与外部的偏置电流源连接,恒温容器内部电压传输引线与外部测量系统连接,用于传输约瑟夫森结阵列5的输出电压。
如图2所示,冷头1和冷台2之间设有第一固态介质11,冷台2与封装结构3之间设有第二固态介质12;封装结构3与衬底4之间设有第三固态介质13;衬底4和约瑟夫森结阵列5之间设有第四固态介质14。
第二固态介质12包括铟箔,其厚度不大于0.13 mm。
在冷头1及均温模块的设计中,使用纯铟箔(例如,厚度可以为0.127 mm)作为各种机械固定装置之间的热接口,因为它导热率高且可拆卸,使用非常方便。铟箔用于封装结构3和冷台2之间形成铜-铟-铜接头。在高于屈服强度的压力下,压入箔片接头的传导率继续显著增加,铟箔热界面的传导率由三个变量决定:施加压力时铟箔片表面的氧化程度、原始铟箔片厚度和施加的压力。当暴露在室温空气中时,铟氧化快,因此在组装接头之前必须去除氧化层。铜-铟-铜界面接口设计采用0.076 mm厚的铟箔,在施加压力前用山羊毛刷清洁,并加载至数倍于铟屈服应力的压力,使铜-铟-铜界面产生不低于5 W/K热导率。
封装结构3和冷台2为铜材料,铟箔在封装结构3和冷台2之间,形成铜-铟-铜接头的第二固态介质12,第二固态介质12的热导率具体表示为:
其中,为第二固态介质的热导率,f()为铜-铟-铜固态介质热导函数,/>为铟箔表面的氧化程度,/>为铟箔的厚度,/>为施加于铜-铟-铜上的压强,/>为铟箔的屈服强度。
产生5 W/K热导率的铜-铟-铜界面接口,所需的压力远远大于衬底4能够承受的压力。因此,在设计时,在衬底4-封装结构3的界面加入一个焊接点。第三固态介质的材质类型不做具体的限定,然而,焊接点的焊料结合必须具有以下特性:使得第三固态介质的热导率G3必须大于10 W/K,结合必须具有足够的延展性,以防止铜和硅的不同热收缩对12mm×17mm约瑟夫森结阵列的损坏,并且要求焊料的结合必须可经受住多次冷热循环的同时,G3没有任何显著降低。
约瑟夫森结阵列5由若干约瑟夫森结组成,各个约瑟夫森结之间具有填充氧化物的沟槽,约瑟夫森结阵列的沟槽深度大于氧化物的厚度;
第四固态介质并不代表某一特定的材质,而是由约瑟夫森结阵列5与衬底4的结构、材质相关。约瑟夫森结阵列5的衬底4为高电阻率硅,使得第四固态介质的热导率不小于100 W/K。使用高电阻率硅作为约瑟夫森结阵列5制造量子芯片的衬底4,以及将约瑟夫森结阵列5的沟槽深度增加到大于150 nm氧化物的厚度,可以有效地将第四固态介质的热导率提高到100 W/K以上。
约瑟夫森结与填充氧化物之间设有Cr-Cu-Au界面,且Cr-Cu-Au界面由热蒸发生成,Cr-Cu-Au界面厚度不小于150 nm。
由于量子芯片是在热氧化硅衬底上制造的,很难可靠的焊接。因此,需要先使量子芯片的背面金属化,或者通过去除氧化物(通常通过用鈇化学等离子体蚀刻),直接使硅层金属化,或使氧化物金属化。去除氧化物会损坏结阵芯片电路,因此本发明选择在二氧化硅上热蒸发不小于150 nm厚的多层铬-铜-金界面,使芯片表面易于焊接,且不会导致结阵电路退化。
其中,冷台2的热容量C1和封装结构3的热容量C2与冷头1、冷台2之间的热导率G1和冷台2、封装结构3之间的热导率G2一起构成一个双极滤波器。通过形成的双极滤波器可是实现预设条件的判断,具体的,预设条件为:,其中ΔTP是封装结构的温度振荡幅度,α为温度振荡幅度的校准系数,该校准系数可以根据实际应用场景通过实验数据的验证进行确定,一般来说,α的取值在0.95-1.05之间,ΔTCH是冷头的温度振荡幅度,ω是为冷头供冷的低温冷却器的工作频率,C1、C2分别为冷台、封装结构的热容量,G1、G2分别为第一固态介质的热导率、第二固态介质的热导率。
从式中可以得出,增加C1或C2会增加均温模块的效率,具体的,可以采用铅模制在铜结构周围,以提供大部分热容C1。也可以调整G1以在均温模块温度衰减和稳态温升之间提供所需的平衡。
约瑟夫森结阵列5上产生的热量通过衬底4和冷头1之间的一系列热界面传递,在常规液氦为冷却介质的结构中,约瑟夫森结阵列5总是与冷冻剂接触,它在沸腾氦中的温升为0.1–0.2K。而在本发明中,热导率G1-G4比浸泡在液氦中约瑟夫森结阵列5的传热系数小得多,因此在约瑟夫森结阵列5和冷头1之间形成温度梯度,并通过形成的温度梯度实现对约瑟夫森结阵列5输入功率的调节,具体的,基于以下公式调节所述约瑟夫森结阵列5的输入功率:
,其中,TJ为当前时刻约瑟夫森结阵列的温度,β为约瑟夫森结阵列的功率调节校准系数,该校准系数可以根据实际应用场景通过实验数据的验证进行确定,一般来说,β的取值在0.95-1.05之间,Q为约瑟夫森结阵列产生的功率,TCH为冷头的温度,G1为第一固态介质的热导率,G2为第二固态介质的热导率,G3为第三固态介质的热导率,G4为第四固态介质的热导率。
第二方面,参见图3所示,本发明提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法,采用如上述基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,具体包括如下步骤:
步骤S101、在预设时间段内,温度传感器采集封装结构的温度和冷头的温度;
步骤S103、控制器获取该预设时间段内封装结构的温度振荡幅度和冷头的振荡幅度;
步骤S105、控制器基于对封装结构与冷头的温度振荡幅度的分析,调节约瑟夫森结阵列的输入功率。
步骤S105,具体包括如下步骤:
控制器将封装结构与冷头的温度振荡幅度的比值与预设条件进行匹配,并基于匹配结果,结合冷头的温度,调节约瑟夫森结阵列的输入功率;
其中,所述预设条件为:
式中,ΔTP为封装结构的温度振荡幅度,ΔTCH为冷头的温度振荡幅度,α为温度振荡幅度的校准系数,ω为冷头供冷的低温冷却器的工作频率,C1、C2分别为冷台、封装结构的热容量,G1、G2分别为第一固态介质的热导率、第二固态介质的热导率。
步骤105中调节约瑟夫森结阵列的输入功率,具体包括:
式中,TJ为当前时刻约瑟夫森结阵列的温度,β为约瑟夫森结阵列的功率调节校准系数,Q为约瑟夫森结阵列产生的功率,TCH为冷头的温度,G1为第一固态介质的热导率,G2为第二固态介质的热导率,G3为第三固态介质的热导率,G4为第四固态介质的热导率。
第三方面,本发明还提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控系统,所述系统包含处理器、存储器,所述处理器通过执行存储器中的计算机指令实现上述的一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法。
需要说明的是,本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件,或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中,计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号,其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式,包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质,该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输,包括但不限于:电线、光缆、RF(射频)等等,或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的;也可以是单独存在,而未装配入该电子设备中。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码,上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言,诸如Java、Smalltalk、C++,还包括常规的过程式程序设计语言,诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行;在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络,包括局域网(AN)或广域网(WAN),连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图,图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现,也可以通过硬件的方式来实现。其中,单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
以上介绍了本发明的较佳实施方式,旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解,并不是为了限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的修改、替换、改进,均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,其特征在于,所述温控装置包括:冷头(1)、冷台(2)、封装结构(3)、衬底(4)、约瑟夫森结阵列(5)、温度传感器(6)和控制器(7);
冷头(1)、冷台(2)、封装结构(3)、衬底(4)和约瑟夫森结阵列(5)均位于真空环境中;
约瑟夫森结阵列(5)设置于衬底(4)上,封装结构(3)对衬底(4)和约瑟夫森结阵列(5)进行封装,封装结构(3)设置于冷头(1)上,冷头(1)和封装结构(3)之间设有冷台(2);
温度传感器(6)采集约瑟夫森结阵列(5)、封装结构(3)和冷头(1)的温度;
控制器(7)与温度传感器(6)以及约瑟夫森结阵列(5)通信连接,并根据封装结构(3)和冷头(1)的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列(5)的输入功率。
2.如权利要求1所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,其特征在于,所述冷头(1)和冷台(2)之间设有第一固态介质(11),所述冷台(2)与封装结构(3)之间设有第二固态介质(12);所述封装结构(3)与衬底(4)之间设有第三固态介质(13);所述衬底(4)和约瑟夫森结阵列(5)之间设有第四固态介质(14)。
3.如权利要求2所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,其特征在于,所述第二固态介质(12)包括铟箔,其厚度不大于0.13 mm。
4.如权利要求2所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,其特征在于,约瑟夫森结阵列(5)由若干约瑟夫森结组成,各个约瑟夫森结之间具有填充氧化物的沟槽,约瑟夫森结阵列的沟槽深度大于氧化物的厚度;
约瑟夫森结阵列(5)的衬底(4)为高电阻率硅,第四固态介质的热导率不小于100 W/K。
5.如权利要求4所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,其特征在于,约瑟夫森结与填充氧化物之间设有Cr-Cu-Au界面,且Cr-Cu-Au界面由热蒸发生成,Cr-Cu-Au界面厚度不小于150 nm。
6.如权利要求3所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,其特征在于,封装结构(3)和冷台(2)为铜材料,铟箔在封装结构(3)和冷台(2)之间,形成铜-铟-铜接头的第二固态介质(12),第二固态介质的热导率具体表示为:
其中,为第二固态介质的热导率,f()为铜-铟-铜固态介质热导函数,/>为铟箔表面的氧化程度,/>为铟箔的厚度,/>为施加于铜-铟-铜上的压强,/>为铟箔的屈服强度。
7.一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法,其特征在于,采用如权利要求1-6任一所述基于固态介质的量子电压标准系统温控装置,具体包括如下步骤:
步骤S101、在预设时间段内,温度传感器(6)采集封装结构(3)的温度和冷头(1)的温度;
步骤S103、控制器(7)获取该预设时间段内封装结构(3)的温度振荡幅度和冷头(1)的振荡幅度;
步骤S105、控制器(7)基于对封装结构(3)与冷头(1)的温度振荡幅度的分析,调节约瑟夫森结阵列(5)的输入功率。
8.如权利要求7所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控方法,其特征在于,步骤S105,具体包括如下步骤:
控制器(7)将封装结构(3)与冷头(1)的温度振荡幅度的比值与预设条件进行匹配,并基于匹配结果,结合冷头(1)的温度,调节约瑟夫森结阵列(5)的输入功率;
其中,所述预设条件为:
式中,ΔTP为封装结构的温度振荡幅度,ΔTCH为冷头的温度振荡幅度,α为温度振荡幅度的校准系数,ω为冷头供冷的低温冷却器的工作频率,C1、C2分别为冷台、封装结构的热容量,G1、G2分别为第一固态介质的热导率、第二固态介质的热导率。
9.如权利要求8所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控方法,其特征在于,所述步骤105中调节约瑟夫森结阵列(5)的输入功率,具体包括:
式中,TJ为当前时刻约瑟夫森结阵列的温度,β为约瑟夫森结阵列的功率调节校准系数,Q为约瑟夫森结阵列产生的功率,TCH为冷头的温度,G1为第一固态介质的热导率,G2为第二固态介质的热导率,G3为第三固态介质的热导率,G4为第四固态介质的热导率。
10.一种基于固态介质的量子电压标准系统温控系统,其特征在于,所述系统包含处理器、存储器,所述处理器通过执行存储器中的计算机指令实现权利要求7-9中任一所述基于固态介质的量子电压标准系统温控方法。
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