JPS5836739B2

JPS5836739B2 - 電位差測定装置

Info

Publication number: JPS5836739B2
Application number: JP4732977A
Authority: JP
Inventors: 忠遠藤; 正男小柳; 瀕中村
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1977-04-26
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1983-08-11
Also published as: JPS53133067A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は直流用の電位差測定装置に関するものである。

直流用電位差測定装置は従来力）ら種々知られているが
、それらは標準電圧源として標準電池を使用している。

この種の従来装置においては、一般に、１■（ボルト）
に対する誤差を１０μ■（マイクロボルト）すなわち１
０−５の相対誤差を下まわるようにすることは困難であ
る。

また、従来装置において用いられる分正器は一般に自己
校正が不可能であり、それが可能なものであっても、手
続きが煩雑かつ困難であり、常時校正を行いつつ使用す
ることはできない。

本発明の目的は、少なくとも１０−５の相対誤差を下ま
わる程度に高精度であり、常時、分圧器の自己校正の可
能な、直流用の電位差測定装置を提供することである。

．この目的を達成するために本発明は標準電圧源として
ジョゼフソン電圧標準を用いることを特徴とするもので
、本発明によれば１０ｍＶ（ミリボルト）に対して誤差
０．１ｎＶ（ナノボルト）、すなわち１０−８以下の相
対誤差の下での測定が可能になり、また、常時、分圧器
の自己校正が可能になる。

以下、一実施例を示す図面を参照して本発明をさらに詳
細に説明する。

図において、１はジョゼフソン素子、２は被測定電位差
源、３はＭ個の直列抵抗Ｒ１，Ｒ２＊・・・ＲＭ−ｔ
ＩＲＭを有する分圧器である。

分圧器３には、ジョゼフソン素子１側に、各直列抵抗の
電正を測定できるように測定端子ｌ３１１１４１・・・
ＺＭ＋２１７！！Ｍ＋３が付設され、被測定電位差源２
側にも上記測定端子と同一の所力）らγ３，γ４，・・
・γＭ＋２，γＭ＋３が導出されている。

さらに分圧器３には、各直列抵抗には接続されていない
２組の端子装置が付設されており、そのジョゼフソン素
子側は端子ｌ１，ｌ２として、また、被測定電位差源側
はγ１，γ２としてそれぞれ表されている。

ジョゼフソン素子１の一端からは端子ｔ１が導出され、
他端力）らは検流計４を介して端子【２が導出される。

両端子１１．１２は端子ｌ１〜Ａ’Ｍ＋３のいずれ力
）に接続可能である。

被測定電位差源２の一端力）らは端子ｔ３が導出され、
他端カ）らは抵抗５および検流計６を介して端子ｔ４が
導出されている。

両端子１３，１，は端子γ１〜γＭ＋３のいずれ力）に
接続可能である。

測定時間中に生ずる被測定電位差源２の変動による検流
計６の振れに対応する信号は、増幅器γで増幅し、抵抗
５に帰還して、検流計６の回路に電流が流れないように
することができる。

分圧器３には可調整直流定電流源８から直流定電流Ｉｄ
を流すことができる。

この電流■ｄの値は、分圧器３の直列抵抗に生ずる電圧
降下が被測定電位差源２の電位差■８と平衡するように
調整される。

ジョゼフソン素子１には可変電流源９カ）ら直流電流■
Ｊを流すと共に、発振器１０によりマイクロ波帯の周波
数ｆの電磁波が加えられる。

周波数ｆと電流■Ｊ（こより、分正器３の抵抗に生じて
いる降下電圧とジョゼ７ソン素子１の電圧■Ｊとが平衡
して検流計４め歇抗が零になるように、電圧■Ｊが調整
される。

図示の装置は、簡単に言えば、ジョゼフソン素子１の発
生する電圧■Ｊを基準にして、被測定電位差源２の電圧
ｖｘを、分圧器３を媒介として測定する装置である。

ジョゼフソン素子１に直流電流ＩＪを流すと共に、さら
にマイクロ波帯の周波数ｆの電磁波を加えるとき、ジョ
ゼフソン素子１の出力電正対電流特性には、一定電圧間
隔を持つ階段特性が生ずる。

この電圧間隔は正確に周波数ｆに比例する。

したがって、電流■Ｊを調節して階段の段数ｎを選択し
たり、周波数ｆを変えγこりすることにより、標準電モ
を広範囲に変えることができる。

図示の装置による電位差測定の手続きは次の通りである
。

まず端子ｔ４をγＭ＋３に、端子ｔ３をγ３に接続し検
流計６の振れが零になるように電流Ｉｄの値を調節し、
以後、この電流Ｉｄの値は一定に保持する。

次の測定時間中、被測定電位差Ｖｘが変動し、検流計６
が振れるときは、すでに述べたように、その信号を増幅
器Ｔを経て、抵抗５に帰還し、検流計回路には電流が流
れないように調節する。

電位差ｖｘの変動は、この帰還電流から知ることができ
る。

他方、ジョゼフソン電正標準回路の端子ｔ１を端子Ｉｌ
３に、端子ｔ２を端子ｉｌ４に接続し、検流計４の回路
の電流が零になるように、電圧■Ｊの階段数と周波数ｆ
を調節し、その値をそれぞれｎ１１ｆ１と求める。

次いで、端子ｔ１を端子ｌ４に、端子ｔ２を端子ｌ５に
接続し、上記と同様に、階段数ｎ２および周波数ｆ２を
求める。

以下同様にして、分匣器３の各抵抗両端の電圧をすべて
測定する。

いま、任意の抵抗もの両端における測定力）ら階段数ｎ
および周波数ｆｍという測定値が得られたもｍのとすると、電位差ｖｘの値は ■、＝（ Σｎｍ−ｆｍ）／（２ｅ／ｈ）・・・（１
）ｍ＝１から求められる。

ただし、ｅは電子の電荷、ｈはブランク定数である。

しＴこがって、２ｅ／ｈは定数で、国際匿量衡委員会で
定められた値（２ｅ／ｈ）＝４８３．５９４
００ＴＨＺ／Ｖ７？− １１ｉＴＩを用いるのが
適当である。

なお、この値は、電子技術総合研究所長よりの通達に従
うべきものである。

また、各抵抗の比も、から求められる。

しかし、（１）式から明らかなように、抵抗比が電位差
ｖｘに直接影響しない。

すなわち、（１）式で求めた電位差ｖＸは、分圧比校正
済の値と言える。

これ力）らまた抵抗Ｒｍの値は一般には任意でよいこと
がわかる。

通例、これらはほぼ等しく選ぶのが便利である。

いま、・ジョゼフソン標準電モの最大値を（■Ｊ）ｍａ
ｘとおく。

の条件を満たす電位差■８を測定したいときは、端子ｔ
４を端子γｍ＋３、端子ｔ３を端子γ３に接続し、抵抗
Ｒ１から抵抗Ｒｍまでの電臣を、ジョゼフソン電圧標準
で測定すればよい。

またのときは、端子ｔ３を端子γ１に、端子ｔ４を端子
γ２に接続し、一方、端子ｔ１を端子ｌ，に、端子ｔ２
を端子ｌ２に接続することにより、分圧器３を介せず、
直接比較が可能である。

なお、回路の寄生起電力を消去するため、検流計の接続
反転、各パラメータｖＪ．Ｉｄ．Ｖ，の反転等の操
作を行って、同様な測定を繰返す必要がある。

これは従来の電位差計の場合と異なるところはない。

本発明における検流計４，６には、通常用いられるもの
のほか、ＳＱＵＩＤ検流計を用いると、感度の向上が期
待できる。

また、分圧器３は、室温で用いる形式以外に、液体ヘリ
ウム温度で動作する形式を用いることもできる。

定電流源の基準用として、やはりＳＱＵＩＤを用いるこ
ともできる。

具体的には、分圧器を構成する抵抗体の最大個数Ｍは１
０以下が実際的である。

いま（■Ｊ）ｍａｘが１０ｍＶのときは、本発明の電位
差測定装置によって０．１Ｖ力）ら２０μ■までの範囲
の任意の電圧測定が可能である。

（■Ｊ）ｍａｘが１００ｍＶならば上限は１ｖに
上る。

直流電流Ｉｄの安定度は、ほぼ１０−９が期待される。

また、任意の抵抗Ｒｍの測定時間内の変動もｌＯ−９に
制御できる。

検流計の分解能は１０−”Ｖ〜１０−”Ｖが得られる。

したがって、本発明の電位差測定装置によって、最大測
定電圧を相対誤差１０−９で測定できる。

この際、分圧器の温度変動を０．ＯＩＫ以下に制御する
ことが肝要である。

以上述べたように、本発明によれば次のような効果を達
成することができる。

１）相対誤差１０−９と電位差測定装置の基本性能が飛
躍的に向上する。

１１）分正器回路が簡単であり、構或抵抗体の値を厳密
に揃える必要がない。

抵抗体における電流依存性が本質的な誤差原因とならな
い。

完全な自己校正方式のため、他の方法による校正が不要
である。

１［１）従来の電位差計において重要な欠点となってい
たスライド抵抗が不要であり、動作も安定である。

ＩＶ）被測定電位差源２以外はすべて液体ヘリウム温度
で動作させることが可能である。

配線等はすべて超伝導線によることができる。

したがって、熱起電力の発生部位が少なく、また、その
除去も容易になる。

■）従来の方式では、標準電池の起電カを基準にしてい
た。

そのため、標準電池自体の校正が必要であった。

この方式では、標準電臣の校正は不要である。

ｖ１）限界精匪を要求しないときには、抵抗比の校正を
随時行えば、一般の測定時に電ＥＥｖＪとの比較を繰返
し行う必要はなく、操作はさらに簡単にできる。

■１１）本発明では、分モ器および被測定電位差源の相
互間を接続する導線に直列に抵抗体を挿入し、電位差測
定中に抵抗体に流れる電流の変動分を増幅してその変動
分が零になるように抵抗体に帰還する増幅器を設けたの
で、被測定電位差源の電正変動を併せて測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による電位差測定装置の一実施例の回路構成
図である。１・・・・・・ジョゼフソン素子、２・・・・・・被測
定電位差源、３・・・・・・分圧器、４，６・・・・・
・検流計、５・・・・・・抵抗体、７・・・・・・増幅
器、８・・・・・・定電流源、９・・・・・・可変電流
源、１０・・・・・・発振器。

Claims

【特許請求の範囲】１ジョゼフソン素子と、このジョゼフソン素子に直流
電流を流すためのジョゼフソン素子電流源と、前記ジョ
ゼフソン素子にマイクロ波帯の電磁波を印加するための
発振器とによって構成される電圧値を可変にできる標準
電圧発生部と、被測定電位差を印加するための複数個の
直列抵抗から成る分モ器と、この分圧器に可調整定電流
を流して、前記被測定電位差とは独立に、この被測定電
位差と平衡する電圧を発生するための定電流源とを備え
、前記標準電圧発生部によって発生可能な最大電正以下
の大きさの被測定電位差の測定は、この被測定電位差と
前記標準電圧発生部の電圧とが平衡するように、前記ジ
ョゼフソン素子電流源からの電流および前記発振器力）
らのマイクロ波の周波数のうち、少なくとも一方を可変
調整することにより、前記標準電圧発生部の電玉を調整
し、電正平衡が達或されたときの前記標準電正発生部の
電圧値を被測定電位差とする零位法によって測定された
電モ値を被測定電位差とし、前記標準電圧発生部により
発生可能な最大電圧以上の大きさの被測定電位差の測定
は、前記分臣器中の複数個の抵抗のうち、被測定電位差
の大きさに応じ適宜に選んだ数の抵抗の両端に発生する
電正と被測定電位差とが平衡するように、あらかじめ前
記分正器に定電流源から流す電流を調整し、前記分圧器
から適宜に選んだそれぞれの抵抗毎に発生する電正を、
前記標準電正発生部の電圧を用いて、零位法によって測
定を行い、前記分圧器から適宜に選んだそれぞれの抵抗
毎に測定された電圧値の総加算値を被測定電位差とする
ことにより、分圧器の比を校正することなく、任意の電
圧値の被測定電位差を測定することを特徴とする電位差
測定装置。２ジョゼフソン素子と、このジョゼフソン素子に直流
電流を流すためのジョゼフソン素子電流源と、前記ジョ
ゼフソン素子にマイクロ波帯の電磁波を印加するための
発振器とによって構成される電圧値を可変にできる標準
電圧発生部と被測定電位差を印加するための複数個の直
列抵抗から成る分圧器と、この分圧器に可調整定電流を
流して、前記被測定電位差とは独立に、この被測定電位
差と平衡する電圧を発生するための定電流源と、前記分
匣器および被測定電位差源を接続する導線に直列に挿入
された抵抗体と、電位差測定中に前記抵抗体に流れる電
流の変動分を増幅して、その変動分が零になるように前
記抵抗体に帰還する増幅器とを備え、前記標準電圧発生
部によって発生可能な最大電正以下の大きさの被測定電
位差の測定は、被測定電位差と前記標準電正発生部の電
モとが平衡するように、前記ジョゼフソン素子電流から
の電流および前記発振器からのマイクロ波の周波数のう
ち、少なくとも一方を可変調整することにより、前記標
準電圧発生部の電モを調整し、電圧平衡が達成されたと
きの前記標準電正発生部の電圧値を被測定電位差とする
零位法によりよって測定された電圧値を被測定電位差と
し、前記標準電モ発生部により発生可能な最大電正以上
の大きさの被測定電位差の測定は、前記分圧器中の複数
個の抵抗のうち、被測定電位差の大きさに応じ適宜に選
んだ数の抵抗の両端に発生する電圧と被測定電位差とが
平衡するように、あらかじめ前記分圧器に定電流源から
流す電流を調整し、前記分圧器から適宜に選んだそれぞ
れの抵抗毎に発生する電圧を、前記標準電圧発生部の電
圧を用いて、零位法によって測定を行い、前記分モ器か
ら適宜に選んだそれぞれの抵抗毎に測定された電匣値の
総加算値を被測定電位差とすることにより、分正器の比
を校正することなく、任意の電モ値の被測定電位差を測
定することを特徴とする電位差測定装置。