基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统，温控装置包括冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列、温度传感器及控制器；冷头、冷台、封装结构、衬底和约瑟夫森结阵列位于真空环境中；约瑟夫森结阵列设置于衬底上，封装结构对衬底和约瑟夫森结阵列进行封装，封装结构设置于冷头上，冷头和封装结构之间设有冷台；温度传感器采集约瑟夫森结阵列、封装结构和冷头的温度，控制器与温度传感器以及约瑟夫森结阵列通信连接，并根据封装结构和冷头的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列的输入功率。本发明专利技术通过对连接的冷头、封装结构的温度振荡幅值分析，可以实现对约瑟夫森结阵列的温度精准、智能的波动调节。智能的波动调节。智能的波动调节。

【技术实现步骤摘要】
基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统


[0001]本专利技术属于量子电压标准系统
，尤其涉及基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统。

技术介绍

[0002]可编程约瑟夫森电压标准PJVS（programmable Josephson voltage standard）的电压的精准度，仅由基本常数和入射微波信号的频率决定，并且对于偏置参数的范围是恒定的。
[0003]量子测量领域，之前的多数约瑟夫量子电压标准系统都是采用液氦制冷方式，但是，受限于量子电压基准运行环境的苛刻性、液氦使用成本高昂性、基准装置操作复杂性和体积庞大等特点，超高精度的量子精密测量法方法难以普及。
[0004]当前，已有研究低温恒温系统，建立无液氦约瑟夫森的低温试验平台。基于温控机和冷冻探头的PJVS与液氦型PJVS有三个主要区别。首先，冷冻探头的温度是随时间变化的，并且以低温冷却器的工作频率(1.2 Hz)振荡，因此必须实施某种方式的温度稳定。第二，量子芯片在冷冻探头的表面从系统中吸取热量，并且由于低温冷却器之间存在多个机械接头，回路的温度总是高于低温头的温度。第三，与基本恒定温度4.2 K的液氦不同，冷冻探头的平均温度是温控功率和微波功率耗散的函数。
[0005]为了实现芯片的温度控制，常采用外部温度调节的方式，如专利CN109116885A给出量子电压标准装置中热功率的主动平衡控制装置及方法，量子电压标准装置包括量子超导芯片，该主动平衡控制装置包括真空罩、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件，真空罩收容量子超导芯片、制冷单元、温度监测单元、热平衡单元和热连接部件；制冷单元用于向真空罩内提供定量冷量；温度监测单元用于监测真空罩内的环境温度；热平衡单元用于平衡真空罩内的温度变化；热连接部件作为真空罩内的热传导媒介，分别与制冷单元、热平衡单元和量子超导芯片连接。该方案能够解决微波及电信号激励下液氦温区量子超导芯片温度控制问题，使施加微波或电信号后量子超导芯片所在环境的温度波动在允许的范围内。
[0006]但是对于量子超导芯片在的微波功率耗散引起的发热量无法进行控制，导致量子超导芯片的温度调节存在一定延时性，从而存在使量子电压台阶宽度变窄的情况。量子电压台阶宽度是许多因素的函数：微波信号的频率、功率水平和均匀性、约瑟夫森结的电特性和结的温度。约瑟夫森结阵列（其中，约瑟夫森结阵列是由很多个约瑟夫森结组合而成）工作的最佳频率很大程度上取决于芯片上微波组件和阵列传输线的设计，因此在恒定温度下，约瑟夫森结阵列存在提供最大量子电压台阶宽度的最佳微波功率。然而，在基于温控机的PJVS系统中，芯片温度是芯片上耗散的微波功率的强函数，微波功率耗散引起约瑟夫森结阵列发热，导致芯片温度上升，并因此将引起量子电压台阶宽度变窄。
[0007]因此，如何对约瑟夫森结阵列的温度进行精准、智能控制，使其具有较宽的量子电压台阶宽度是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置、方法及系统，其中，温控装置包括冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列、温度传感器及控制器；冷头、冷台、封装结构、衬底和约瑟夫森结阵列位于真空环境中；约瑟夫森结阵列设置于衬底上，封装结构对衬底和约瑟夫森结阵列进行封装，封装结构设置于冷头上，冷头和封装结构之间设有冷台；温度传感器采集约瑟夫森结阵列、封装结构和冷头的温度；控制器与温度传感器和以及约瑟夫森结阵列通信连接，并根据封装结构和冷头的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列的输入功率。本专利技术通过对连接的冷头、封装结构的温度振荡幅值分析，可以实现对约瑟夫森结阵列的温度精准、智能的波动调节。
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，所述温控装置包括：冷头、冷台、封装结构、衬底、约瑟夫森结阵列、温度传感器和控制器；冷头、冷台、封装结构、衬底和约瑟夫森结阵列均位于真空环境中；约瑟夫森结阵列设置于衬底上，封装结构对衬底和约瑟夫森结阵列进行封装，封装结构设置于冷头上，冷头和封装结构之间设有冷台；温度传感器采集约瑟夫森结阵列、封装结构和冷头的温度；控制器与温度传感器以及约瑟夫森结阵列通信连接，并根据封装结构和冷头的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列的输入功率。
[0010]进一步的，所述冷头和冷台之间设有第一固态介质，所述冷台与封装结构之间设有第二固态介质；所述封装结构与衬底之间设有第三固态介质；所述衬底和约瑟夫森结阵列之间设有第四固态介质。
[0011]进一步的，所述第二固态介质包括铟箔，其厚度不大于0.13 mm。
[0012]进一步的，约瑟夫森结阵列由若干约瑟夫森结组成，各个约瑟夫森结之间具有填充氧化物的沟槽，约瑟夫森结阵列的沟槽深度大于氧化物的厚度；约瑟夫森结阵列的衬底为高电阻率硅，第四固态介质的热导率不小于100 W/K。
[0013]进一步的，约瑟夫森结与填充氧化物之间设有Cr
‑
Cu
‑
Au界面，且Cr
‑
Cu
‑
Au界面由热蒸发生成，Cr
‑
Cu
‑
Au界面厚度不小于150 nm。
[0014]进一步的，封装结构和冷台为铜材料，铟箔在封装结构和冷台之间，形成铜
‑
铟
‑
铜接头的第二固态介质，第二固态介质的热导率具体表示为：
[0015]其中，为第二固态介质的热导率，f（）为铜
‑
铟
‑
铜固态介质热导函数，为铟箔表面的氧化程度，为铟箔的厚度，为施加于铜
‑
铟
‑
铜上的压强，为铟箔的屈服强度。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种基于固态介质的量子电压标准系统温控方法，采用如上述基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，具体包括如下步骤：步骤S101、在预设时间段内，温度传感器采集封装结构的温度和冷头的温度；步骤S103、控制器获取该预设时间段内封装结构的温度振荡幅度和冷头的振荡幅度；
步骤S105、控制器基于对封装结构与冷头的温度振荡幅度的分析，调节约瑟夫森结阵列的输入功率。
[0017]进一步的，步骤S105，具体包括如下步骤：控制器将封装结构与冷头的温度振荡幅度的比值与预设条件进行匹配，并基于匹配结果，结合冷头的温度，调节约瑟夫森结阵列的输入功率；其中，所述预设条件为：；式中，ΔT
P
为封装结构的温度振荡幅度，ΔT
CH
为冷头的温度振荡幅度，α为温度振荡幅度的校准系数，ω为冷头供冷的低温冷却器的工作频率，C1、C2分别为冷台、封装结构的热容量，G1、G2分别为第一固态介质的热导率、第二固态介质的热导率。
[0018]进一步的，所述步骤105中调节约瑟夫森结阵列的输入功率，具体包括：；式中，T
J
为当前时刻约瑟夫森结阵列的温度，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，其特征在于，所述温控装置包括：冷头（1）、冷台（2）、封装结构（3）、衬底（4）、约瑟夫森结阵列（5）、温度传感器（6）和控制器（7）；冷头（1）、冷台（2）、封装结构（3）、衬底（4）和约瑟夫森结阵列（5）均位于真空环境中；约瑟夫森结阵列（5）设置于衬底（4）上，封装结构（3）对衬底（4）和约瑟夫森结阵列（5）进行封装，封装结构（3）设置于冷头（1）上，冷头（1）和封装结构（3）之间设有冷台（2）；温度传感器（6）采集约瑟夫森结阵列（5）、封装结构（3）和冷头（1）的温度；控制器（7）与温度传感器（6）以及约瑟夫森结阵列（5）通信连接，并根据封装结构（3）和冷头（1）的温度振荡幅值调节约瑟夫森结阵列（5）的输入功率。2.如权利要求1所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，其特征在于，所述冷头（1）和冷台（2）之间设有第一固态介质（11），所述冷台（2）与封装结构（3）之间设有第二固态介质（12）；所述封装结构（3）与衬底（4）之间设有第三固态介质（13）；所述衬底（4）和约瑟夫森结阵列（5）之间设有第四固态介质（14）。3.如权利要求2所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，其特征在于，所述第二固态介质（12）包括铟箔，其厚度不大于0.13 mm。4.如权利要求2所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，其特征在于，约瑟夫森结阵列（5）由若干约瑟夫森结组成，各个约瑟夫森结之间具有填充氧化物的沟槽，约瑟夫森结阵列的沟槽深度大于氧化物的厚度；约瑟夫森结阵列（5）的衬底（4）为高电阻率硅，第四固态介质的热导率不小于100 W/K。5.如权利要求4所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，其特征在于，约瑟夫森结与填充氧化物之间设有Cr
‑
Cu
‑
Au界面，且Cr
‑
Cu
‑
Au界面由热蒸发生成，Cr
‑
Cu
‑
Au界面厚度不小于150 nm。6.如权利要求3所述的基于固态介质的量子电压标准系统温控装置，其特征在于，封装结构（3）和冷台（2）为铜材料，铟箔在封装结构（3）和冷台（2）之间，形成铜
‑
铟
‑
铜接头的第二固态介质（12）...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铭明，黄奇峰，徐晴，李志新，卢树峰，王思云，易永仙，马云龙，曹晓冬，李珺，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司营销服务中心，
类型：发明
国别省市：