[实用新型]基于可编程约瑟夫森结阵的动态信号合成装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及量子物理学领域中的一种信号发生装置，尤其涉及基于可编程约瑟夫森结阵的动态信号合成装置。

背景技术

约瑟夫森电压基准所保存和复现的电压量值只取决于基本的物理常数，与时间、地点、材料、环境条件等因素无关，目前用量子电压基准复现和保存的电压量值具有很高的不确定度指标，因此在电学计量领域有着举足轻重的地位。

根据约瑟夫森效应原理，在频率为f₀的微波辐照下，当约瑟夫森结上偏置一定大小的电流I₀时，包含n个结的可编程约瑟夫森结阵产生的量子电压台阶如公式1所示：

V_n＝n·±P_J＝±nf₀/K_J-90    1；

其中n为整数，表示约瑟夫森结的个数；K_J-90＝483597.9GHz/V，为约瑟夫森常数；量子电压台阶的正负取决于结阵的偏置电流的方向。

依据上述原理，现有的约瑟夫森动态信号合成装置如图1所示，该装置共包含15个通道，每个通道的输出电压由双极性14位数模转换器和与之串联的50欧姆精密电阻共同控制。多通路数模转换器受嵌入式微处理器及其外围设备控制，输出信号受可编程逻辑阵列控制。每段结驱动电流的大小和方向取决于与之相连的多通路数模转换器的输出电压，该装置为结阵提供的驱动电流本质上还是基于恒压源模式，电流的大小和方向由多通路数模转换器的输出电压的大小和方向决定。

由于该装置所有通道的数模转换器都共地，因此各个通道相互之间不独立，每个通道电流的大小和方向受其余通道的制约，合成交流电压时，每个时刻各通道路数模转换器输出电压的大小都需要进行复杂的计算，且通道数越多，计算越复杂，因此通道数难以扩展。

如图2所示，基于多通路数模转换器的动态信号合成装置中各个数模转换器与约瑟夫森结的连接方式，第n个数模转换器的输出电压DacU_n与第n段结上流过的电流SegI_n、第n+1段结上流过的电流SegI_n+1、数模转换器输出电阻R、其他各段结输出的量子电压SegU_k之间的关系如公式2所示：

DacUn=Σk=1nSegUk+R·SegIn-R·SegIn+1---(2);]]>

综上所述，现有技术装置通过实时控制个通路数模转换器的输出电压大小和方向，为约瑟夫森结阵提供随时间变化的偏置电流，从而在结阵输出端产生动态量子电压。它的主要缺点是：

1)基于多通道数模转换器，造价高。

2)各通道数模转换器共地，因此通道之间不独立，运算复杂，通道数难以扩展。

3)数模转换器的刷新时间较长，为1微秒。

实用新型内容

本实用新型针对现有的约瑟夫森动态信号合成装置的通道间相互依赖且通道数难以扩展等缺点，研发了一种基于可编程约瑟夫森结阵的动态信号合成装置，解决了现有技术的缺陷，并取得了良好的实施效果。

本实用新型的技术方案如下；

基于可编程约瑟夫森结阵的动态信号合成装置，

所述装置包括偏置电流源模块1、纳秒开关模块2、可编程约瑟夫森结阵3、工控机4以及数字波形生成器5；