RU2040000C1

RU2040000C1 - Device for checking dc current stability

Info

Publication number: RU2040000C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Буравлев; Л.А. Левин; С.Л. Левин; О.Л. Мумин
Original assignee: Левин Лев Александрович
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: reference current source is replaced by superconducting short-circuited loop provided with thermal superconductance switch; this enables introduction of current into loop 1 to 10 per cent higher than current under measurement; device also has magnetic flux regulator. Device is essentially thermal superconductance switch provided with section of heated superconducting wire and super-low resistance unit connected in parallel with this section. EFFECT: improved accuracy in checking current stability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к прецизионному приборостроению и может быть использовано при проверке стабильности тока опорных устройств навигационных приборов и для измерительных целей. The invention relates to precision instrumentation and can be used to verify the stability of current support devices of navigation devices and for measuring purposes.

Известен способ сравнения измеряемого тока с эталонным током, который позволяет определить относительную стабильность измеряемого тока. Приборы для измерения тока методом сравнения называются компараторами тока. A known method of comparing the measured current with a reference current, which allows you to determine the relative stability of the measured current. Devices for measuring current by comparison are called current comparators.

Известен компаратор тока, который представляет собой две цепочки очень точно подобранных, одинаковых сопротивлений, через одну цепочку пропускается эталонный ток, через другую измеряемый. Сравнение падения напряжения на сопротивлениях позволяет оценить нестабильность измеряемого тока (Кампер Р.А. Сверхпроводящие приборы для метрологии. Слабая сверхпроводимость. Под ред. Б.Б.Шварца и С.Ф.Фонера, с.142-145). A current comparator is known, which consists of two chains of very precisely selected, identical resistances, a reference current is passed through one chain and measured through the other. Comparison of the voltage drop across the resistances makes it possible to evaluate the instability of the measured current (Kamper R.A. Superconducting devices for metrology. Weak superconductivity. Edited by B. B. Schwartz and S. F. Foner, p.142-145).

Недостатком такого метода является низкая точность сравнения, не выше 10^-6; при наличии разницы в падении напряжений погрешность измерения увеличивается за счет подводящих проводов (при измерении нестабильности тока такая разница будет всегда); влияние нестабильности источника эталонного тока, которая является прямой погрешностью.The disadvantage of this method is the low accuracy of comparison, not higher than 10 ^-6 ; if there is a difference in the voltage drop, the measurement error increases due to the lead wires (when measuring current instability, such a difference will always be); the influence of instability of the reference current source, which is a direct error.

Известен сверхпроводящий компаратор тока. Степень сравнения этим компаратором достигает 10^-9 и выше. Подводящие провода не влияют на точность сравнения [1]
Сверхпроводящий компаратор работает cледующим образом.A superconducting current comparator is known. The degree of comparison by this comparator reaches 10 ^-9 and higher. Lead wires do not affect comparison accuracy [1]
The superconducting comparator operates as follows.

Через сверхпроводящую трубу по проводу (или обмотке) пропускают ток от эталонного источника, а по другому проводу (или обмотке с тем же числом витков) в противоположную сторону пропускают измеряемый ток. Каждый ток создает внутри трубы свое магнитное поле. Для компенсации разности магнитных полей по внутренней поверхности сверхпроводящей трубы течет сверхпроводящий ток такой величины, чтобы разность ампер-витков измеряемого и эталонного токов была равна ампер-виткам тока сверхпроводящей трубы. Замыкается сверхпроводящий ток через внешнюю поверхность трубы. Вокруг внешней поверхности трубы намотан сверхпроводящий контур, соединенный с входной катушкой сквид-магнитометра. Когда токи, эталонный и измеряемый, равны, сверхпроводящего тока по внешней стороне трубы нет. Сигнал со сквид-магнитометра равен нулю. Таким образом получаем способ измерения стабильности постоянного тока с помощью сверхпроводящего компаратора тока, включающий охлаждение до температуры сверхпроводимости, включение измеряемого и эталонного токов, сравнение токов, и устройство для измерения стабильности постоянного тока, содержащее сверхпроводящий компаратор тока и внешний источник эталонного тока. A current from a reference source is passed through a superconducting pipe through a wire (or winding), and a measured current is passed to the opposite side through a different wire (or winding with the same number of turns). Each current creates its own magnetic field inside the pipe. To compensate for the difference in magnetic fields, a superconducting current flows so large that the difference in the ampere turns of the measured and reference currents is equal to the ampere turns of the current in the superconducting pipe. The superconducting current closes through the outer surface of the pipe. A superconducting circuit connected to the input coil of a SQUID magnetometer is wound around the outer surface of the pipe. When the currents, the reference and the measured, are equal, there is no superconducting current on the outside of the pipe. The signal from the SQUID magnetometer is zero. Thus, we obtain a method for measuring the stability of direct current using a superconducting current comparator, including cooling to a superconducting temperature, switching on the measured and reference currents, comparing currents, and a device for measuring the stability of direct current containing a superconducting current comparator and an external reference current source.

Эти способ и устройство приняты за прототип. Недостатком прототипа является наличие в комплекте аппаратуры эталонного источника тока. Это усложняет аппаратуру; эталонный источник сам имеет некоторую нестабильность, тем более при долговременной работе, что вносит прямую погрешность в измерение. Источник эталонного тока должен быть регулируемым, так как для более точного определения нестабильности измеряемого тока целесообразно эталонный ток по величине выбирать равным (в какой то момент) измеряемому току. These method and device are taken as a prototype. The disadvantage of the prototype is the presence in the set of equipment of a reference current source. This complicates the equipment; The reference source itself has some instability, especially during long-term operation, which introduces a direct error in the measurement. The source of the reference current must be adjustable, since in order to more accurately determine the instability of the measured current, it is advisable to choose the reference current in magnitude equal to (at some point) the measured current.

В настоящее время точность сравнения компараторов тока составляет 10^-11 (Хамильтон К. Э. и др.) Стандарты и быстродействующая техника. ТИИЭР, 1989, т.77, N 8, с.137-147).At present, the accuracy of comparing current comparators is 10 ^-11 (Hamilton K.E. et al.) Standards and high-speed technology. TIIER, 1989, v. 77, No. 8, pp. 137-147).

Целью изобретения является упрощение схемы и уменьшение погрешности измерения нестабильности. The aim of the invention is to simplify the circuit and reduce the measurement error of instability.

Цель достигается тем, что в способе измерения стабильности постоянного тока с помощью сверхпроводящего компаратора, включающем охлаждение компаратора, включение измеряемого и эталонного токов, сравнение токов, после охлаждения компаратора вводят ток в разомкнутый сверхпроводящий контур величиной на 1-10% выше измеряемого тока, затем замыкают сверхпроводящий контур, включают измеряемый ток, регулируют ток в сверхпроводящем контуре путем его снижения до совпадения с измеряемым током. The goal is achieved in that in a method for measuring DC stability using a superconducting comparator, including cooling the comparator, turning on the measured and reference currents, comparing the currents, after cooling the comparator, a current is introduced into the open superconducting circuit 1-10% higher than the measured current, then they close superconducting circuit, include the measured current, regulate the current in the superconducting circuit by reducing it to coincide with the measured current.

В устройство для измерения стабильности постоянного тока, содержащее сверхпроводящий компаратор тока, внешний источник тока, дополнительно вводят сверхпроводящий короткозамкнутый контур, проходящий через компаратор, выключатель сверхпроводимости и устройство регулировки магнитного потока в сверхпроводящем короткозамкнутом контуре, при этом выключатель сверхпроводимости и устройство для регулировки потока включены в сверхпроводящий контур последовательно. A superconducting short-circuited circuit passing through the comparator, a superconducting switch and a magnetic flux adjusting device in the superconducting short-circuited circuit are additionally introduced into the device for measuring the stability of direct current containing a superconducting current comparator, an external current source, and the superconducting switch and the flow control device are included in superconducting circuit in series.

Сущность изобретения заключается в том, что эталонный источник тока предлагается заменить незатухающим сверхпроводящим током, циркулирующим в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре, долговременная стабильность которого значительно выше, чем стабильность известных эталонных источников тока, а регулировка тока производится специальным устройством со сверхнизким сопротивлением. The essence of the invention lies in the fact that the reference current source is proposed to be replaced by an undamped superconducting current circulating in a short-circuited superconducting circuit, the long-term stability of which is much higher than the stability of known standard current sources, and the current is regulated by a special device with ultra-low resistance.

На чертеже показана упрощенная схема измерения стабильности тока. The drawing shows a simplified circuit for measuring current stability.

Способ включает в себя следующие операции. The method includes the following operations.

Охлаждение до температуры сверхпроводимости. Cooling to superconductivity temperature.

Для охлаждения корпус компаратора 1 опускают в ванну с жидким гелием (не показано) и охлаждают до температуры сверхпроводимости все сверхпроводящие узлы и приборы, в том числе трубу 2 компаратора, провод 3 измеряемого тока (провод измеряемого тока взят сверхпроводящим, чтобы не выделялось Джоулево тепло (i²R) на сопротивлении провода, что ведет к лишнему выкипанию гелия), короткозамкнутый сверхпроводящий контур 4, контур 5 сквида, сквид-магнитометр 6.For cooling, the case of the comparator 1 is lowered into a bath with liquid helium (not shown) and all superconducting components and devices, including the pipe 2 of the comparator, the wire 3 of the measured current are taken to the superconducting temperature (the wire of the measured current is taken superconducting, so that Joule heat is not released ( i ² R) on the resistance of the wire, which leads to excess helium boiling off), a short-circuited superconducting circuit 4, a squid circuit 5, a squid magnetometer 6.

Включение измеряемого тока. The inclusion of the measured current.

Подключают измеряемый ток. Он течет через сверхпроводящий провод 3. Connect the measured current. It flows through the superconducting wire 3.

Введение тока в разомкнутый сверхпроводящий контур. The introduction of current into an open superconducting circuit.

Для ввода тока в сверхпроводящий контур 4 подают ток от внешнего источника (не показан) на нагреватель 7 теплового выключателя сверхпроводимости, при этом разрушается сверхпроводимость участка сверхпроводящей цепи под выключателем сверхпроводимости. Этот участок переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. Подключают провода, закрепленные около разрушенного участка, к источнику 8 тока. Ток течет от источника тока через сверхпроводящую часть контура 4 (так как она имеет R 0, а "разрушенная" часть контура R>0). Устанавливают ток величиной на 1-10% больше измеряемого тока. To introduce current into the superconducting circuit 4, a current is supplied from an external source (not shown) to the heater 7 of the superconducting thermal switch, while the superconductivity of the portion of the superconducting circuit under the superconducting switch is destroyed. This site goes into a normal (non-superconducting) state. Connect the wires fixed near the destroyed area to the current source 8. The current flows from the current source through the superconducting part of circuit 4 (since it has R 0, and the “destroyed” part of the circuit is R> 0). A current of 1-10% greater than the measured current is set.

Замыкание сверхпроводящего контура. Short circuit of a superconducting circuit.

Отключают нагреватель 7 выключателя сверхпроводимости от источника тока. Нагретый участок контура 4 охлаждается и переходит в сверхпроводящее состояние. В сверхпроводящем контуре 4 продолжает циркулировать незатухающий ток. Отключают источник 8 тока. The heater 7 of the superconductivity switch is disconnected from the current source. The heated portion of circuit 4 is cooled and goes into a superconducting state. An undamped current continues to circulate in the superconducting circuit 4. Turn off the current source 8.

Регулировка тока в сверхпроводящем контуре. Adjustment of current in a superconducting circuit.

Для регулировки тока используют устройство для регулировки магнитного потока в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре. Устройство представляет собой тепловой выключатель 9 сверхпроводимости, в котором параллельно нагретому участку контура 4 подключено сверхнизкое сопротивление 10 (порядка 10^-8-10^-9 Ом). Такое сопротивление можно создать, если на сверхпроводящий провод нанести тонкий (1-2 мкм) слой меди и петлю из провода скрутить в месте нанесения меди. При нагреве такой скрутки сверхпроводимость провода разрушается и образуется сопротивление между медными слоями на проводе. Это сопротивление включается последовательно в контур. При температуре ниже переходной ток течет по сверхпроводящему проводу. При нагреве сверхпроводимость провода разрушается, появляется сопротивление и ток течет через медный слой. При этом часть тока из-за джоулевых потерь на сверхнизком сопротивлении теряется. Поток в контуре и, следовательно, ток медленно затухает (период затухания может быть в несколько часов). Нагрев удерживают до тех пор, пока незатухающий ток не станет примерно равным измеряемому. После этого отключают нагреватель 9 выключателя сверхпроводимости. Сверхпроводимость короткозамкнутого контура 4 восстановлена, в нем циркулирует незатухающий ток, примерно равный измеряемому.To adjust the current, a device is used to adjust the magnetic flux in a short-circuited superconducting circuit. The device is a superconducting thermal switch 9, in which an ultralow resistance 10 (of the order of 10 ^-8 -10 ^-9 Ohms) is connected in parallel to the heated portion of circuit 4. Such resistance can be created if a thin (1-2 micron) layer of copper is applied to the superconducting wire and the loop from the wire is twisted at the place of copper deposition. When such a twist is heated, the superconductivity of the wire is destroyed and resistance forms between the copper layers on the wire. This resistance is connected in series to the circuit. At temperatures below the transitional current flows through a superconducting wire. When heated, the superconductivity of the wire is destroyed, resistance appears and current flows through the copper layer. In this case, part of the current is lost due to Joule losses at the ultra-low resistance. The flow in the circuit and, therefore, the current decays slowly (the decay period can be several hours). The heating is held until the undamped current becomes approximately equal to the measured one. After that, turn off the heater 9 of the superconductivity switch. The superconductivity of the short-circuited circuit 4 is restored, an undamped current circulating in it, approximately equal to the measured one.

Сравнение токов. Comparison of currents.

При отклонении измеряемого тока от незатухающего тока в контуре 4 по внешней стороне трубы 2 потечет ток, компенсирующий разницу магнитных полей измеряемого и незатухающего токов. Этот ток создает магнитный поток, который через контур 5 измеряется сквид-магнитометром. Сигнал со сквид-магнитометра, пропорциональный мгновенной нестабильности измеряемого тока, может быть записан на самописец. When the measured current deviates from the undamped current in circuit 4, a current will flow along the outside of the pipe 2, compensating for the difference in the magnetic fields of the measured and undamped currents. This current creates a magnetic flux, which is measured through a circuit 5 by a squid magnetometer. The signal from the SQUID magnetometer, proportional to the instantaneous instability of the measured current, can be recorded on the recorder.

Корпус 1 устройства помещен в ванну с жидким гелием (не показана). К корпусу 1 крепится труба 2, через которую проходят сверхпроводящие провода 3 и 4. Труба 2 охватывается контуром 5 сквида. Контур сквида связан с входной катушкой сквида 6 и образует вместе с ней сверхпроводящий короткозамкнутый контур-трансформатор потока. Сквид 6 установлен внутри корпуса 3 и индуктивно связан через входную катушку с контуром 5. Электронные блоки сквид-магнитометра вынесены в теплую зону. The housing 1 of the device is placed in a bath with liquid helium (not shown). A pipe 2 is attached to the housing 1, through which superconducting wires 3 and 4 pass. The pipe 2 is enclosed by a squid circuit 5. The SQUID circuit is connected to the SQUID input coil 6 and forms with it a superconducting short-circuited flow transformer circuit. Squid 6 is installed inside the housing 3 and is inductively connected through the input coil to circuit 5. The electronic components of the squid magnetometer are placed in a warm zone.

Провод 4 выполнен в виде короткозамкнутого сверхпроводящего контура, проходящего через сверхпроводящую трубу 2. Часть провода 4 находится в зоне нагревателя 7 выключателя сверхпроводимости. Обычно петля провода 4 наматывается на нагреватель, а в качестве нагревателя используют стандартное угольное сопротивление. Другая часть провода 4 находится в зоне нагревателя 9 выключателя сверхпроводимости. На эту часть провода нанесен тонкий слой меди. Провод сложен петлей и свернут, так что медные слои соприкасаются между собой. Эта петля намотана на нагреватель 9 выключателя сверхпрово- димости. Провод 4, образующий короткозамкнутый контур, не имеет разрывов, а его концы соединены сверхпроводящим соединением (сварены). Провод 4 может быть весь покрыт слоем меди. Такие провода с медной изоляцией выпускаются промышленностью. The wire 4 is made in the form of a short-circuited superconducting circuit passing through the superconducting pipe 2. A part of the wire 4 is located in the region of the heater 7 of the superconducting switch. Usually, a loop of wire 4 is wound around the heater, and standard carbon resistance is used as the heater. Another part of the wire 4 is located in the area of the heater 9 of the superconductivity switch. A thin layer of copper is applied to this part of the wire. The wire is looped and folded so that the copper layers touch each other. This loop is wound on the heater 9 of the superconductivity switch. The wire 4, forming a short-circuited circuit, has no gaps, and its ends are connected by a superconducting connection (welded). Wire 4 may be covered with a layer of copper. Such copper insulated wires are commercially available.

Сущность изобретения заключается в замене сложного, нестабильного источника эталонного тока сверхпроводящим короткозамкнутым контуром. Точность сравнения сверхпроводящим компаратором тока составляет 10^-11. Создание такого эталонного источника тока со стабильностью 10^-10 задача сложная, и устройство получается громоздким и дорогостоящим, значительно сложнее простого короткозамкнутого контура. Особенно усложняются требования к эталонному источнику при необходимости проведения долговременных испытаний, что требуется, например, при испытании морских навигационных систем и их элементов (120-240 ч).The essence of the invention is to replace a complex, unstable source of a reference current with a superconducting short-circuited circuit. The comparison accuracy of the superconducting current comparator is 10 ^-11 . The creation of such a standard current source with a stability of 10 ^-10 is a difficult task, and the device is bulky and expensive, much more complicated than a simple short-circuited circuit. The requirements for the reference source are especially complicated if long-term tests are necessary, which is required, for example, when testing marine navigation systems and their elements (120-240 h).

Известно, что в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре магнитный поток не изменяется. Следовательно, при неизменной индуктивности не изменяется ток. Широко известен эксперимент с измерением стабильности тока в свинцовом кольце, находящемся в жидком гелии. За 2 года испытаний не было обнаружено изменения магнитного потока в кольце. Действительно, если взять короткозамкнутый контур из ниобия (из ниобиевого провода), то его сопротивление в условиях жидкого гелия равно менее 10^-24 Ом.It is known that in a short-circuited superconducting circuit, the magnetic flux does not change. Therefore, with a constant inductance, the current does not change. The experiment with measuring the stability of current in a lead ring located in liquid helium is widely known. Over 2 years of testing, no change in magnetic flux in the ring was detected. Indeed, if we take a short-circuited circuit from niobium (from a niobium wire), then its resistance in liquid helium is less than 10 ^-24 Ohms.

Известно, что сопротивление ниобием менее 10^-26 Ом. Предположим, что индуктивность сверхпроводящего контура составляет 10^-9 Гн (индуктивность можно увеличить, сделав контур из нескольких витков). Тогда, полагая, что в контуре затухает по экспоненте, будем иметь
I=I_oe

=I_oe

где τ

10^-17 c

Следова- тельно, примерно за 10⁹ лет ток снизится всего в 3 раза. Пpиближенный расчет показывает, что даже в первый момент, начиная от t 0, стабильность тока в короткозамкнутом контуре превысит 10^-11 только примерно через 300 ч, что вполне достаточно для проведения долговременных испытаний. Как показывает практика, сопротивление сверхпроводника значительно меньше, чем в настоящем изобретении. Для повышения стабильности тока в короткозамкнутом контуре остаются две возможности: увеличение индуктивности L за счет увеличения числа витков W(L W²); смещение начала долговременных испытаний на несколько часов после установления тока в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре.It is known that the resistance of niobium is less than 10 ^-26 Ohms. Suppose that the inductance of a superconducting circuit is 10 ^-9 H (the inductance can be increased by making a circuit of several turns). Then, assuming that the circuit decays exponentially, we have
I = I _o e

= I _o e

where τ

10 ^-17 c

Consequently, in approximately 10 ⁹ years, the current will decrease by only 3 times. An approximate calculation shows that even at the first moment, starting from t 0, the current stability in the short-circuited circuit will exceed 10 ^-11 only after about 300 hours, which is quite enough for long-term tests. As practice shows, the resistance of a superconductor is much less than in the present invention. To improve the stability of current in a short-circuited circuit, two possibilities remain: an increase in inductance L due to an increase in the number of turns W (LW ² ); the displacement of the beginning of long-term tests by several hours after the establishment of current in a short-circuited superconducting circuit.

Таким образом применение короткозамкнутого сверхпроводящего контура вместо эталонного стабилизированного источника тока позволяет упростить комплектовку схемы измерения стабильности тока и снизить погрешность измерения нестабильности. Thus, the use of a short-circuited superconducting circuit instead of a standard stabilized current source makes it possible to simplify the configuration of the current stability measurement circuit and reduce the instability measurement error.

Claims

DEVICE FOR CONTROLLING STABILITY OF A DC, containing a superconducting current comparator with contours of a controlled and a reference current, placed in a pipe inductively coupled to a SQUID magnetometer, as well as a current source connected to a circuit of a reference current, characterized in that it is equipped with two superconducting switches and an ultra-low a resistor, while the first superconductivity switch is connected to the reference current circuit between the output terminals of the current source, and the second superconductivity switch sverhnizkoomnoy and a resistor connected in parallel and are also included in the reference current circuit formed by a superconducting short-circuited.