[发明专利]一种基于量子自然基准的恒流源装置及实现方法

说明书

本公开的一种基于量子自然基准的恒流源装置及实现方法，包括：磁屏蔽筒1、标准线圈2、抽运‑检测型原子磁力仪3、电流源4、计算机5和负载6；磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，标准线圈2轴对称地置于所述磁屏蔽筒1内，电流源4向负载6和标准线圈2通入电流以产生磁场；抽运‑检测型原子磁力仪3的探头部分置于标准线圈2的几何中心，用于测量标准线圈2轴线上的均匀磁场；计算机5与所述电流源4相连，用于控制电流源4向负载6和标准线圈2通入的电流。本公开将精密电流源输出的电流锁定至磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，有效提升精密电流源输出电流的稳定度，降低漂移，能够获得低漂移的基于量子自然基准的恒流源装置。

技术领域

本公开属于电磁学计量技术领域，具体涉及一种基于量子自然基准的恒流源装置及实现方法。

背景技术

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，可从欧姆定律导出电流单位，从而实现间接的量子电流，但是人们寻找一种更为直接的量子电流基准的努力一直未停止过{参考文献：张钟华，展望21世纪的电磁计量[J].测控技术，2002，21：17-22}。单电子隧道效应曾被认为是电流基准装置的可选方案，然而基于单电子隧道效应的电流在10^-12A量级，无法实用化。利用原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，该磁场值与标准线圈中的量子电流值(由量子电压与量子电阻的比值确定)呈线性关系，可将线圈系数溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准，原理上能实现基于量子自然基准的电流的计量。将载流标准线圈中的电流锁定至碱金属原子磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，通过严格控制实验装置的物理环境实现低漂移的恒流源功能，是一种可行的量子电流基准装置的建设方案。为了降低地磁场漂移和环境磁噪声对恒定复现磁场的影响，可在磁屏蔽筒或磁屏蔽室内产生复现磁场；为了提高磁场测量的灵敏度，可采用抽运-检测型原子磁力仪测量复现磁场，其组成和工作原理参考专利“一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法，CN107015172B”；为了降低电流源的漂移，可参考原子钟的设计思路，将载流标准线圈中的电流锁定至碱金属原子磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，并将标准线圈、高灵敏度原子磁力仪、磁屏蔽筒或磁屏蔽室、高精度电流源整体设计成一种恒流源装置。

发明内容

本公开提供了一种基于量子自然基准的恒流源装置及实现方法，通过将载流标准线圈中的电流锁定至磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，严格控制该装置的实验环境，能够实现低漂移的恒流源功能，有潜力应用于量子电流基准装置的建设。

根据本公开的一方面，本公开提供一种基于量子自然基准的恒流源装置，所述装置包括：磁屏蔽筒1、标准线圈2、抽运-检测型原子磁力仪3、电流源4、计算机5和负载6；

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4向所述负载6和标准线圈2通入电流以产生磁场；

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；

所述计算机5与所述电流源4相连，用于控制电流源4向负载6和标准线圈2通入的电流。

在一种可能的实现方式中，所述负载6为电阻或线圈。

在一种可能的实现方式中，标准线圈2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三种量子自然基准。

在一种可能的实现方式中，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。

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。

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。