[发明专利]一种基于量子自然基准的电流计量装置及方法

说明书

本公开的基于量子自然基准的电流计量装置及方法，包括待测磁场产生组件、抽运‑检测型原子磁力仪3和量子电流测量组件；待测磁场产生组件包括磁屏蔽筒1、标准线圈2和电流源8；磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，标准线圈2轴对称地置于磁屏蔽筒1内，电流源8向标准线圈2输入电流用于产生待测磁场；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；量子电流测量组件包括被量子电阻基准校准的标准电阻4和被量子电压基准校准的标准电压表5。基于抽运‑检测型原子磁力仪3测量的磁场值与标准线圈2中电流值呈线性关系的原理实现微安(10^‑6A)至安培(A)宽量程范围内的电流的计量，其中标准线圈2的线圈系数被溯源至约瑟夫森效应(电压)、量子化霍尔效应(电阻)和拉莫尔进动效应(磁感应强度)这三种量子自然基准。

技术领域

本发明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电流计量装置及方法。

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，实现了电压和电阻从实物基准到量子自然基准的过渡(参考文献：展望21世纪的电磁计量[J]，张钟华，测控技术，2002，21：17-22)。目前单电子隧道效应被认为可能实现电流的量子自然基准，科技界已提出“量子电压、量子电阻、量子电流”的电学量子三角形闭合互证的设想。通过单电子隧道效应产生的电流仅在皮安(10^-12A)量级，然而当前可精密测量到的小电流至少需达到微安(10^-6A)量级，6个数量级的差距使单电子隧道效应的实际应用变得十分困难。

另一方面，原子磁矩在磁场中的拉莫尔进动效应也是一种量子自然基准，进入21世纪后国内外研究了不同原理的原子磁力仪。利用原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，测量的磁场值与标准线圈中的电流值呈线性关系，将线圈系数溯源至其他量子自然基准，原理上能够建立具备实用化的电流的量子基准装置。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足之一，公开了一种基于量子自然基准的电流计量装置及方法，利用抽运-检测型原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，基于抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值与标准线圈中电流值呈线性关系的原理实现电流的计量，其中标准线圈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这三种量子自然基准。本发明能够标定微安(10^-6A)至安培(A)宽量程范围内恒定电流的大小和噪声，具有很强的实用性。

根据本公开的一方面，本发明提供一种基于量子自然基准的电流计量装置，所述装置包括：待测磁场产生组件、抽运-检测型原子磁力仪3和量子电流测量组件；

所述待测磁场产生组件包括磁屏蔽筒1、标准线圈2和电流源8；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8向所述标准线圈2输入电流以产生待测磁场；

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；

所述量子电流测量组件包括被量子电阻基准校准的标准电阻4和被量子电压基准校准的标准电压表5，用于标定所述电流源8输出的电流。

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。

在一种可能的实现方式中，所述抽运-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。

根据本公开的另一方面，提出了一种基于量子自然基准的电流计量方法，所述方法应用于上述的电流计量装置，所述方法包括：

步骤1：严格控制实验环境，保持磁屏蔽筒1恒温；