一种基于量子自然基准的恒流源装置及实现方法
阅读说明：本技术 一种基于量子自然基准的恒流源装置及实现方法 (Constant current source device based on quantum natural reference and implementation method ) 是由 缪培贤 张金海 廉吉庆 刘志栋 陈江 杨炜 冯浩 史彦超 陈大勇 杨旭红 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：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。(The constant current source device based on the quantum natural reference and the realization method thereof comprise the following steps: the device comprises a magnetic shielding cylinder 1, a standard coil 2, a pumping-detection type atomic magnetometer 3, a current source 4, a computer 5 and a load 6; the magnetic shielding cylinder 1 is used for shielding a geomagnetic field, the standard coil 2 is axially and symmetrically arranged in the magnetic shielding cylinder 1, and the current source 4 supplies current to the load 6 and the standard coil 2 to generate the magnetic field; the probe part of the pumping-detection type atomic magnetometer 3 is arranged at the geometric center of the standard coil 2 and is used for measuring a uniform magnetic field on the axis of the standard coil 2; the computer 5 is connected with the current source 4 and is used for controlling the current which is introduced into the load 6 and the standard coil 2 by the current source 4. The constant current source device locks the current output by the precision current source to the Larmor precession frequency corresponding to the magnetic resonance Zeeman transition, effectively improves the stability of the current output by the precision current source, reduces the drift, and can obtain the low-drift constant current source device based on the quantum natural reference.)
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。
根据本公开的另一方面，提出了一种基于量子自然基准的恒流源的实现方法，应用于上述的恒流源装置，所述方法包括：
步骤1：严格控制实验装置的磁场环境，保持磁屏蔽筒1恒温；
步骤2：在计算机5测量软件中设定目标电流为I0，则目标恒定磁场设定为B0＝I0C2，电流源4输出的预设电流值为I4＝B0/C2，步进电流ΔI＝0，其中C2为标准线圈2的线圈系数；
步骤3：根据抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场值B计算与目标磁场值B0的负偏差ΔB＝B0-B，则ΔI＝ΔB/(n×C2)，n为电流补偿速度参数；
步骤4：计算机5控制电流源4向标准线圈2输入电流I4＝I4+ΔI；
步骤5：重复步骤3和步骤4，通过抑制电流源4输出恒定电流的漂移使抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场值实时地等于B0，负载6中通入的恒定电流为I＝B0/C2。
本公开的基于量子自然基准的恒流源装置，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，应用于量子电流基准装置的建设。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1示出了根据本公开一实施例的基于量子自然基准的恒流源装置的结构示意图；
图2示出了根据本公开一实施例的抽运-检测型原子磁力仪测量的磁感应强度随B2912A型精密电流源输出电流的变化示意图；
图3示出了根据本公开一实施例的电流源4不锁定条件下抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场漂移示意图；
图4示出了根据本公开一实施例的电流源4在锁定条件下抽运-检测型原子磁力仪测量的恒定磁场示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本公开的实施方式，借此对本公开如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本公开的保护范围之内。
图1示出了根据本公开一实施例的基于量子自然基准的恒流源装置的结构示意图。
该装置包括磁屏蔽筒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。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。
优选地，磁屏蔽筒1为圆柱形，内部尺寸可选择大于φ500mm×700mm的尺寸。磁屏蔽筒1可被替换为磁屏蔽系数小于10-4的磁屏蔽室。当磁屏蔽筒1或磁屏蔽室的内部尺寸远大于标准线圈2的尺寸时，能够显著降低载流线圈对磁屏蔽筒磁化状态的影响，进而降低对复现磁场的影响。标准线圈2的尺寸使抽运-检测型原子磁力仪3的探头区域的磁场梯度小于1％，以保证原子磁力仪高精度地测量磁场。
抽运-检测型原子磁力仪3的组成及工作原理见已授权的发明专利“一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法”(专利号为：CN201710270545.8)。抽运-检测型原子磁力仪3的量程为100nT～100000nT，极限灵敏度为0.2pT/Hz1/2，能够测量复现磁场中由精密电流源噪声引入的磁场噪声。如图1所示，抽运-检测型原子磁力仪3的探头置于标准线圈2的几何中心，用于测量标准线圈2轴线上均匀磁场的大小和噪声。
计算机5中承载的测量软件用于控制抽运-检测型原子磁力仪3的运行和控制电流源4向负载6和标准线圈2通入的电流。
负载6可以是电阻或线圈，以及由电阻或线圈组成的电路，在此不做限定。
如图1所示，负载6与标准线圈2串联，当该装置稳定工作时，载流标准线圈2轴线上的磁场所对应的拉莫尔进动频率被锁定至设定值，由于标准线圈2轴线上的磁场与通入标准线圈2和负载6的电流呈正比，此时，该装置除去负载6的其他组成部分可被视为基于量子自然基准的恒流源装置。该装置稳定工作时的锁定环路有效地抑制了电流源4输出恒定电流随时间的漂移，有潜力用于量子电流基准装置的建设。
优选地，电流源4可以采用6.5位商用数字化电流源，或自研更高精度的数字化电流源，其输出电流可被计算机中的测量软件设定。本公开的电流源4输出的电流被锁定至磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，能有效提升精密电流源输出电流的稳定度，降低漂移。
标准线圈2的线圈系数可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，基于本公开提出的恒流源装置可用于电流计量。
以抽运-检测型原子磁力仪3测量标准线圈2的线圈系数为例进行说明，抽运-检测型原子磁力仪3测量得到载流标准线圈2几何中心的磁感应强度B与原子磁矩的拉莫尔进动频率f存在如下关系：
B＝(2π/γ)*f式(1)，其中，γ为87Rb的旋磁比。
当电流通过标准线圈2时，标准线圈2产生的磁感应强度B与电流I的关系为：B＝C*I式(2)，其中，C为标准线圈的线圈系数。
根据式(1)和(2)，可以得到电流I与拉莫尔进动频率f的关系：I＝2πf/(γC)式(3)。
国内已经建设了基于约瑟夫森效应的量子电压基准装置和基于量子化霍尔效应的量子电阻基准装置，电学计量中采用量子电压和量子电阻的比值得到量子电流，该电流通入标准线圈2后抽运-检测型原子磁力仪3测得磁感应强度B，设定一系列量子电流I得到对应的磁感应强度B，根据式(2)线性拟合实验数据可得标准线圈2的线圈系数C，该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。当得到标准线圈的线圈系数C，以及用抽运-检测型原子磁力仪测得拉莫尔进动频率f后，根据式(3)可得通入标准线圈的恒定电流，用这种方法可将电流源4输出的电流值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。因此，本公开恒流源装置输出的电流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。
本公开的基于量子自然基准的恒流源装置，能有效提升精密电流源4输出电流的稳定度，降低漂移。
下面结合实施例具体说明本公开提出的一种基于量子自然基准的恒流源装置和实现方法。
实施例一：
步骤1：严格控制实验环境，保持磁屏蔽筒1(或磁屏蔽室)恒温，周围无明显磁场波动和磁噪声来源，降低磁屏蔽材料磁化状态的改变和环境磁噪声对磁场测量的影响，通过严格消磁后使磁屏蔽筒1(或磁屏蔽室)内剩磁趋于零。
步骤2：启动恒流源装置，在计算机5测量软件中设定目标电流为I0，则目标恒定磁场设定为B0＝I0C2，电流源4输出的预设电流值为I4＝B0/C2，步进电流ΔI＝0，其中C2为标准线圈2的线圈系数。本实施例中电流源4选用德科技(Keysight Technology)B2912A型6.5位精密电流源，由于申请本专利时量子电流的传递条件不具备，直接将该电流源输出的2mA～5mA的电流视为量子电流。图2为抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值随B2912A型精密电流源输出电流的变化，电流以0.05mA的步长从2mA增大至5mA，11次重复测量得到标准线圈2的线圈系数平均值为52426.5nT/A(或52.4265nT/mA)，相对标准偏差为8.3927×10-5。通过计算机5中测量软件设定恒定磁场的初始值为B0＝20000nT，标准线圈2的线圈系数C2为52426.5nT/A，I4＝B0/C2＝0.381486A，ΔI＝0。
步骤3：根据抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场值B，计算磁场值B与目标磁场值B0的负偏差ΔB＝B0-B，则ΔI＝ΔB/(n×C2)，其中n为电流补偿速度参数，n越大补偿速度越慢，但稳定时磁场和补偿电流的波动小，n越小补偿速度越快，但稳定时磁场和补偿电流的波动略大，一般可设定n≥2，本实施例测量软件中设定n＝10，抽运-检测型原子磁力仪3的磁场采样率为10Hz。
步骤4：计算机5控制电流源4向标准线圈2输入电流I4＝I4+ΔI；
步骤5：重复步骤3和步骤4，通过抑制电流源4输出恒定电流的漂移使抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场值实时地等于B0，负载6中通入的恒定电流为I＝B0/C2。
图3示出了根据本公开一实施例的电流源4不锁定条件下抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场漂移示意图；图4示出了根据本公开一实施例的电流源4在锁定条件下抽运-检测型原子磁力仪测量的恒定磁场示意图。
如图3所示，计算机中测量软件控制电流源4向标准线圈2输入电流I4＝0.381486A，电流源4在不锁定条件下，在20分钟内抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场值的1秒内平均值从20004.8nT漂移至20005.2nT。截取5分钟的稳定磁场数据，计算这些磁场值的功率谱密度，取1Hz频点附近21个幅值的平均值作为磁场噪声，则抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场噪声为17.3pT/Hz1/2。
如图4所示，计算机中测量软件控制电流源4向标准线圈2输入电流I4＝0.381486A，电流源4处在锁定条件下，抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场值的1秒内平均值被锁定至20000nT，截取5分钟的稳定磁场数据，计算这些磁场值的功率谱密度，取1Hz频点附近21个幅值的平均值作为磁场噪声，则抽运-检测型原子磁力仪3测量的磁场噪声为28.3pT/Hz1/2，由于电流源4未锁定时，抽运-检测型原子磁力仪3测量的噪声直接反映了电流源4的噪声；电流源4锁定时，数字化锁定环路还会引入额外的噪声，因此，图4测量的磁场噪声比图3测量的磁场噪声大。由于标准线圈2轴线上的磁场与电流源4向标准线圈2和负载6通入的电流呈正比，因此恒流源装置稳定工作时的锁定环路有效地抑制了电流源4输出电流随时间的漂移。
本公开的恒流源装置，采用数字化负反馈方式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，有效提升恒流源输出电流的稳定度，降低漂移。由于标准线圈的线圈系数可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，本公开的恒流源装置输出的电流被溯源至上述三种量子自然基准。
综上所述，实施例一为本公开基于量子自然基准的恒流源装置的初步测试方法，未来建设电流基准装置时还需做大量的工作，例如考虑同时降低恒流源的漂移和噪声，以及合理分析磁屏蔽筒1(或磁屏蔽室)内剩磁对恒流源输出电流准确度的影响等。实施例一仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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