RU2478974C2 - Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof - Google Patents

Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2478974C2
RU2478974C2 RU2011122592/28A RU2011122592A RU2478974C2 RU 2478974 C2 RU2478974 C2 RU 2478974C2 RU 2011122592/28 A RU2011122592/28 A RU 2011122592/28A RU 2011122592 A RU2011122592 A RU 2011122592A RU 2478974 C2 RU2478974 C2 RU 2478974C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
electron
cathode
unit
circuit
Prior art date
Application number
RU2011122592/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011122592A (en
Inventor
Валерий Сергеевич Александров
Олег Михайлович Павлов
Геннадий Петрович Телитченко
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" (ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" (ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" (ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева")
Priority to RU2011122592/28A priority Critical patent/RU2478974C2/en
Publication of RU2011122592A publication Critical patent/RU2011122592A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2478974C2 publication Critical patent/RU2478974C2/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: method is implemented in a replicated current circuit on its vacuum-treated segment; a part of electrons predetermining replicated current force is directed from an electron cloud onto a cathode of an electronic amplifier under a potential difference. A pulse frequency recorded in an output of the electronic amplifier and an electron elementary discharge enable stating replicated direct current force. It enables recording directly each electron in replicated direct current flow and providing correlating a current force unit (Amper) and its physical meaning.
EFFECT: higher accuracy of current unit replication and extended range of direct current replication towards the lesser values, enabled direct recording of each electron.
2 cl, 1 dwg

Description

Группа изобретений относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока абсолютным методом.The group of inventions relates to measuring technique and metrology, namely to the technique of reproducing a unit of constant electric current strength by the absolute method.

В первой половине 20-го века общепринятым понятием силы постоянного тока было то, что «электрический ток образуется движением электрических зарядов и может быть определен как количество электрических зарядов, проходящих через проводник в единицу времени» [К.А.Круг, «Основы электротехники». М.-Л., 1936, с.13-14].In the first half of the 20th century, the generally accepted concept of direct current strength was that “electric current is generated by the movement of electric charges and can be defined as the number of electric charges passing through a conductor per unit time” [K.A. Krug, “Fundamentals of Electrical Engineering” . M.-L., 1936, p.13-14].

Из уровня техники средства воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока непосредственно в соответствии с этим определением не известны.In the prior art, means for reproducing a unit of constant electric current directly in accordance with this definition are not known.

На IX Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году было принято, что Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н. [Международный Комитет мер и весов, 1946 год, Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ, 1948 год].At the IX General Conference on Weights and Measures in 1948, it was accepted that Ampere is equal to the force of an unchanging current, which when passing through two parallel rectilinear conductors of infinite length and an insignificant small area of circular cross section located in vacuum at a distance of 1 m from one another , would cause in each section of the conductor 1 m long the interaction force equal to 2 · 10 -7 N. [International Committee of Weights and Measures, 1946, Resolution 2, approved by IX CGPM, 1948].

В соответствии с этим определением, ведущими мировыми метрологическими центрами (США, Англия, Германия, Япония) были начаты работы по созданию комплекса аппаратуры для воспроизведения единицы тока, который получил название «токовые весы». В 1968 году такой комплекс аппаратуры, созданный во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, был утвержден Госстандартом СССР в качестве Государственного первичного эталона единицы силы постоянного электрического тока - Ампера (шифр ГЭТ 4-68), [ГОСТ 8.022-72 ГСИ «Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений силы постоянного электрического тока»] с пределом допускаемой погрешности, как и в других странах, 1·10-5.In accordance with this definition, the leading world metrological centers (USA, England, Germany, Japan) began work on creating a complex of equipment for reproducing a unit of current, which was called "current scales". In 1968, such a set of equipment, created in VNIIM them. D.I. Mendeleev, was approved by the USSR State Standard as the State primary standard of a constant electric current strength unit - Ampere (GET code 4-68), [GOST 8.022-72 GSI “State primary standard and all-Union calibration scheme for measuring instruments of constant electric power current ”] with a margin of error, as in other countries, 1 · 10 -5 .

В связи с появлением квантовых эталонов - эталон постоянного электрического напряжения, опирающийся на фундаментальную константу Джозефсона и эталон электрического сопротивления, опирающийся на фундаментальную константу Клитцинга, появилась возможность с более высокой точностью воспроизводить Ампер косвенным методом через Вольт и Ом.In connection with the advent of quantum standards - the standard of constant electric voltage, based on the fundamental Josephson constant and the standard of electrical resistance, based on the fundamental Klitzing constant, it became possible to reproduce Ampere with an higher accuracy using the indirect method through Volt and Ohm.

Основываясь на этих положениях, в диапазоне 1·10-3 - 1 А в 1991 году был создан и утвержден комплекс средств измерений, вошедший в состав Государственного первичного эталона единицы силы постоянного электрического тока - Ампера (шифр ГЭТ 4-91). [ГОСТ 8.022-91 ГСИ «Государственный первичный эталон и Государственная поверочная схема для средств измерений силы постоянного электрического тока в диапазоне 10-16 - 30 А»]. В состав этого же эталона в диапазоне 1·10-16-1·10-9 А вошел также комплекс аппаратуры основанный на методах электрометрии [см. Д.И.Антонова, О.М.Павлов и др. «Устройство для воспроизведения постоянных токов», А.С. №614724, Бюл. изобр. №25, 1978], в которых реализованы косвенные методы воспроизведения Ампера и которые, однако, не соответствуют действующему в настоящее время определению.Based on these provisions, in the range of 1 · 10 -3 - 1 A, in 1991 a set of measuring instruments was created and approved, which became part of the State primary standard of a unit of constant electric current strength - Ampere (GET code 4-91). [GOST 8.022-91 GSI "State primary standard and the State calibration scheme for measuring instruments of direct current in the range of 10 -16 - 30 A"]. The composition of the same standard in the range of 1 · 10 -16 -1 · 10 -9 A also included a complex of equipment based on electrometry methods [see D.I. Antonova, O.M. Pavlov and others. "Device for reproducing constant currents", A.S. No. 614724, Bull. fig. No. 25, 1978], in which indirect methods of reproducing Ampere are implemented and which, however, do not meet the current definition.

Погрешность воспроизведения единицы силы тока электрометрической частью эталона ГЭТ 4-91 в диапазоне 1·10-16-1·10-9 А составляет (5-0,1) % [A.S.Katkov, О.М.Pavlov, O.P.Galakhova, E.D.Koltik, "Primary Standard of Current Developed of VNIIM", 2nd ISEM'93, China, pp.47-48].The error in reproducing a unit of current strength by the electrometric part of the GET 4-91 standard in the range of 1 · 10 -16 -1 · 10 -9 A is (5-0.1)% [ASKatkov, O.M. Pavlov, OPGalakhova, EDKoltik, "Primary Standard of Current Developed of VNIIM ", 2 nd ISEM'93, China, pp. 47-48].

Консультативный комитет по электричеству и магнетизму принял рекомендацию Е1 (2007) о предлагаемых изменениях Международной системы единиц СИ и, в частности, действующего определения ампера. Предложен пример определения ампера:The Advisory Committee on Electricity and Magnetism adopted recommendation E1 (2007) on proposed changes to the International SI Unit System and, in particular, the current definition of amperes. An example of an ampere definition is proposed:

- «ампер - это электрический ток, эквивалентного потока, точно равный 1/(1,60217653×10-19 элементарных зарядов в секунду (Из этого следует, что данное определение фиксирует элементарный заряд как равный точно 1,60217653×1019 A·c)» [RECOMMENDATION E1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (SI). The Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM/2007-44].- “an ampere is an electric current of an equivalent flux exactly equal to 1 / (1.60217653 × 10 -19 elementary charges per second (It follows from this that this definition fixes an elementary charge as equal to exactly 1.60217653 × 10 19 A · c ) ”[RECOMMENDATION E1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (SI). The Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM / 2007-44].

Основу формулировки определения составляют следующие факторы:The basis of the definition is made up of the following factors:

1) определение силы постоянного электрического тока, как явления направленного движения электрических зарядов;1) determination of the strength of direct electric current, as a phenomenon of directional movement of electric charges;

2) определение количественной характеристики этого явления - силы электрического тока - как величины, численно равной количеству заряда, протекающего через определенную поверхность в единицу времени;2) determination of the quantitative characteristic of this phenomenon - the strength of the electric current - as a quantity numerically equal to the amount of charge flowing through a certain surface per unit time;

3) дискретность заряда.3) discreteness of charge.

Благодаря развитию современных нанотехнологий появилась возможность воспроизводить Ампер в соответствии с предлагаемым определением. Генеральная конференция обратилась к ведущим метрологическим институтам с призывом начать работы по созданию аппаратуры для воспроизведения Ампера в соответствии с рекомендуемым определением [XXIII Генеральная Конференция Мер и Весов, 2007 год, О возможном переопределении некоторых основных единиц Международной Системы Единиц (СИ). Резолюция L].Thanks to the development of modern nanotechnology, it became possible to reproduce Ampere in accordance with the proposed definition. The General Conference appealed to leading metrology institutes with a call to begin work on the creation of equipment for reproducing Amperes in accordance with the recommended definition [XXIII General Conference of Weights and Measures, 2007, On the possible redefinition of some basic units of the International System of Units (SI). Resolution L].

Для решения поставленной задачи во многих ведущих метрологических институтах мира проводятся работы по созданию квантового эталона электрического тока на основе эффекта одноэлектронного туннелирования. Для более успешного решения этой проблемы запущен Европейский проект COUNT, в рамках которого разрабатываются два дополняющих друг друга устройства на эффекте одноэлектронного туннелирования для применения в метрологии электрических токов [Н.Е. van den Brom, О.Kerkhof, S.V.Lotkhov, S.A.Bogoslovsky, G.-D.Willenberg, H.Scherer, A.B.Zorin, S.Pedersen, C.Kristoffersson, P.Delsing, M.Taslakov, Z.Ivanov, H.Nilsson, S.Giblin, P.Kleinschmidt, C.Hof, A.L.Eichenberger, F.Overney, B.Jeanneret, G.Genevĕs, N.Feltin, L.Devolille, F.Gay, and F.Piquemal «Counting Electrons One by One - Overview of a Joint European Research Project», IEEE Trans. IM vol.52, N2, pp.584-587, 2003].To solve this problem, many leading metrological institutes in the world are working on the creation of a quantum standard of electric current based on the effect of single-electron tunneling. For a more successful solution to this problem, the European project COUNT was launched, within the framework of which two devices supplementing each other based on the effect of single-electron tunneling are developed for use in metrology of electric currents [N.E. van den Brom, O. Kerkhof, SV Lotkhov, SA Bogoslovsky, G.-D. Willenberg, H. Scherer, ABZorin, S. Pedersen, C. Kristoffersson, P. Delsing, M. Taslakov, Z. Ivanov, H. Nilsson, S. Giblin, P. Kleinschmidt, C. Hof, ALEichenberger, F.Overney, B. Jeanneret, G. Genevĕs, N. Feltin, L. Devolille, F. Gay, and F. Piquemal “Counting Electrons One by One - Overview of a Joint European Research Project ”, IEEE Trans. IM vol. 52, N2, pp. 584-587, 2003].

При использовании одноэлектронного насоса для воспроизведения тока основное уравнение измерения, в зависимости от материала изготовления и температуры может быть представлено следующим образом:When using a single-electron pump to reproduce current, the basic measurement equation, depending on the material of manufacture and temperature, can be represented as follows:

i=e·f или i=2e·f,i = ef or i = 2ef

где: е - заряд электрона;where: e is the electron charge;

2е - заряд куперовской пары;2e is the charge of the Cooper pair;

f - частота напряжения, прикладываемого к затвору устройства.f is the frequency of the voltage applied to the gate of the device.

Из уровня техники средства воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока непосредственно в соответствии с этим определением не известны.In the prior art, means for reproducing a unit of constant electric current directly in accordance with this definition are not known.

Известен способ одноэлектронного туннелирования - способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, который по выполняемой функции и совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявленного способа (Y. De Wilde, F Gay, F.P.M.Piquemal, and G.Geneves, "Measurements of Single Electron Transistor Devices Combined with a CCC: Progress Report", IEEE Trans. IM, vol.50, N2, pp.231-234, 2001).A known method of single-electron tunneling is a method of reproducing a unit of constant electric current, which, by its function and a set of essential features, is the closest analogue of the claimed method (Y. De Wilde, F Gay, FPMPiquemal, and G. Geneves, "Measurements of Single Electron Transistor Devices Combined with a CCC: Progress Report ", IEEE Trans. IM, vol.50, N2, pp. 231-234, 2001).

Эффекты одноэлектронного тунелирования проявляются в системах, которые содержат маленький металлический островок, слабо связанный (т.е. через туннельные переходы) с внешней цепью. Когда емкость островка СΣ достаточно мала, присутствие избыточного электрона на островке может быть обнаружено. Этот эффект наиболее очевиден, когда заряжающая энергия e2/2·CΣ является доминирующей энергией в системе: она должна превышать энергию электронов, связанных с приложенным напряжением, e·V, и их тепловую энергию, k·T. На практике это требует применения металлических структур с характеристическими размерами менее 100 нанометра, работающих при температурах менее 50 миликельвин (менее - 223°С).The effects of single-electron tunneling are manifested in systems that contain a small metal island weakly coupled (i.e., through tunnel junctions) to the external circuit. When the capacitance of the island C Σ is small enough, the presence of an excess electron on the island can be detected. This effect is most obvious when energizes e 2/2 · C Σ is the dominant energy in the system: it must exceed the energy of the electrons associated with the applied voltage, e · V, and their thermal energy, k · T. In practice, this requires the use of metal structures with characteristic dimensions of less than 100 nanometers, operating at temperatures less than 50 micelvin (less than -223 ° C).

Посредством емкостного вентиля (затвора), связанного с островком, можно управлять зарядом островка. Наиболее известная структура - это одноэлектронный транзистор, который имеет два туннельных перехода и одну емкость затвора (IEEE Trans. IM vol.52, N2, pp.584-587, 2003).By means of a capacitive valve (shutter) connected to the island, the island charge can be controlled. The best known structure is a single-electron transistor, which has two tunnel junctions and one gate capacitance (IEEE Trans. IM vol. 52, N2, pp.584-587, 2003).

Известный способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока осуществляется устройством, которое содержит цепь, воспроизводящую единицу силы тока, в виде последовательно соединенных: истока, «n» туннельных переходов, «n-1» островков, расположенных между ними, стока, поддерживаемые подложкой, аттестуемого эталонного средства измерения и источника напряжения смещения Vc. Положительный полюс источника напряжения смещения связан с аттестуемым эталонным средством измерения, а отрицательный - с истоком. Фиксированные электроды затворов расположены в непосредственной близости от указанных квантовых островков, образуя емкостную связь между каждым электродом затвора и каждым островком. Каждый электрод затвора, через фазосдвигающую цепочку связан с одним из полюсов генератора радиочастоты, другой полюс генератора радиочастоты соединен с общей точкой истока и отрицательным полюсом источника напряжения смещения Vc.A known method of reproducing a unit of constant electric current strength is carried out by a device that contains a circuit reproducing a unit of current strength in the form of series-connected: source, "n" tunnel junctions, "n-1" islands located between them, drain supported by a substrate, certified reference measuring instrument and bias voltage source V c . The positive pole of the bias voltage source is associated with a certified reference measuring instrument, and the negative - with the source. The fixed gate electrodes are located in the immediate vicinity of these quantum islands, forming a capacitive coupling between each gate electrode and each island. Each gate electrode, through a phase-shifting chain, is connected to one of the poles of the radio frequency generator, the other pole of the radio frequency generator is connected to a common source point and the negative pole of the bias voltage source V c .

Известный способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока осуществляют следующим образом.A known method of reproducing a unit of constant electric current is as follows.

Воспроизводимый устройством одноэлектронного туннелирования ток iв под воздействием приложенного напряжения источника смещения начнет протекать только после разблокировки туннельного перехода, когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, кулоновской блокады. В блокированном состоянии у электрона на истоке нет доступных энергетических уровней в пределах диапазона туннелирования. Когда кулоновская блокада прорвется, электрон пройдет через барьер на островок. Прорыв кулоновской блокады зависит от напряжения на затворе. Для протекания тока в цепи исток-сток к каждому затвору через фазосдвигающую цепь от генератора радиочастоты подводится напряжение, которое от затвора к затвору сдвинуто по фазе на величину ±π. При этом ток в цепи будет протекать порциями, что соответствует движению единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через кулоновские барьеры одиночные электроны е или кулоновские пары 2е. Когда к затвору прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на островке понижаются.The current i in reproduced by the single-electron tunneling device under the influence of the applied voltage of the bias source will begin to flow only after the tunnel junction is unlocked, when the gate potential becomes greater than a certain threshold value, the Coulomb blockade. In a blocked state, the electron at the source has no available energy levels within the tunneling range. When the Coulomb blockade breaks, the electron passes through the barrier to the island. The breakthrough of the Coulomb blockade depends on the voltage at the gate. For the current to flow in the source-drain circuit, a voltage is supplied to each gate through a phase-shifting circuit from the radio frequency generator, which is ± π phase-shifted from the gate to the gate. In this case, the current in the circuit will flow in portions, which corresponds to the movement of individual electrons. Thus, by controlling the potential at the gate, it is possible to pass single electrons e or Coulomb pairs 2e through Coulomb barriers. When a positive potential is applied to the gate, the energy levels on the island decrease.

Электрон е или кулоновская пара 2е может туннелировать на островок, занимая свободный энергетический уровень. Далее, пройдя «n-1» островков, они могут туннелировать на сток. Величина воспроизводимого тока iв, протекающего между истоком и стоком, зависит от частоты генератора напряжения f, приложенного к затворам,An electron e or Coulomb pair 2e can tunnel to an island, occupying the free energy level. Further, having passed the “n-1” islands, they can tunnel to the drain. The magnitude of the reproduced current i in flowing between the source and drain depends on the frequency of the voltage generator f applied to the gates,

iв=e·f или iв=2e·f.i in = e · f or i in = 2e · f.

где: е - заряд электрона;where: e is the electron charge;

2е - заряд куперовской пары;2e is the charge of the Cooper pair;

f - частота напряжения, прикладываемого к затвору устройства.f is the frequency of the voltage applied to the gate of the device.

В эксперименте получен ток на уровне 1·10-12 А с погрешностью 0,1% с ошибкой переноса электронов 0,15 ppm. Погрешность счета основного потока электронов оценивается на уровне ±1 электрон [M.W.Keller and JM. Martinic, N.M.Zimmerman, A.H.Steinbach "Accuracy of electron counting using a 7-junction electron pump", Appl. Phys. Lett. v.69 N12, pp.1804-1806, 1996].In the experiment, a current of 1 · 10 -12 A was obtained with an error of 0.1% with an electron transfer error of 0.15 ppm. The counting error of the main electron flux is estimated at ± 1 electron [MWKeller and JM. Martinic, NMZimmerman, AHSteinbach "Accuracy of electron counting using a 7-junction electron pump", Appl. Phys. Lett. v.69 N12, pp. 1804-1806, 1996].

Недостатком способа воспроизведения силы постоянного тока является то, что воспроизводимый ток определяется косвенным методом, путем приложения к затвору напряжения определенной частоты. При этом возникает необходимость обеспечения защиты электронов е и куперовских пар 2е от сотуннелирования для уменьшения общей неопределенности прохождения электронов, а также необходимость применения высоких технологий для создания структур (размеры менее 100 нанометра), работающих в условиях сверхнизких температур; и специального оборудования для обеспечения этих условий (на уровне единиц мили Кельвина).The disadvantage of this method of reproducing direct current is that the reproducible current is determined indirectly by applying a voltage of a certain frequency to the gate. This raises the need to protect the electrons e and Cooper pairs 2e from tunneling to reduce the overall uncertainty of the passage of electrons, as well as the need to use high technology to create structures (sizes less than 100 nanometers) operating at ultra-low temperatures; and special equipment to ensure these conditions (at the units of Kelvin miles).

Устройства для воспроизведения силы постоянного тока, аналогичные по технической сущности и выполняемой функции, в уровне техники заявителем не обнаружены.Devices for reproducing DC current, similar in technical essence and function performed, are not found by the applicant in the prior art.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является дальнейшее повышение точности воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока и расширение диапазона воспроизведения силы постоянного тока в сторону меньших значений, обеспечение возможности создания эталона одной из основных единиц международной системы СИ - единицы силы постоянного электрического тока Ампера в области его дольных значений.The task to which the claimed group of inventions is directed is to further increase the accuracy of reproducing a unit of direct current strength and extend the range of reproduction of direct current to lower values, making it possible to create a standard of one of the main units of the international SI system - unit of direct current power of Ampere in the area of its fractional values.

Технический результат, полученный при осуществлении заявленной группы изобретений, заключается в обеспечении возможности непосредственной регистрации каждого электрона в цепи воспроизводимого тока для обеспечения соответствия рекомендуемому определению Ампера его физическому смыслу.The technical result obtained by the implementation of the claimed group of inventions is to provide the possibility of direct registration of each electron in the reproducible current circuit to ensure compliance with the recommended definition of Ampere with its physical meaning.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявленной группы разнообъектных изобретений, которые образуют единый творческий замысел и представляют собой способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока и устройство для его осуществления.The specified technical result is achieved by the implementation of the claimed group of diverse inventions, which form a single creative concept and represent a method of reproducing a unit of constant electric current and a device for its implementation.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, использующем заряд электронов и перемещение их в цепи воспроизводимого тока, в отличие от известного способа, участок цепи воспроизводимого тока вакуумируют, на этом участке размещают катод, эмитирующий электронное облако, контрольную сетку и анод в виде катода электронного умножителя, на катоде создают электронное облако и под воздействием заданной разности потенциалов между катодом и контрольной сеткой определяемое ею задаваемое количество электронов, прошедших через контрольную сетку до анода, замыкает цепь воспроизводимого тока, количество электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока в единицу времени, преобразуют в электронном умножителе в последовательность импульсов, по частоте следования которых f определяют значение единицы силы воспроизводимого постоянного электрического тока iВ по формуле:The specified technical result in the implementation of the claimed group of inventions is achieved by the fact that in the inventive method of reproducing a unit of constant electric current using a charge of electrons and moving them in a reproduced current circuit, in contrast to the known method, a portion of the reproduced current circuit is evacuated, a cathode is placed on this section emitting an electronic cloud, a control grid and an anode in the form of a cathode of an electron multiplier, an electronic cloud is created at the cathode and under the influence of a given p potential differences between the cathode and the control grid, the determined number of electrons determined by it, passed through the control grid to the anode, closes the reproduced current circuit, the number of electrons passed through the reproduced current circuit per unit time is converted in the electron multiplier into a train of pulses whose pulse repetition rate f determine the value of the unit force of the reproduced constant electric current i In according to the formula:

iВ=е·f,i B = e · f,

обеспечивая возможность непосредственной регистрации каждого электрона в цепи воспроизводимого тока,providing the possibility of direct registration of each electron in the circuit of the reproduced current,

где е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653·10-19 Кл.where e is the elementary charge of the electron, exactly equal to 1.60217653 · 10 -19 C.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом устройстве для воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, состоящем из цепи, воспроизводящей единицу силы тока, выполненной в виде меры линейно изменяющегося напряжения, подключенной одним выходом к соединенным первым обкладкам двух конденсаторов равного номинала, другая обкладка одного из конденсаторов подключена к катоду в вакуумированном участке цепи из последовательно расположенных после катода контрольной сетки и анода, подключенных к другому выходу меры, причем анод в цепи воспроизведения тока является катодом электронного умножителя, анод которого связан со счетчиком импульсов, при этом вторая обкладка другого конденсатора является выходом устройства, отображающим воспроизводимую единицу силы постоянного тока.The specified technical result in the implementation of the claimed group of inventions is achieved by the fact that in the inventive device for reproducing a unit of constant electric current, consisting of a circuit reproducing a unit of current, made in the form of a measure of ramp, connected by one output to the connected first plates of two capacitors of equal nominal, another lining of one of the capacitors is connected to the cathode in the evacuated section of the circuit from sequentially located after the cathode control grid and anode connected to another output of the measure, and the anode in the current reproduction circuit is the cathode of the electron multiplier, the anode of which is connected to the pulse counter, while the second lining of the other capacitor is the output of the device, which displays the reproduced unit of the direct current strength.

В устройстве для осуществления способа воспроизведения единицы силы тока (чертеж) мера линейно изменяющегося напряжения 1 подключена одним выходом к общим обкладкам конденсаторов 2 и 3 с равным значением емкости. Другая обкладка конденсатора 2 подключена к катоду 4, расположенному вместе с контрольной сеткой 5, анодом 6 (в виде катода 6 электронного умножителя 7) и электронным умножителем 7 в вакуумном баллоне 8. Контрольная сетка 5 и анод 6 соединены с другим концом меры линейно изменяющегося напряжения 1. Анод 9 электронного умножителя 7 связан с одним из концов сопротивления нагрузки 10 и одной из обкладок разделительного конденсатора 11. Другая обкладка конденсатора 11 соединена с входом импульсного усилителя 12, выход которого соединен с входом счетчика импульсов 13. Другой конец сопротивления нагрузки 10 соединен с положительным полюсом источника питания 14, с общей шиной 15 импульсного усилителя 12 и с другим концом счетчика импульсов 13. Сопротивление смещения 16 одним концом соединено с выходом 17 распределенного делителя напряжения электронного умножителя 7, а другим - с положительным полюсом источника питания 14. Отрицательный выход источника питания 14 соединен с катодом 6 электронного умножителя 7. Другая обкладка конденсатора 3 соединяется с высокоомным входом аттестуемого эталонного средства измерения 11%. Низкоомный вход средства измерения 18 соединен с другим концом меры линейно изменяющегося напряжения 1 и с отрицательным полюсом источника питания 14.In the device for implementing the method of reproducing a unit of current strength (drawing), a measure of a linearly varying voltage 1 is connected by one output to the common plates of capacitors 2 and 3 with an equal value of capacitance. Another lining of the capacitor 2 is connected to the cathode 4, located together with the control grid 5, the anode 6 (in the form of the cathode 6 of the electron multiplier 7) and the electron multiplier 7 in the vacuum cylinder 8. The control grid 5 and the anode 6 are connected to the other end of the ramp measure 1. The anode 9 of the electron multiplier 7 is connected to one of the ends of the load resistance 10 and one of the plates of the isolation capacitor 11. Another plate of the capacitor 11 is connected to the input of the pulse amplifier 12, the output of which is connected to the input of the counter pulses 13. The other end of the load resistance 10 is connected to the positive pole of the power source 14, with a common bus 15 of the pulse amplifier 12 and with the other end of the pulse counter 13. The bias resistance 16 is connected to the output 17 of the distributed voltage divider of the electron multiplier 7, and the other to with the positive pole of the power source 14. The negative output of the power source 14 is connected to the cathode 6 of the electron multiplier 7. Another lining of the capacitor 3 is connected to the high-impedance input of the certified reference Units measure 11%. The low-impedance input of the measuring instrument 18 is connected to the other end of the ramp measure 1 and to the negative pole of the power supply 14.

Заявляемый способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока осуществляется устройством, следующим образом.The inventive method of reproducing a unit of constant electric current is carried out by the device as follows.

Сила тока iB1, воспроизводимая мерой линейно изменяющегося напряжения 1 и конденсатором CB1 2, протекает между катодом 4 и анодом 6 (который является катодом 6 электронного умножителя 7) через контрольную сетку 5, и автоматически устанавливает напряжение между катодом 4 и контрольной сеткой 5, которое определяется силой воспроизводимого тока iB1 и не зависит от нагрузки.The current strength i B1 , reproduced by a measure of the ramp voltage 1 and capacitor C B1 2, flows between the cathode 4 and the anode 6 (which is the cathode 6 of the electron multiplier 7) through the control grid 5, and automatically sets the voltage between the cathode 4 and the control grid 5, which is determined by the strength of the reproduced current i B1 and does not depend on the load.

В результате, при воспроизведении силы тока iB1, напряжение между катодом 4 и контрольной сеткой 5 остается постоянным. Вследствие этого эмиссия электронов из облака катода 4 является пропорциональной силе воспроизводимого тока iB1.As a result, when reproducing the current strength i B1 , the voltage between the cathode 4 and the control grid 5 remains constant. As a consequence, the emission of electrons from the cloud of the cathode 4 is proportional to the strength of the reproduced current i B1 .

Электроны, создающие силу воспроизводимого тока iB1, протекают от катода 4 под воздействием электростатического поля, образованного высоковольтным источником напряжения 14, питающим электронный умножитель 7, затягиваются анодом 6, проходя через контрольную сетку 5. При этом каждый электрон, попадая на катод 6 электронного умножителя 7, прежде чем замкнуть цепь воспроизводимого тока iB1, выбивает вторичные электроны, которые, умножаясь, образуют на аноде 9 электронного умножителя 7 импульс, который выделяется на сопротивлении нагрузки 10. Этот импульс проходит через разделительный конденсатор 11, усиливается импульсным усилителем 12 и поступает на счетчик импульсов 13. Сопротивление смещения 16 предназначено для установления оптимального рабочего режима электронного умножителя 7.The electrons creating the reproducible current strength i B1 flow from the cathode 4 under the influence of the electrostatic field formed by the high voltage voltage source 14 supplying the electron multiplier 7, are pulled by the anode 6, passing through the control grid 5. In this case, each electron falling on the cathode 6 of the electron multiplier 7, before closing the reproducible current circuit i B1 , knocks out secondary electrons, which, multiplying, form on the anode 9 of the electron multiplier 7 a pulse that is released on the load resistance 10. This the pulse passes through the separation capacitor 11, is amplified by a pulse amplifier 12 and is supplied to the pulse counter 13. The bias resistance 16 is designed to establish the optimal operating mode of the electron multiplier 7.

Воспроизводимое мерой линейно изменяющегося напряжения 1 и конденсатором CB1 2 значение единицы силы тока iB1, при равенстве значений емкостей двух конденсаторов CB1 2 и CB2 3, отображается воспроизводимым значением единицы силы тока iB2 через конденсатор CB2 3 для дальнейшего использования его при передаче размера единицы силы тока эталонам сравнения 18.Reproduced by the measure of linearly varying voltage 1 and the capacitor C B1 2, the value of the unit current strength i B1 , when the capacitance values of the two capacitors C B1 2 and C B2 3 are equal, the reproduced value of the unit current strength i B2 through the capacitor C B2 3 is displayed for further use with the transfer of the size of the unit of current to the standards of comparison 18.

При точном равенстве значений емкостей двух конденсаторов CB1 2 и CB2 3 сила воспроизводимого тока iB1 точно равна силе воспроизводимого тока iB2 With the exact equality of the capacitance values of the two capacitors C B1 2 and C B2 3, the strength of the reproduced current i B1 is exactly equal to the strength of the reproduced current i B2

iB1=iB2=e·f.i B1 = i B2 = e · f.

Так как сила тока определяется величиной заряда, т.е количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за 1 с, основное уравнение измерения устройства будет:Since the current strength is determined by the magnitude of the charge, i.e., the number of electrons passing through the cross section of the conductor in 1 s, the basic equation for measuring the device will be:

i=e·f.i = e · f.

Значение единицы силы воспроизводимого тока iB2 при равенстве значений емкостей конденсаторов CB1 и CB2 определяется из соотношения:The value of the unit strength of the reproduced current i B2 with the equality of the capacitance values of the capacitors C B1 and C B2 is determined from the ratio:

iB2=IB1=CB2·dV/dt=CB1·dV/dt=е·f,i B2 = I B1 = C B2 · dV / dt = C B1 · dV / dt = е · f,

где CB1 и CB2 - емкости конденсаторов 2 и 3, к которым прикладывается напряжение V, линейно изменяющееся за период времени t;where C B1 and C B2 are the capacitors of capacitors 2 and 3, to which a voltage V is applied, which varies linearly over a period of time t;

e - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653·10-19 Кл;e is the elemental charge of an electron exactly equal to 1.60217653 · 10 -19 C;

f - измеряемая частота (число) импульсов на выходе электронного умножителя 7.f is the measured frequency (number) of pulses at the output of the electron multiplier 7.

При этом нестабильность коэффициента усиления электронного умножителя 7 не играет роли, так как амплитуда импульса не входит в основное уравнение измерения.In this case, the instability of the gain of the electron multiplier 7 does not play a role, since the amplitude of the pulse is not included in the main measurement equation.

В изготовленном заявителем опытном образце была проверена принципиальная возможность счета электронов, образующих воспроизводимый ток.In the prototype manufactured by the applicant, the fundamental possibility of counting the electrons forming the reproduced current was checked.

В опытном образце были использованы:In the prototype were used:

- мера линейно изменяющегося напряжения 1 - мера линейно изменяющегося напряжения калибратора тока НК1-4;- a measure of the ramp voltage 1 - a measure of the ramp voltage of the current calibrator NK1-4;

- конденсатор CB1 2 - емкостью ≈1 пф с лейкосапфировой изоляцией (собственного производства);- capacitor C B1 2 - with a capacity of ≈1 pF with leucosapphire insulation (own production);

- катод, эмитирующий электроны 4, - позолоченный молибденовый диск с лейкосапфировой изоляцией (собственного производства);- cathode emitting electrons 4, - gilded molybdenum disk with leucosapphire insulation (own production);

- контрольная сетка 5, катод электронного умножителя 6, электронный умножитель 7, анод электронного умножителя 9, выход распределенного делителя напряжения электронного умножителя, 17 - вторично-электронный умножитель ВЭУ-6;- control grid 5, the cathode of the electron multiplier 6, the electron multiplier 7, the anode of the electron multiplier 9, the output of the distributed voltage divider of the electron multiplier, 17 - secondary electron multiplier VEU-6;

- вакуумный баллон 8 - баллон из молибденового стекла (собственного производства);- vacuum cylinder 8 - a cylinder made of molybdenum glass (own production);

- сопротивление нагрузки 10 - сопротивление типа МВСГ≈108 Ом;- load resistance 10 - resistance type MVSG≈10 8 Ohms;

- разделительный конденсатор 11 - конденсатор типа ФТ≈0,1 мкФ;- separation capacitor 11 - capacitor type FT ≈ 0.1 μF;

- источник питания электронного умножителя 14 - высоковольтный источник питания БПВ-5;- power supply of the electron multiplier 14 - high-voltage power supply BPV-5;

- импульсный усилитель 12 - усилитель импульсный В3-2;- pulse amplifier 12 - pulse amplifier B3-2;

- счетчик импульсов 13 - частотомер Ч3-47;- pulse counter 13 - frequency meter Ch3-47;

- сопротивление смещения 16, - сопротивление RCM≈104 Ом (подбирается при настройке).- bias resistance 16, - resistance R CM ≈10 4 Ohms (selected during setup).

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.Thus, it is seen that the above information confirms the possibility of implementing the claimed invention, achieving the specified technical result and solving the problem.

Claims (2)

1. Способ воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, использующий заряд электронов и перемещение их в цепи воспроизводимого тока, отличающийся тем, что участок цепи воспроизводимого тока вакуумируют, на этом участке размещают катод, эмитирующий электронное облако, контрольную сетку и анод в виде катода электронного умножителя, на катоде создают электронное облако и под воздействием заданной разности потенциалов между катодом и контрольной сеткой определяемое ею задаваемое количество электронов, прошедших через контрольную сетку до анода, замыкает цепь воспроизводимого тока, количество электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока в единицу времени, преобразуют в электронном умножителе в последовательность импульсов, по частоте следования которых f определяют значение единицы силы воспроизводимого постоянного электрического тока iВ по формуле:
iВ=e·f,
обеспечивая возможность непосредственной регистрации каждого электрона в цепи воспроизводимого тока,
где е - элементарный заряд электрона, точно равный 1,60217653·10-19 Кл.
1. A method of reproducing a unit of constant electric current using a charge of electrons and moving them in a reproduced current circuit, characterized in that a portion of the reproduced current circuit is evacuated, a cathode emitting an electron cloud, a control grid and an anode in the form of an electron multiplier cathode are placed on this section , an electron cloud is created on the cathode and under the influence of a given potential difference between the cathode and the control grid, it determines the specified number of electrons passing through the con the grid to the anode, closes the reproducible current circuit, the number of electrons that have passed through the reproducible current circuit per unit time is converted in the electron multiplier into a sequence of pulses, according to the repetition rate of which f determine the value of the unit of force of the reproduced constant electric current i V according to the formula:
i B = e · f,
providing the possibility of direct registration of each electron in the circuit of the reproduced current,
where e is the elementary charge of the electron, exactly equal to 1.60217653 · 10 -19 C.
2. Устройство для воспроизведения единицы силы постоянного электрического тока, состоящее из цепи, воспроизводящей единицу силы тока, выполненной в виде меры линейно изменяющегося напряжения, подключенной одним выходом к соединенным первым обкладкам двух конденсаторов равного номинала, другая обкладка одного из конденсаторов подключена к катоду в вакуумированном участке цепи из последовательно расположенных после катода контрольной сетки и анода, подключенных к другому выходу меры, причем анод в цепи воспроизведения тока является катодом электронного умножителя, анод которого связан со счетчиком импульсов, при этом вторая обкладка другого конденсатора является выходом устройства, отображающим воспроизводимую единицу силы постоянного тока. 2. A device for reproducing a unit of constant electric current strength, consisting of a circuit reproducing a unit of current strength, made in the form of a measure of linearly varying voltage, connected by one output to the connected first plates of two capacitors of equal nominal value, the other plate of one of the capacitors is connected to the cathode in a vacuum a section of a circuit from successively located after the cathode of the control grid and the anode connected to another output of the measure, the anode in the current reproduction circuit being a method of an electron multiplier, the anode of which is connected to a pulse counter, and the second lining of the other capacitor is the output of the device, which displays the reproduced unit of direct current.
RU2011122592/28A 2011-05-31 2011-05-31 Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof RU2478974C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011122592/28A RU2478974C2 (en) 2011-05-31 2011-05-31 Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011122592/28A RU2478974C2 (en) 2011-05-31 2011-05-31 Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011122592A RU2011122592A (en) 2012-12-10
RU2478974C2 true RU2478974C2 (en) 2013-04-10

Family

ID=49152491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011122592/28A RU2478974C2 (en) 2011-05-31 2011-05-31 Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2478974C2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2201006C2 (en) * 1997-09-24 2003-03-20 Дзе Велдинг Инститьют Device for radiating charged particles, charged-particle radiator, welding apparatus, charged-particle passing unit, and device for producing charged-beam
RU2367059C1 (en) * 2007-12-13 2009-09-10 Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук Tunnel device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2201006C2 (en) * 1997-09-24 2003-03-20 Дзе Велдинг Инститьют Device for radiating charged particles, charged-particle radiator, welding apparatus, charged-particle passing unit, and device for producing charged-beam
RU2367059C1 (en) * 2007-12-13 2009-09-10 Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук Tunnel device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Y.De Wilde, F Gay, F.P.M. Piquemal, and G.Geneves, "Measurements of Single Electron Transistor Devices Combined with a CCC: Progress Report", IEEE Trans. IM, vol.50, №2, pp.231-234, 2001. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011122592A (en) 2012-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Charpak et al. High-accuracy, two-dimensional read-out in multiwire proportional chambers
Bian et al. Corona-generated space charge effects on electric field distribution for an indoor corona cage and a monopolar test line
Wollmann et al. Beam feasibility study of a collimator with in-jaw beam position monitors
Jeckelmann et al. The elementary charge for the definition and realization of the ampere
Britt et al. Response of semiconductor detectors to fission fragments
RU2478974C2 (en) Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof
Bhattacharya et al. Experimental and numerical simulation of a TPC like set up for the measurement of ion backflow
RU152421U1 (en) DEVICE FOR MEASURING RESISTANCE OF EARTH GROUNDERS OF U-SHAPED SUPPORTS OF ELECTRIC TRANSMISSION AIR LINES WITHOUT DISCONNECTING THE GROUND PROTECTION ROPE
Steck et al. Characterization and metrological investigation of an R-pump with driving frequencies up to 100 MHz
RU2577803C1 (en) Method for electric capacity measuring and device for its realisation
US10222347B2 (en) Method and device for measuring ion concentration
Overney et al. Effects of metallic gates on AC measurements of the quantum Hall resistance
KR101563592B1 (en) High resistance measuring apparatus and method
Biswas et al. Performances of silicone coated high resistive bakeliteRPC
Campbell et al. Geometric magnetoresistance mobility extraction in highly scaled transistors
Ahlers et al. Direct comparison of fractional and integer quantized Hall resistances: Status and perspectives
Shirvani et al. A transient model of lightning breakdown process based on photographic measurements
김남 et al. Redefinition and Realization of ampere by Fixing the Numerical Value of the Elementary Charge e
Shulga et al. Measurement of the ion blocking by the passive bipolar grid
Overbeck et al. Grid Current Control for the Ionization Gauge
Chen et al. Pulsed-wire system for magnetic-field measurements on an in-vacuum undulator at NSRRC
Snowden-Ifft Discovery of multiple, ionization-created anions in gas mixtures containing CS2 and O2
Goebel et al. Preliminary investigation of the use of quantum Hall array resistance standards as traveling standards
Harrison et al. Symmetric and non-symmetric Lambertson magnets
Sam The effect of space charges on the conductivity of dielectrics under medium direct voltage stress conditions