一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计的制作方法

本发明涉及温度测量，具体涉及一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计。

背景技术：

1、温度是国际单位制中的七个基本物理量之一，在能源、冶金、制造业、电子技术、医疗卫生、国防、航空航天和科学研究等领域，精确的温度测量具有广泛应用。

2、热力学温度开尔文已由玻尔兹曼常数定义，原级温度计要能够实现温度到玻尔兹曼常数的直接溯源。目前，在温度计量领域，仍缺乏能工作于低温、强磁场环境下的高准确度原级温度测量手段。传统的基于国际单位制的低温温标，最新的是its-90和plts-2000。在低温下，其主要的温度传感器有铑铁电阻、硅二极管、铂电阻、薄膜电阻、噪声温度计等。这些低温温度传感器的读数因受到强磁场影响会发生较大偏差，无法实现高准确度的原级温度测量。量子电压噪声温度计利用脉冲驱动型量子电压系统合成量子赝噪声，同时利用这种量子赝噪声标定测温电阻在不同温度下产生的热噪声，可实现高准确度原级测温。但是，用于量子电压噪声温度计测温电阻的阻值在低温、强磁场下会发生变化，同时，为了测量电阻阻值一般需要给电阻通入电流，电阻的发热会产生温度梯度，影响其温度测量精度，无法实现低温强磁场下的温度原级精确测量。对于许多重要的应用场景来说，比如粒子加速器、航空人造卫星、磁共振成像系统、低温系统和科学研究等，实现低温、强磁场环境下的原级温度高准确度测量尤其重要。

3、目前，基于量子电压噪声源的噪声温度计使用的是低温超导约瑟夫森结阵列，如nb/nbxsi1-x/nb约瑟夫森结等，可以实现约翰逊噪声法测量玻尔兹曼常数，相对不确定度为3×10-6，为玻尔兹曼常数的确定做出了贡献。然而，低温超导量子电压噪声温度计工作温度极低(液氦温区)，设备笨重、制冷时间长、价格昂贵且功耗高，不利于量子电压噪声温度计的推广应用，且尚未用于极端条件下的温度原位标定和溯源。

4、基于这一技术背景，本发明研究了一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，采用基于脉冲驱动的高温超导约瑟夫森阵列的高温超导量子电压噪声源器件作为参考噪声源，采用量子霍尔电阻作为电阻探测器，可工作在液氮温区，制冷成本低，体积小，制冷时间短且功耗低，实现了量子电压噪声温度计的便携化、桌面化，推动了量子电压噪声温度计在极端条件下的温度原位校准和溯源应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，包括量子霍尔电阻、高温超导量子电压赝噪声源、两路开关转换电路、放大滤波电路、数据采集处理电路；

3、所述开关转换电路的输入端分别与所述量子霍尔电阻、高温超导量子电压赝噪声源的输出端电连接，输出端依次与所述两路放大滤波电路、数据采集处理电路电连接；

4、每路放大滤波电路包括依次电连接的前置放大器、第一低通滤波器、缓冲放大器和第二低通滤波器；

5、所述数据采集处理电路包括两个模数转换器和数据处理电路，每个模数转换器的输入端与一路放大滤波电路输出端电连接，输出端与所述数据处理电路电连接；

6、所述高温超导量子电压赝噪声源利用基于脉冲驱动的约瑟夫森结阵列芯片合成。

7、本发明的技术效果包括：

8、(1)本发明提出的基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，采用基于脉冲驱动的高温超导约瑟夫森阵列的高温超导量子电压噪声源器件作为参考噪声源，采用量子霍尔电阻作为电阻探测器，可工作在液氮温区，制冷成本低，体积小，制冷时间短且功耗低，实现了量子电压噪声温度计的便携化、桌面化，推动了量子电压噪声温度计在极端条件下的温度原位校准和溯源应用。

9、(2)本发明提出的基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，采用量子霍尔电阻作为探测器，量子霍尔电阻在宽的强磁场范围和宽的低温范围内保持不变，避免了其他电阻在低温强磁场环境下的阻值变化问题，可实现低温强磁场环境下的原级温度测量。

10、(3)本发明提出的基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，数据采集处理电路包括两个模数转换器数据处理电路，且与两路放大滤波电路相连，通过模数转换和数据互关联处理，可降低室温读出电路的电压噪声，从而使得量子霍尔电阻噪声源的电压噪声占主导地位。

11、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，其特征在于，包括量子霍尔电阻、高温超导量子电压赝噪声源、开关转换电路、两路放大滤波电路、数据采集处理电路；

2.根据权利要求1所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述量子霍尔电阻处于低温强磁场环境中；

3.根据权利要求2所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述量子霍尔电阻的材料单层石墨烯；

4.根据权利要求1所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述开关转换电路用于在所述量子霍尔电阻和所述高温超导量子电压赝噪声源之间切换；

5.根据权利要求3所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述的量子电压噪声温度计测温所用的公式为：

6.根据权利要求5所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述的量子电压噪声温度计测温所用的公式通过所述量子霍尔电阻的噪声功率表达式和所述高温超导量子电压赝噪声源的噪声功率表达式推导得到。

7.根据权利要求6所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述量子霍尔电阻的噪声功率表达式为：

8.根据权利要求7所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述量子霍尔电阻的计算公式为；

9.根据权利要求8所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述高温超导量子电压赝噪声源噪声功率表达式为：

10.根据权利要求9所述的量子电压噪声温度计，其特征在于，所述约瑟夫森常数的表达式为：

技术总结
本发明公开一种基于量子霍尔电阻的高温超导量子电压噪声温度计，包括量子霍尔电阻、高温超导量子电压赝噪声源、开关转换电路、两路放大滤波电路、数据采集处理电路；开关转换电路的输入端分别与量子霍尔电阻、高温超导量子电压赝噪声源的输出端电连接，输出端依次与放大滤波电路、数据采集处理电路电连接；数据采集处理电路包括两个模数转换器和数据处理电路，每个模数转换器的输入端与一路放大滤波电路输出端电连接。本发明采用基于脉冲驱动的高温超导约瑟夫森阵列的高温超导量子电压噪声源器件作为参考噪声源，可工作在液氮温区，制冷成本低，体积小，并采用量子霍尔电阻作为电阻探测器，可实现低温强磁场环境下的温度原位校准。

技术研发人员：徐达,赵建亭,鲁云峰,屈继峰,周琨荔,施杨
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16