一种基于量子自然基准的电流计量装置及方法制造方法及图纸

本公开的基于量子自然基准的电流计量装置及方法，包括待测磁场产生组件、抽运

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子自然基准的电流计量装置及方法


[0001]本专利技术属于电磁学计量
，具体涉及一种基于量子自然基准的电流计量装置及方法。

技术介绍

[0002]自20世纪以来，约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的发现推动了量子电压基准和量子电阻基准的建立，实现了电压和电阻从实物基准到量子自然基准的过渡(参考文献：展望21世纪的电磁计量[J]，张钟华，测控技术，2002，21：17
‑
22)。目前单电子隧道效应被认为可能实现电流的量子自然基准，科技界已提出“量子电压、量子电阻、量子电流”的电学量子三角形闭合互证的设想。通过单电子隧道效应产生的电流仅在皮安(10
‑
12
A)量级，然而当前可精密测量到的小电流至少需达到微安(10
‑6A)量级，6个数量级的差距使单电子隧道效应的实际应用变得十分困难。
[0003]另一方面，原子磁矩在磁场中的拉莫尔进动效应也是一种量子自然基准，进入21世纪后国内外研究了不同原理的原子磁力仪。利用原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，测量的磁场值与标准线圈中的电流值呈线性关系，将线圈系数溯源至其他量子自然基准，原理上能够建立具备实用化的电流的量子基准装置。

技术实现思路

[0004]本专利技术克服了现有技术的不足之一，公开了一种基于量子自然基准的电流计量装置及方法，利用抽运
‑
检测型原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，基于抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁场值与标准线圈中电流值呈线性关系的原理实现电流的计量，其中标准线圈的线圈系数被溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应这三种量子自然基准。本专利技术能够标定微安(10
‑6A)至安培(A)宽量程范围内恒定电流的大小和噪声，具有很强的实用性。
[0005]根据本公开的一方面，本专利技术提供一种基于量子自然基准的电流计量装置，所述装置包括：待测磁场产生组件、抽运
‑
检测型原子磁力仪3和量子电流测量组件；
[0006]所述待测磁场产生组件包括磁屏蔽筒1、标准线圈2和电流源8；所述磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，所述标准线圈2轴对称地置于所述磁屏蔽筒1内，所述电流源8向所述标准线圈2输入电流以产生待测磁场；
[0007]所述抽运
‑
检测型原子磁力仪3的探头部分置于所述标准线圈2的几何中心，用于测量所述标准线圈2轴线上的均匀磁场；
[0008]所述量子电流测量组件包括被量子电阻基准校准的标准电阻4和被量子电压基准校准的标准电压表5，用于标定所述电流源8输出的电流。
[0009]在一种可能的实现方式中，所述磁屏蔽筒1为圆柱形，筒内直径为500mm，筒内长度大于或等于700mm。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述磁屏蔽筒1被替换为磁屏蔽系数小于10
‑4的磁屏蔽
室。
[0011]在一种可能的实现方式中，所述抽运
‑
检测型原子磁力仪3用于测量所述标准线圈2轴线上的均匀磁场的大小和噪声。
[0012]根据本公开的另一方面，提出了一种基于量子自然基准的电流计量方法，所述方法应用于上述的电流计量装置，所述方法包括：
[0013]步骤1：严格控制实验环境，保持磁屏蔽筒1恒温；
[0014]步骤2：采用基于约瑟夫森效应的量子电压基准装置标定标准电压表，采用基于量子化霍尔效应的量子电阻基准装置标定标准电阻；
[0015]步骤3：启动抽运
‑
检测型原子磁力仪3，打开开关7，闭合开关6，电流源8输出量子电流，所述电流通入量子电流测量组件后被标定为量子电流I，所述量子电流I为被量子电压基准校准的标准电压表5和被量子电阻基准校准的标准电阻4的比值，所述量子电流I通入标准线圈2后抽运
‑
检测型原子磁力仪3测得磁感应强度B；改变电流源8输出的电流值，得到多个量子电流I对应的磁感应强度B，根据关系式B＝C*I拟合测量数据得到标准线圈2恒定的线圈系数C1；
[0016]步骤4：打开开关6，闭合开关7，电流源8输出恒定电流I1，同时利用抽运
‑
检测型原子磁力仪3测得磁感应强度B1，根据步骤3中得到线圈系数C1和关系式B1＝C1*I1计算电流源8输出的恒定电流I1，通过分析一段时间内磁感应强度值或恒定电流值的功率谱密度得到磁场噪声或电流噪声。
[0017]本公开的基于量子自然基准的电流计量装置，包括：待测磁场产生组件、抽运
‑
检测型原子磁力仪3和量子电流测量组件；所述待测磁场产生组件包括磁屏蔽筒1、标准线圈2和电流源8；所述磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，所述标准线圈2轴对称地置于所述磁屏蔽筒1内，所述电流源8向所述标准线圈2输入电流以产生待测磁场；所述抽运
‑
检测型原子磁力仪3的探头部分置于所述标准线圈2的几何中心，用于测量所述标准线圈2轴线上的均匀磁场；所述量子电流测量组件包括被量子电阻基准校准的标准电阻4和被量子电压基准校准的标准电压表5，用于标定所述电流源8输出的电流。能够利用抽运
‑
检测型原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，基于抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁场值与标准线圈中电流值呈线性关系的原理实现电流的计量，其中标准线圈的线圈系数被溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应这三种量子自然基准。本专利技术能够标定微安(10
‑6A)至安培(A)宽量程范围内恒定电流的大小和噪声，具有很强的实用性。
附图说明
[0018]附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
[0019]图1示出了根据本公开一实施例的基于量子自然基准的电流计量装置的结构示意图；
[0020]图2示出了根据本公开一实施例的抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁感应强度随B2912A型精密电流源输出电流的变化示意图；
[0021]图3示出了根据本公开一实施例的抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁场噪声随
N6705B型号和B2912A型号两款电流源输出电流的变化关系示意图；
[0022]图4a示出了根据本公开一实施例的N6705B型号电流源产生5000nT磁场时抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁场值示意图；
[0023]图4b示出了根据本公开一实施例的N6705B型号电流源产生6000nT磁场时抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁场值示意图；
[0024]图5a示出了根据本公开一实施例的B2912A型号电流源产生5000nT磁场时抽运
‑
检测型原子磁力仪测量的磁场值示意图；
[0025]图5b示出了根据本公开一实施例的B29本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子自然基准的电流计量装置，其特征在于，所述装置包括：待测磁场产生组件、抽运
‑
检测型原子磁力仪3和量子电流测量组件；所述待测磁场产生组件包括磁屏蔽筒1、标准线圈2和电流源8；所述磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，所述标准线圈2轴对称地置于所述磁屏蔽筒1内，所述电流源8向所述标准线圈2输入电流以产生待测磁场；所述抽运
‑
检测型原子磁力仪3的探头部分置于所述标准线圈2的几何中心，用于测量所述标准线圈2轴线上的均匀磁场；所述量子电流测量组件包括被量子电阻基准校准的标准电阻4和被量子电压基准校准的标准电压表5，用于标定所述电流源8输出的电流。2.根据权利要求1所述的电流计量装置，其特征在于，所述磁屏蔽筒1为圆柱形，筒内直径为500mm，筒内长度大于或等于700mm。3.根据权利要求1所述的电流计量装置，其特征在于，所述磁屏蔽筒1可被替换为磁屏蔽系数小于10
‑4的磁屏蔽室。4.根据权利要求1所述的电流计量装置，其特征在于，抽运
‑
检测型原子磁力仪3用于测量所述标准线圈2轴线上的均匀磁场的大小和噪声。5.一种基于量子自然基准的电流计量方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪培贤，史彦超，陈大勇，张金海，廉吉庆，刘志栋，陈江，杨炜，冯浩，张玲，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：