RU2014620C1

RU2014620C1 - D c comparator

Info

Publication number: RU2014620C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Блохин; А.Е. Булах; О.В. Карпов; А.С. Маркин; М.С. Чубаров; К.А. Шилов
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: D.C. comparator includes superconducting toroidal screen of rectangular section with through radial slit, comparison windings placed in screen, null-indicator with quantum interferometer. Characteristic feature of comparator lies in manufacture of case of screen from nonsuperconducting material with coating of inner and outer surfaces of case of screen with superconducting layers dissected over perimeter of rectangular section of toroid by two nonsuperconducting elements formed on inner and outer surfaces of toroidal screen to the right and to the left from through radial slit which is filled with superconducting material connecting inner and outer layers of screen. Outer superconducting layer of screen closed with Josephson element positioned on side of central hole of toroidal screen is used as quantum interferometer. EFFECT: enhanced accuracy of comparison. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прецизионных устройствах, предназначенных для измерения отношения постоянных токов, а также для эталонов напряжения и тока. The invention relates to measuring technique and can be used in precision devices designed to measure the ratio of constant currents, as well as for voltage and current standards.

Известен компаратор постоянного тока [1], в котором многовитковые обмотки сравнения заключены в соединенный внахлестку тороидальный экран, выполненный из мягкого сверхпроводящего материала (свинца), а используемый в качестве нуль-индикатора магнитного потока СКВИД помещен в центре тороида. В месте перекрытия стенок экран изолирован и напоминает змею, проглатывающую свой хвост. Для вывода концов обмоток сравнения используется свинцовая трубка. A known DC comparator [1], in which multi-turn comparison windings are enclosed in a lap-shaped toroidal screen made of soft superconducting material (lead), and used as a zero indicator of magnetic flux SQUID is placed in the center of the toroid. At the point where the walls overlap, the screen is insulated and resembles a snake swallowing its tail. A lead tube is used to output the ends of the comparison windings.

Однако такая конструкция не обеспечивает достаточно плотного и равномерного прилегания слоев экрана друг к другу и, следовательно, снижает точность компарирования. Для повышения точности используют трех- и четырехкратное перекрытие слоев, что увеличивает габариты компаратора и делает его неприменимым в устройствах с криостатом ограниченных размеров. However, this design does not provide a sufficiently dense and uniform adherence of the layers of the screen to each other and, therefore, reduces the accuracy of comparing. To increase the accuracy, three- and four-fold overlapping of the layers is used, which increases the dimensions of the comparator and makes it inapplicable in devices with a cryostat of limited size.

Известен также компаратор постоянного тока [2], который по совокупности существенных признаков принят за прототип. В этом компараторе сверхпроводящий экран выполнен в виде двух составных тороидов прямоугольного сечения, изготовленных из твердого сверхпроводящего материала, например ниобия. Тороиды имеют радиальные щели и размещены один внутри другого с угловым смещением радиальных щелей. На участке углового сдвига радиальных щелей установлена сверхпроводящая стенка, соединяющая по периметру радиального сечения соответствующие поверхности внешнего и внутреннего тороидов экрана. Обмотки сравнения компаратора намотаны на катушку, размещенную во внутреннем тороиде экрана. Also known is a direct current comparator [2], which, taken from the set of essential features, is taken as a prototype. In this comparator, the superconducting screen is made in the form of two composite toroids of rectangular cross section, made of a solid superconducting material, such as niobium. Toroids have radial slots and are placed one inside the other with an angular displacement of the radial slots. A superconducting wall is installed on the angular shift section of the radial slots, connecting the corresponding surfaces of the outer and inner toroids of the screen along the perimeter of the radial section. Comparator comparison windings are wound on a coil located in the inner toroid of the screen.

К недостаткам компаратора, выбранного в качестве прототипа, относится "функциональное" построение устройства: экран (функция точного компарирования) - трансформатор магнитного потока (согласование) - квантовый интерферометр (датчик). Выполнение разными узлами устройства функций точного компарирования и датчика требует использования согласующего трансформатора магнитного потока и не позволяет реализовать предельные значения чувствительности и точности прибора в целом. The disadvantages of the comparator, selected as a prototype, include the “functional” construction of the device: screen (function of exact comparison) - magnetic flux transformer (matching) - quantum interferometer (sensor). The fulfillment of the functions of exact comparing and the sensor by different nodes of the device requires the use of a matching magnetic flux transformer and does not allow to realize the limiting values of sensitivity and accuracy of the device as a whole.

Действительно согласно [3] максимальная чувствительность по магнитному потоку ограничивается шумами и определяется выражением
ΔΦ =

· _

, где L_s и L - индуктивности вторичной катушки трансформатора потока и тела ВЧ-сквида; N_p - число витков приемной катушки; К_s - коэффициент связи между вторичной катушкой трансформатора потока и сквидом; <δФ_T ²>^1/2 - полный шумовой поток сквида. Для характерных значений параметров конструкции прототипа: N_p≈5...10, L_s ≈10^-7....10^-6 Г, К_s ≈ 10^-1, L ≈ 10^-9...10^-10 имеют
ΔФ≈ (10²...10³)< δФ_т ² >^1/2
При использовании сквидов циммермановского типа это составляет величину (3...10)˙10^-5 Ф_о/

или (1...10)˙10^-12А/

.Indeed, according to [3], the maximum sensitivity for magnetic flux is limited by noise and is determined by the expression
ΔΦ =

· _

where L _s and L are the inductances of the secondary coil of the flow transformer and the body of the RF squid; N _p is the number of turns of the receiving coil; K _s is the coupling coefficient between the secondary coil of the flow transformer and the squid; <δФ _T ² > ^1/2 - the total noise squid noise stream. For the characteristic values of the design parameters of the prototype: N _p ≈5 ... 10, L _s ≈10 ^-7 .... 10 ^-6 G, K _s ≈ 10 ^-1 , L ≈ 10 ^-9 ... 10 ^-10
ΔФ≈ (10 ² ... 10 ³ ) <δФ _t ² > ^1/2
When using Squids of the Zimmerman type, this amounts to (3 ... 10) ˙10 ^-5 F _о /

or (1 ... 10) ˙10 ^-12 A /

.

Предлагаемый компаратор позволяет устранить указанный недостаток. The proposed comparator eliminates this drawback.

Целью изобретения является повышение точности компарирования. The aim of the invention is to increase the accuracy of comparing.

Цель достигается тем, что в компараторе постоянного тока, содержащем сверхпроводящий тороидальный экран прямоугольного сечения со сквозной радиальной щелью, обмотки сравнения, размещенные в экране, и нуль-индикатор с квантовым интерферометром, корпус экрана выполнен из материала, не обладающего свойством сверхпроводимости, внутренняя и наружная поверхности экрана покрыты сверхпроводящими слоями, рассеченными по всему периметру прямоугольного тороида двумя несверхпроводящими элементами, сформированными на внутренней и наружной поверхностях тороидального экрана справа и слева от сквозной радиальной щели, которая заполнена сверхпроводящим материалом, соединяющим внешний и внутренний слои экрана, а в качестве кольца квантового интерферометра использован внешний сверхпроводящий слой, замкнутый джозефсоновским элементом, размещенным со стороны центрального отверстия тороидального экрана. The goal is achieved by the fact that in a DC comparator containing a rectangular superconducting toroidal screen with a through radial slot, comparison windings placed on the screen and a null indicator with a quantum interferometer, the screen housing is made of a material that does not have superconductivity, internal and external the surface of the screen is covered with superconducting layers cut along the entire perimeter of a rectangular toroid by two non-superconducting elements formed on the inner and outer surfaces the surfaces of the toroidal screen to the right and left of the through radial gap, which is filled with superconducting material connecting the outer and inner layers of the screen, and as the ring of the quantum interferometer, an external superconducting layer closed by a Josephson element placed from the side of the central hole of the toroidal screen is used.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа конструкцией сверхпроводящего экрана, каркас которого впервые выполнен из несверхпроводящего материала, стенки покрыты слоем сверхпроводящего материала, рассекаемого по толщине элементами из несверхпроводящего материала. Также впервые в предлагаемом компараторе внешний сверхпроводящий слой экрана одновременно использован и в качестве кольца (индуктивности L) квантового интерферометра. Поэтому N_p ≈ 1, L_s ≈ L, K ≈ 1, а величина ΔФ определяется исключительно шумами. Это позволяет повысить чувствительность на 2-3 порядка. Таким образом, заявляемый компаратор соответствует критерию "новизна".The claimed technical solution differs from the prototype in the construction of a superconducting screen, the frame of which is made of non-superconducting material for the first time, the walls are covered with a layer of superconducting material, cut in thickness by elements of non-superconducting material. Also for the first time in the proposed comparator, the external superconducting layer of the screen is simultaneously used as the ring (inductance L) of the quantum interferometer. Therefore, N _p ≈ 1, L _s ≈ L, K ≈ 1, and ΔF is determined exclusively by noise. This allows you to increase the sensitivity by 2-3 orders of magnitude. Thus, the inventive comparator meets the criterion of "novelty."

При изучении других технических решений в заданной области техники признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены, поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". When studying other technical solutions in a given field of technology, signs that distinguish the claimed solution from the prototype were not identified, therefore, they provide the claimed technical solution with the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показан предлагаемый компаратор постоянного тока, продольное сечение; на фиг.2 - его поперечное сечение; на фиг.3 приведена схема, поясняющая принцип действия компаратора. In FIG. 1 shows the proposed direct current comparator, longitudinal section; figure 2 - its cross section; figure 3 shows a diagram explaining the principle of operation of the comparator.

Компаратор состоит из корпуса 1 со сверхпроводящими слоями 2...5, обмоток 6 сравнения, намотанных на каркас 7, размещенный в корпусе 1 экрана, и нуль-индикатора 8. Корпус 1 экрана выполнен из материала, не обладающего свойством сверхпроводимости, например латуни, и имеет форму пустотелого составного тороида прямоугольного сечения. Корпус 1 выполнен со сквозной радиальной щелью. Внутренняя и наружная стенки корпуса 1 тороидального экрана покрыты слоями 2...5 сверхпроводящего материала, например, ПОС-60. В собранном виде слои 2. . .5 образуют две сплошные сверхпроводящие поверхности (внутреннюю 3, 4 и наружную 2, 5), каждая из которых, однако, не является замкнутой. Как внутренняя 3, 4, так и наружная 2, 5 поверхности сверхпроводящих слоев вдоль всего периметра радиального прямоугольного сечения экрана по толщине сверхпроводящего слоя 2...5 рассечены несверхпроводящими элементами (перемычками) 9, 10. Каждый из этих элементов фактически представляет собой либо узкую замкнутую по периметру полоску несверхпроводящего корпуса экрана, не покрытую сверхпроводящим слоем 2...5, либо узкую замкнутую полоску несверхпроводящего материала, нанесенную на стенки корпуса экрана между краями каждого сплошного сверхпроводящего слоя 2...5. В первом случае несверхпроводящий элемент 9, 10 имеет форму замкнутой по периметру выемки, глубина которой равна толщине сформированного сверхпроводящего слоя 2...5, а основанием является корпус 1 экрана из несверхпроводящего материала. Во втором случае выемка отсутствует. The comparator consists of a housing 1 with superconducting layers 2 ... 5, comparison windings 6 wound on a frame 7 located in the shield housing 1, and a zero indicator 8. The shield housing 1 is made of a material that does not have the property of superconductivity, such as brass, and has the shape of a hollow composite toroid of rectangular cross section. The housing 1 is made with a through radial slot. The inner and outer walls of the housing 1 of the toroidal screen are covered with layers 2 ... 5 of a superconducting material, for example, POS-60. Assembled layers 2.. .5 form two continuous superconducting surfaces (inner 3, 4 and outer 2, 5), each of which, however, is not closed. Both the inner 3, 4, and outer 2, 5 surfaces of the superconducting layers along the entire perimeter of the radial rectangular section of the screen along the thickness of the superconducting layer 2 ... 5 are dissected by non-superconducting elements (jumpers) 9, 10. Each of these elements is actually either narrow a strip of a non-superconducting screen body closed around the perimeter, not covered with a superconducting layer 2 ... 5, or a narrow closed strip of a non-superconducting material deposited on the walls of the screen body between the edges of each continuous superconducting odyaschego layer 2 ... 5. In the first case, the non-superconducting element 9, 10 has the shape of a recess closed along the perimeter, the depth of which is equal to the thickness of the formed superconducting layer 2 ... 5, and the base is the screen body 1 of the non-superconducting material. In the second case, there is no recess.

Сформированные таким образом несверхпроводящие элементы 9, 10 внутреннего 3, 4 и наружного 2, 5 сверхпроводящих слоев сдвинуты относительно друг друга и размещены по разные стороны от сквозной щели 11 (справа и слева от нее). Сквозная щель корпуса экрана заполнена сверхпроводящим материалом, например, ПОС-60 и соединяет внутренний 3, 4 и наружный 2, 5 сверхпроводящие слои экрана. Взаимное расположение сверхпроводящих 2...5 и несверхпроводящих 9, 10 элементов позволяет реализовать топологию (а следовательно, и все преимущества) экрана типа змеи, проглатывающей свой хвост. Наружный сверхпроводящий слой 5, замкнутый джозефсоновским элементом 12, образует кольцо квантового интерферометра нуль-индикатора 8. Сигнальная обмотка 13 индикатора 8 введена непосредственно в центральное отверстие тороидального экрана. The non-superconducting elements 9, 10 thus formed of the inner 3, 4 and outer 2, 5 superconducting layers are shifted relative to each other and placed on different sides of the through gap 11 (to the right and to the left of it). The through gap of the screen housing is filled with superconducting material, for example, POS-60, and connects the inner 3, 4 and outer 2, 5 superconducting layers of the screen. The mutual arrangement of superconducting 2 ... 5 and non-superconducting 9, 10 elements allows you to realize the topology (and therefore all the advantages) of a screen like a snake swallowing its tail. The outer superconducting layer 5, closed by the Josephson element 12, forms the ring of the quantum interferometer of the zero indicator 8. The signal winding 13 of the indicator 8 is inserted directly into the central hole of the toroidal screen.

В экспериментальном образце компаратора постоянного тока каркас тороидального экрана изготовлен из латуни марки ЛС-59. Диаметр каркаса экрана 18 мм, высота 20 мм, толщина стенок 0,2 мм, диаметр центрального отверстия 2 мм. Ширина сквозной радиальной щели 0,4 мм, толщина слоя сверхпроводящего покрытия 0,1-0,2 мм, в качестве материала покрытия для сверхпроводящего слоя использовали ПОС-60. Ширина несверхпроводящих элементов 0,5-0,7 мм, угловой сдвиг между ними 5-10^о. В качестве несверхпроводящего элемента использовали участки латунного экрана, не покрытые ПОС-60. Сквозная щель компаратора заполнялась ПОС-60. Обмотки сравнения намотаны ниобиевым проводом диаметром 0,07 мм по 30 и 1000 витков каждая. Кольцо квантового интерферометра замыкалось джозефсоновским переходом мостикового типа с критическим током 5.. .10 мкА.In the experimental sample of the DC comparator, the frame of the toroidal screen is made of brass grade LS-59. The diameter of the screen frame is 18 mm, the height is 20 mm, the wall thickness is 0.2 mm, and the diameter of the central hole is 2 mm. The width of the through radial gap is 0.4 mm, the thickness of the superconducting coating layer is 0.1-0.2 mm, POS-60 was used as the coating material for the superconducting layer. The width of nonsuperconducting elements is 0.5-0.7 mm, the angular shift between them is 5-10 ^about . As a nonsuperconducting element, sections of a brass screen not coated with POS-60 were used. The through gap of the comparator was filled with POS-60. Comparison windings are wound with a niobium wire with a diameter of 0.07 mm in 30 and 1000 turns each. The ring of the quantum interferometer was closed by a Josephson bridge-type junction with a critical current of 5 ... 10 μA.

Принцип действия предлагаемого компаратора понятен из эквивалентной схемы, приведенной на фиг.3, где L₁ - индуктивность обмоток сравнения, L₂ - индуктивность внешней поверхности внутреннего сверхпроводящего слоя, L₃ - индуктивность наружной поверхности внешнего сверхпроводящего слоя, L - джозефсоновский элемент. Индуктивности внутренних поверхностей внешнего и наружного слоев на фиг.3 не показаны.The principle of operation of the proposed comparator is clear from the equivalent circuit shown in figure 3, where L ₁ is the inductance of the comparison windings, L ₂ is the inductance of the outer surface of the inner superconducting layer, L ₃ is the inductance of the outer surface of the outer superconducting layer, L is the Josephson element. The inductances of the inner surfaces of the outer and outer layers are not shown in FIG. 3.

Ток i, наведенный обмотками компаратора L₁ на внутреннем слое L₂экрана, сделав один оборот, переходит по перемычке на слой L₃ и индуцирует магнитный поток
Φ = L₃i-L₃i_сsin

+Φ_ext , (1) где i_с - критический ток элемента I; Ф_ехt - внешний магнитный поток. В уравнении (1) учтено, что ток через переход определяется стационарным эффектом Джозефсона [3], т.е. выражением
i_сsin

.The current i induced by the windings of the comparator L ₁ on the inner layer L _{2 of the} screen, making one revolution, passes through the jumper to the layer L ₃ and induces magnetic flux
Φ = L ₃ iL ₃ i _with sin

+ Φ _ext , (1) where i _с is the critical current of the element I; Ф _ext - external magnetic flux. In equation (1), it is taken into account that the current through the junction is determined by the stationary Josephson effect [3], i.e. expression
i _with sin

.

Эта величина определяет состояние сквида, образованного индуктивностью наружной поверхности внешнего сверхпроводящего слоя L₃ и джозефсоновским элементом I.This value determines the state of the squid formed by the inductance of the outer surface of the outer superconducting layer L ₃ and the Josephson element I.

Поскольку Ф есть функция i, то состояние сквида определяется значением силы тока, что и позволяет использовать предлагаемое устройство в качестве компаратора. Since Ф is a function i, the state of the squid is determined by the value of the current strength, which allows us to use the proposed device as a comparator.

Благодаря использованию оригинальной конструкции, состоящей из несверхпроводящей основы и двух сверхпроводящих слоев, нанесенных на несверхпроводящую основу, удалось объединить функции кольца интерферометра и экрана и сформировать на несверхпроводящей основе джозефсоновский элемент, например, SNS или мостикового типа. Это позволило на 2-3 порядка повысить чувствительность предложенного компаратора. Thanks to the use of an original design consisting of a non-superconducting base and two superconducting layers deposited on a non-superconducting base, it was possible to combine the functions of the interferometer ring and the screen and form a Josephson element, for example, SNS or bridge type on a non-superconducting base. This made it possible to increase the sensitivity of the proposed comparator by 2–3 orders of magnitude.

Claims

A DC COMPARATOR, comprising a rectangular superconducting toroidal screen with a through radial slot, comparison windings placed in the screen, and a null indicator with a quantum interferometer, characterized in that, in order to increase the accuracy of the comparison, the screen body is made of non-superconducting material, the inner surface and the outer surface of the screen casing are covered with superconducting layers cut along the entire perimeter of the rectangular cross section of the toroid by two non-superconducting elements milled on the inner and outer surfaces of the toroidal screen to the right and left of the through radial gap, which is filled with superconducting material connecting the outer and inner superconducting layers of the screen, and as the ring of the quantum interferometer, an external superconducting layer is used, closed by a Josephson element placed from the side of the central hole of the toroidal screen.