JPS635011Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、ジヨゼフソン効果を応用したジヨゼ
フソン電圧標準装置に関するものである。更に詳
しくは、本考案は経時変化や温度変化による影響
の少ないジヨゼフソン電圧標準装置に関するもの
である。

第１図はこの種の装置の原理図である。この装
置において、JCは液体ヘリウムCS中に置かれ超
伝導状態に維持されているジヨゼフソン接合部
で、ここにはマイクロ波発振器OSCからマイク
ロ波が照射されている。このジヨゼフソン接合部
JCに直流電源E₁から可変抵抗Rv₁を介して電流Ｉ
を流すと、接合部JCの電圧は、流れる電流Ｉに
対して第２図に示すように階段状に変化する。こ
の階段状の電流・電圧特性はシヤピロステツプと
呼ばれており、１ステツプ電圧Voと、照射した
マイクロ波の周数数oとの間には(1)式に示すよ
うな関係がある。

Vo＝ho／2e (1) ただし、ｈ：ブランク定数 ｅ：電子の電荷 また、ステツプのｎ番目の電圧はnxVoで表わ
され、このnVoで表わされる標準電圧は、ガルバ
ノメータG₂を介して抵抗R₂の両端に与えられて
いる。被測定電圧Exは、ガルバノメータG₁を介
して抵抗R₁の両端に与えられている。抵抗R₁と
抵抗R₂とは直列接続され、この直列回路には、
直流電源E₂から抵抗Rv₂を介して電流I₁が流れて
いる。

このように構成した装置において、被測定電圧
Exを測定する場合、まずはじめにジヨゼフソン
接合部JCにマイクロ波を照射しない状態で、ガ
ルバノメータG₁が零となるように可変抵抗Rv₂を
調整する。次にジヨゼフソン接合部JCにマイク
ロ波を照射した状態で可変抵抗Rv₁を調整し、ジ
ヨゼフソン接合部に適当な電圧を発生させ、続い
て、ガルバノメータG₂が零となるようにマイク
ロ波の周波数oを調整する。このように調整す
ると、(2)式、(3)式が成立し、これから被測定電圧
Exは(4)式で表わされる。

I₁・R₁＝Ex (2) I₁・R₂＝nVo＝ｎ・ho／2e (3) Ex＝R₁／R₂・ｎ・ho／2e (4) このような原理に基づく電圧標準装置において
は、(4)式から明らかなように、被測定電圧Exは、
抵抗R₁，R₂の比で求められるものであるために、
これらの抵抗R₁，R₂を高精度に製作するととも
に、その値を高精度に維持しなくてはならない。
しかしながら、一般に高精度（10^-7オーダ）の抵
抗器を製作することはむずかしく、また、経時変
化や温度変化に対して抵抗値を高精度に維持する
ことも非常に困難である。

ここにおいて、本考案はこのような従来装置に
おける問題点を解決することを目的としてなされ
たものである。本考案においては、従来装置にお
ける抵抗分圧器R₁，R₂に代えて、静電容量分圧
器を用いた点に、ひとつの特徴がある。

第３図は本考案に係る装置の一例を示す構成接
続図である。ここでは標準電池電圧Esを測定す
る場合を例示するもので、この標準電池電圧Es
は、スイツチS₁、抵抗Ｒを介してコンデンサC₁，
C₂の直列接続回路に接続されている。コンデン
サC₁，C₂は、静電容量分圧器を構成しており、
各コンデンサC₁，C₂には、それぞれスイツチS₂，
S₃が並列されており、これらのスイツチS₂，S₃を
閉じると、コンデンサC₁，C₂に貯えられていた
電荷が放電するようになつている。ジヨゼフソン
接合部JCには、定電流源ISから定電流Ｉが流れ
ている。このジヨゼフソン接合部JCに発生した
電圧EJは、ガルバノメータＧ、スイツチS₄を介
して、コンデンサC₂の両端に発生した電圧E₂と
つき合されている。

このように構成した装置の操作及び動作は次の
通りである。

まずはじめに、スイツチS₂，S₃を閉じ、コンデ
ンサC₁，C₂の電荷を放電しておき、また、スイ
ツチS₄を開にしておく。次に、スイツチS₂，S₃を
開にし、スイツチS₁を閉じて、標準電池Esより
抵抗Ｒを介してコンデンサC₁，C₂を充電する。
この操作は標準電池電圧Esが変動しないように
微少電流で行なわれることが望ましい。それ故
に、標準電池電圧Esに近い値の電圧源で、コン
デンサC₁，C₂をあらかじめ充電してから行うよ
うにしてもよい。充電後、スイツチS₁を開にす
る。

この状態における一方のコンデンサC₂の両端
電圧E₂は(5)式で表わすことができる。

E₂＝Es／１＋C₂／C₁ (5) 次に、ジヨゼフソン接合部JCにマイクロ波を
照射するとともにバイアス電流Ｉを流して、ジヨ
ゼフソン電圧EJを発生させる。このジヨゼフソ
ン電圧EJ（＝nVo）は、(3)式で表わされ、マイク
ロ波の周波数oによつて変化する。

ここで、スイツチS₄を閉にし、ガルバノメータ
Ｇに電流が流れないようにジヨゼフソン電圧EJ
をマイクロ波の周波数を変化させて調節すれば、
E₂＝EJとなり、標準電池電圧E₂は(6)式で表わす
ことができる。

Es＝（１＋C₂／C₁）ｎ・ｈ／2e・o (6) (6)式において、コンデンサの比C₂／C₁を高精
度で維持することによつて、この比とマイクロ波
の周波数oから高精度で標準電池電圧Esの値を
知ることができる。

本考案にかかわる装置においては、このように
コンデンサC₁，C₂の比とマイクロ波の周波数o
から電圧測定を行うものであつて、コンデンサ
は、その静電容量が経時変化や温度変化に対して
抵抗値に比べてはるかに安定しているうえに、容
量測定も高精度で行うことができるもので、経時
変化や温度変化の影響を受けないで高精度の電圧
測定を行うことができる。

第４図は本考案に係る装置の他の実施例を示す
構成接続図である。この実施例では第３図実施例
において、ガルバノメータＧに代えてSQUIDガ
ルバノメータを用いたものであつて、コイルL₁
に流れる電流によつて生ずる磁束を高精度で検出
するようにしている。

このSQUIDガルバノメータは、コイルL₁に流
れる電流に対応した磁束がSQUIDリングに入る
ように構成されており、この磁束がSQUIDリン
グに入ろうとするときSQUIDリングに流れる遮
蔽電流の変化を、図示してないコイルによつて検
出することで、コイルL₁に流れる電流を知るこ
とができるものである。

なお、上記の各実施例では、コンデンサC₁，
C₂は固定容量である場合を例示したが、これを
可変容量とし、容量比C₂／C₁をそのつど測定す
るようにしてもよい。また、コンデンサC₁，C₂
としては所謂クロスキヤパシターを使用するよう
にしてもよい。この場合、静電容量は、長さl₁，
l₂に比例していることから、(6)式は(7)式で表わさ
れ、長さl₁，l₂の測定精度（一般に10^-8オーダと
いうれている）で電圧測定ができる。

Es＝（１＋l₂／l₁）ｎ・ｈ／2e・o (7) 以上説明したように、本考案によれば、経時変
化や温度変化による影響を受けず、精度の高いジ
ヨゼフソン電圧標準装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はジヨゼフソン接合の発生する電圧を利
用した電圧測定装置の原理図、第２図はその動作
波形図、第３図及び第４図は本考案に係る装置の
構成接続図である。 Es……被測定標準電池電圧、S₁〜S₄……スイ
ツチ、C₁，C₂……コンデンサ、Ｇ……ガルバノ
メータ、JC……ジヨゼフソン接合部、IS……定
電流源。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 超伝導状態に維持されたジヨゼフソン接合部に
   バイアス電流を流すと共にマイクロ波を照射し、
   前記ジヨゼフソン接合部に生ずる電圧を電圧標準
   として利用する装置において、 少なくとも２つのコンデンサを直列に接続して
   構成される静電容量分圧器と、この静電容量分圧
   器に測定すべき電圧をスイツチを介して印加する
   回路と、前記静電容量分圧器を構成する一方のコ
   ンデンサの一端と前記ジヨゼフソン接合部に生ず
   る電圧が出力される一方の端子との間にスイツチ
   を介して設けられた電流検出手段と、前記ジヨゼ
   フソン接合部に照射するマイクロ波の周波数を調
   整する周波数調整手段とを備えたことを特徴とす
   るジヨゼフソン電圧標準装置。