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1、价一当前 精密电磁测量技术一一) 的若干发 展新动向张钟华费正生丁银云胡衍瑞李大 明此次我们随中国计量测试学会及仪器仪表学会代表团参加在西德召开的CPEM8 0会议,并参观了P T B及西德的若干著名工厂,一个突出的感觉是精密电磁量测量技术作为世界科学技术的一个组成部分,正在飞速 地发 展。当前,在精密电磁测量技术的各个领域中均得到了重要的进展,有一些甚至是重大的突破。下面就我们重点考察的几个方面分别进行阐述。一、电学绝对测量及自然 基准方面的工作1.电学绝对测且几十年来,电磁测量工作者为电学绝对测量进行着坚持不懈的努力。目前,用计算电容法进行电阻绝对测 量的工作已得到了较满意的成绩,最高精度
2、已达到1x1o一7以上,各国的测试结果也吻合得较好。但在电流或电压的绝对测量方面,多年来迟迟未能得到显著的进步,测量准确度一直徘徊在数p pm的水平。不管是哪种方法,要进一步提高都遇到了一定的困难。在电流绝对测量方面,此种困难主要表 现在几何量的测量方面。现在所用的几种电流 绝对测量方法 中,均使用了某种高精度的线圈。由于线圈的几何形状复杂,要进一步提高测 量精度很困难,目前尚看不出在短期内取得重大进展的可能性。在电压绝对测量方 面,主要困难是静电力太小,电极表面的介质特性复杂这两个方面,目前只能达到1x1o一5左右,比电流绝对测量的精度更差。鉴于上述情况,当前国际上的主要努力仍集中在电流绝对
3、测量方面,但其思路已发生了重大的变化。由于精确测量线圈几何尺寸的困难很大,近几年来一些国家纷纷提出了一些新的电流绝对测量方法。这些方法的特点是尽量少测、甚至完全不测量线圈的几何尺寸,而设法把线圈几何尺寸的因子吸收到别的较易测量的物理量(通常是某种 电量)中去,下面用几个典型例子予以说明。美国的NB S在前几年已经提出了数种不必测量线圈几何尺寸的绝对测量方法。如用可移动的超导线圈使主线圈的尺寸因子 吸收在互感电势中的方法及弱磁?P的测量中用SQUID测量磁场变化来反映线圈螺距的变化等等。这些工作未进一步在此次会议上报道,可能是实施中遇到了一定的困难。但NBS的P.L.Ol so n等人在这次会议
4、上提出了一种新方案,其基本设想仍是把线圈的儿何尺寸因子吸收在互感电势中,但所用的工具不是传统的电流天平而是电动力计或Pel la t天平。这种方法在整个测 量中回避 了测量线圈的几何尺寸。预计可使整个测量准 确 度高于1P PmoNPL的B.P.Kibb le等则提出了另一种用移动线圈来绝对 测量安培的新想法。其特点是把线圈的移动速度用激光干涉仪转化为频率信号,再把此频率用伺服系统锁定在某一标准频率上。实际上是锁定了线 圈的移动速度,使之成为匀速运动。如把此线 圈放入磁场中可得到可计算的感应电势,线圈的几何尺寸因子已被吸收在感应电势 中。再把此系统与线圈在磁场中受力的系统联系起来,就可导出电流
5、的绝对单位。由于直接锁定在与激光不相干的频率源上较难实现,Kib b le等建议用Hewl et t一Packard激光器。此种激光器产生两路极化方 阿互摺垂直的光京,频差1.SMH:。然后把其中的一束从 固定反射器进行反射,另一束从移动反射器进行反射,再测量其多普勒差频的拍频来得到线 圈的移 动速度。这样可达 到较高的精度。PT B的K.Weyand也设计了另一种新的系统。他用一个与SQUID相联系的移动探头来检查在弱磁场中测量,P尹时所用螺线管的中心线上的磁场变化量以判断螺管直径的变化(见图1)。这样,只要测出某一 匝的直径,就可推导出其他各匝的直径来,不必再象过去那样测量每一匝的直径,大
6、大简化了几何尺寸的测量工作。此系统的特点是探头装在一个可移动12ocm的空气活塞上,活塞与筒壁的间隙仅为1“m,移动十分灵巧,但其主要思路似与N B S前几年发表的设想类似。年来计算电容没有什么重大发展。其原因 可能是NML设计 的计算电容精度已经很高,且把干涉仪的移动距离和 电容量直接联系在一起,达到了很完善的地步,短期内看不出有重大改革的必要和可能。2、自然基 准方面的工作匀 UI刀宝乞劣赛图1用装在空气活 塞上的移动 探头来检查线圈直径以上儿个例子反映出了电流绝对 测量方面的 主要动向。在 电阻绝对 测量方面,仍是计算电容占统治地位。目前美国、澳大利亚、我 国和日本四个国家的用计算电容绝
7、 对测最电阻 的工作已经完成。英国的第一 个计算电容未达到 预定的精度,现己重新设计了一个。法国、东德 也报道了计算电容的工作,但精度甚低。PTB 以前 曾做过一个卧式五段的计算电容,精度 为lx1 0一“。这次看到又新做了一个,希一望 能达到lx10一了以上,但其设计思想与19 6519 6 8澳大利亚NML的工作没有大的区别。可以说十五与电学绝对测量的工作相比较,以基本物理常数为基础的电学量自然基准的工作显得更活跃一些,进展也较大。最早的自然基准是钾尸的测量。由于总难避开高精度的线圈,这方面目前尚未得到重要的突破。当前占主要地位的仍是约瑟夫逊效应。用约瑟夫逊结监视伏特基准的工作在各主要工业
8、国 的实验室均已完成。此次看到P T B的这部分工作已成为常规工作的一部分,只是在小电压测量方面做些小的改进。但是在美国的NBS又取得了一项重要的进展。他们试制成了零电流阶跃的约瑟夫逊结。这样,多个结串联时就不再受到难以协调偏置电流这一 困难的干扰。目前已做到20 0个结 串联,结电压2 0mV。予计有可能进一步做到数百 毫伏,甚至1伏,与标准电池直接进行比对。这次会议上还有一些文章试图用基本物理常数的组合来导 出 电压,但未得到实质性的进展。此次会议上一项令人注 目的重大突破 是在实现 电阻的自然基准方 面。西德克里青(K lit:ing)教授提出了一项在超强磁场中半导体表面物理的新量子效应
9、,现己命名为克里青效应。其梗概如下(见图2):如把一个MOS型场效应晶体管放入一个1 0T1 5T的超强磁场中,在MOS管墓体表面沟道中流动的 电子将进行回转运动而在侧 向产生霍尔电压。如果MO S管同时处于超低温下,电子的热运动弛豫时间将 远大于 回转周期。此时电子的状态将形成一系列的兰道(La二du)能级。这 是因为回转运动可分解为两个谐振子 的运动,这种振子的能级就称为兰 道能级。每个能级 上可容纳的电子数为Be一h一一N故按量子统计,充满了i个能级时的 电子数为N=iN:=但霍尔电压华BnIBh U“=又甲=一二一 ,于卫 l、el e故可由基本物理常数h、e和自然数i的组合h_二_.
10、,_.,_、而了米头现甩阻的目然基堆。心匆备 一,卜,- 1._一几三, . . . .,.j。止决二竺、二阵 门C用一l ,匕_ 毛1.,./一 、点。l 只上止_里二-二丁一图“基准,后者则是对电压建立自然基准。两者都利用了使宏观特性出现台阶的量 子效应。但克里青效应无需微波、测频等系统,主要条件是一个超强磁场(需用超导螺管产生),应该是更容易实现一些。克里青的论文是一篇迟到的 论 文,在会议的摘要文集中未包括进去。但报告后引起了很大的震动。与会的著名科学家均认为这是一项重要的突破。P T B立即组织人力物力进 行突击试验,只经过两星期就得到了 明显 的 台阶。英国的Kibble、美国的C
11、utkosk丁等也立即在会后赶回自己的实验室 组织力量 进行 研究,从各国科学家对其重视的程度来看,这是不容忽视的一项重要发现,建议国家计量总局及计量院领 导予以重视,投入一定的人力物力进行研究。计量院在这次会议上也提出了一篇强弱结合测量 脚产以得到绝对安培的文章,得到了一定的好评。会后有一些专家来要数据,并称赞此项工作做得不错。图2克里青效 应克里青效 应 的阶 梯特性二、交流电磁精密测量方 面的工作具体做试验时可逐步增加MOS管的栅电压,使沟道 电子数增多,这样就会逐步填充各个兰道能级,每充满一个兰道能级后,电子数是一定的。只有 当栅电压Ug再增加到一定的程度后才充满次一个兰道能级。故当U
12、g增 加时U。将 出现一系列的阶梯(见图3)。在每一,一L_._.、h台阶时UH与I的比例系数为-奋-。例如当为4时,按已得到的h和e的数值有:各=(6453.: 。4 士0.005)。4匕一克 里青得到 的 数为64 53.17岛,误差 约为5ppm,当然这还只是首次实验。如何排除各种误差 来源来实现 电阻的自然基准将是进 一步研究的目标。可以看到,克里青效应与交流约瑟夫逊效应有一 定的类似之 点。前者是建立 电阻的自然这是一个传统的领域。近年来由于自动化、数字化的发 展趋向,在国内曾经引起一些争论,究竟传统的精密 测量技术还 有没有 前途。通过这次会议及参观,我们看到精密测量技术并没有完全
13、被取代,而是在稳步地发展前进。而且一个 明显的特点是传统的精密测量技术与数字化、自动化技术互相结合,互为 补充,并不是互相排斥或者后者取代前者。同时由于这种结合,出现 了一些新的设计思想,线路也更加灵活多变。感应藕合比例臂仍是精密阻抗测量的主 要手段,但由于结合使用了 电子技术,线路的性能进一步提高了,测量范围也更宽广了。例如加拿大NR C的E.So和W.J.M.M。 。 r e设计的电流比较仪电桥(图4),由于广泛采用了放大器,解决了古典线路中高低阻抗难以在同一线路中测量的困难,使工频电 阻在。.0 1兑1Be一h一一N故按量子统计,充满了i个能级时的 电子数为N=iN:=但霍尔电压华BnI
14、Bh U“=又甲=一二一 ,于卫 l、el e故可由基本物理常数h、e和自然数i的组合h_二_.,_.,_、而了米头现甩阻的目然基堆。心匆备 一,卜,- 1._一几三, . . . .,.j。止决二竺、二阵 门C用一l ,匕_ 毛1.,./一 、点。l 只上止_里二-二丁一图“基准,后者则是对电压建立自然基准。两者都利用了使宏观特性出现台阶的量 子效应。但克里青效应无需微波、测频等系统,主要条件是一个超强磁场(需用超导螺管产生),应该是更容易实现一些。克里青的论文是一篇迟到的 论 文,在会议的摘要文集中未包括进去。但报告后引起了很大的震动。与会的著名科学家均认为这是一项重要的突破。P T B立
15、即组织人力物力进 行突击试验,只经过两星期就得到了 明显 的 台阶。英国的Kibble、美国的Cutkosk丁等也立即在会后赶回自己的实验室 组织力量 进行 研究,从各国科学家对其重视的程度来看,这是不容忽视的一项重要发现,建议国家计量总局及计量院领 导予以重视,投入一定的人力物力进行研究。计量院在这次会议上也提出了一篇强弱结合测量 脚产以得到绝对安培的文章,得到了一定的好评。会后有一些专家来要数据,并称赞此项工作做得不错。图2克里青效 应克里青效 应 的阶 梯特性二、交流电磁精密测量方 面的工作具体做试验时可逐步增加MOS管的栅电压,使沟道 电子数增多,这样就会逐步填充各个兰道能级,每充满一
16、个兰道能级后,电子数是一定的。只有 当栅电压Ug再增加到一定的程度后才充满次一个兰道能级。故当Ug增 加时U。将 出现一系列的阶梯(见图3)。在每一,一L_._.、h台阶时UH与I的比例系数为-奋-。例如当为4时,按已得到的h和e的数值有:各=(6453.: 。4 士0.005)。4匕一克 里青得到 的 数为64 53.17岛,误差 约为5ppm,当然这还只是首次实验。如何排除各种误差 来源来实现 电阻的自然基准将是进 一步研究的目标。可以看到,克里青效应与交流约瑟夫逊效应有一 定的类似之 点。前者是建立 电阻的自然这是一个传统的领域。近年来由于自动化、数字化的发 展趋向,在国内曾经引起一些争论,究竟传统的精密 测量技术还 有没有 前途。通过这次会议及参观,我们看到精密测量技术并没有完全被取代,而是在稳步地发展前进。而且一个 明显的特点是传统的精密测量技术与数字化、自动化技术互相结合,互为 补充,并不是互相排斥或者后者取代前者。同时由于这种结合,出现 了一些新的设计思想,线路也更加灵活
