Постановление правительства рф от 23.09.2010 n 734

Квантовый эталон напряжения

Методы квантовой метрологии основываются на квантовых эффектах, имеющих место на атомном и ядерном уровнях. Различают несколько видов квантовых эффектов. Например, в метрологии широко используется квантовый эффект Холла. Суть его состоит в том, что в специальных структурах при температуре жидкого гелия и в сильном магнитном поле электрическое сопротивление принимает строго фиксированное значение.

На использовании другого эффекта, названного именем английского физика Джозефсона, основаны современные эталоны единиц напряжения – вольта. В 1962 году 22-летний ученый Брайан Джозефсон догадался, что два сверхпроводящих слоя, разделенных прослойкой изолятора толщиной в несколько атомов, будут вести себя как единая система. Основываясь на принципах квантовой механики, он показал, что в этой системе электроны проходят через диэлектрик без сопротивления благодаря особому туннельному эффекту.


Микросхема джозефсоновского массива, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий, как эталон напряжения – вольта

Открытие Джозефсона оказало существенное влияние на современную физику: позволило уточнить величину постоянной Планка – основной константы квантовой теории, а также способствовало созданию принципиально нового квантового стандарта напряжения. До сих пор не были открыты другие физические эффекты, которые могли бы составить конкуренцию эффекту Джозефсона по точности воспроизведения единицы напряжения.

Квантовый эффект Джозефсона реализуется в тонкопленочных устройствах, которые позже получили название «контакты Джозефсона». Квантованное напряжение, возникающее на одном джозефсоновском контакте под воздействием внешнего электромагнитного поля, обычно мало. Чтобы добиться его увеличения до метрологически значимой величины, необходимо большое число контактов. Массивы из десятков тысяч джозефсоновских контактов объединялись в сложные сверхпроводниковые микросхемы.

В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), а еще через три десятилетия была разработана технология изготовления микросхем, содержащих несколько сотен джозефсоновских контактов из ВТСП. В 2014 году по заданию института «Кварц» учеными РАН была выполнена опытно-конструкторская работа «Разработка технологии изготовления микросхемы ВТСП и ее испытание в составе эталона напряжения». Результатом данной работы стало создание образца джозефсоновской микросхемы на основе высокотемпературных сверхпроводников.

На основе этой микросхемы в институте «Кварц» был впервые создан рабочий образец меры напряжения. По своим параметрам он полностью соответствует эталонным средствам измерения и может использоваться в метрологических институтах, в центрах стандартизации и испытаний.

Впрочем, сама технология джозефсоновских систем открывает и другие новые возможности – от создания суперкомпьютеров с очень низким потреблением энергии до разработки искусственного интеллекта. Возможно, именно осознание всей масштабности прикладного значения своего открытия «переключило» Брайана Джозефсона на исследования из области «необъяснимого и невероятного». После получения Нобелевской премии он занялся парапсихологией и сегодня известен своей верой в существование паранормальных явлений.

Программное обеспечение

Программное обеспечение (далее по тексту ПО) разделено на две части. Интерфейсная часть ПО запускается на ПК и служит для отображения, обработки и сохранения результатов измерений. Идентификационные данные (признаки) метрологически значимой части программного обеспечения указаны в таблице 1.

Таблица 1

Идентификационные данные (признаки)

Значение

Идентификационное наименование ПО

og 2 3

Номер версии (идентификационный номер) ПО

6.10.5.11 и выше

Цифровой идентификатор ПО

Алгоритм вычисления цифрового идентификатора ПО

Метрологически значимая часть ПО размещается в энергонезависимой памяти микроконтроллера в аппаратной части оптического генератора, запись которой осуществляется в процессе производства. Доступ к микроконтроллеру исключён конструкцией аппаратной части оптического генератора.

Защита программного обеспечения от непреднамеренных и преднамеренных изменений соответствует среднему уровню защиты в соответствии с Р 50.2.077-2014.

Государственный вторичный эталон единицы электрического напряжения — эталон сравнения — с номинальным значением 1 В ГВЭТ 13-3-2010

Номер эталона в госреестре: 2.1.ZZB.0023.2015

Область применения

Применяется при сличении национальных эталонов единицы напряжения, основанных на применении квантового эффекта Джозефсона.

Состав эталона:

  • криогенный преобразователь частоты электромагнитных колебаний в электрическое напряжение,
  • блок смещения,
  • генератор электромагнитных колебаний СВЧ диапазона,
  • блок питания.

Метрологические характеристики

Номинальное значение постоянного электрического напряжения, при котором эталон сравнения хранит и передаёт единицу 1 В
Среднее квадратическое отклонение SΣ0 результата сличений с государственным первичным эталоном единицы электрического напряжения не превышает 2·10-9
Стандартная неопределённость результата измерений, оценённая по типу А, не превышает 2·10-9
Нестабильность эталона сравнения ν за цикл сличений (не более 1 года) не превышает 1·10-9

Поверка

осуществляется по документу МП 048.Ф3-15 «Государственная система обеспечения единства измерений. Рабочие эталоны единиц длины и ослабления в световоде. Методика поверки», утвержденному ФГУП «ВНИИОФИ» 15 июня 2015 г.

Основные средства поверки:

1    Г осударственный первичный специальный эталон единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации по ГОСТ 8.585-2013 (Регистрационный номер ГЭТ 170- 2011)

Метрологические характеристики:

—    диапазон длин волн: от 0,6 до 1,7 мкм;

5    2

—    для единицы длины распространения сигнала: L = от 10 до 610 м, 0L = от 6,5 10″ до 0,45 м, Sl = 1,510-2 м;

7    3

—    для единицы времени распространения сигнала: T = от 110 до 610 с, 0т = от 0,65 • 10-9 до 4,5 10-9 с, Sт = 1,5 10-10 с.

Комплекс средств измерений для воспроизведения единиц длины и времени распространения сигнала в ВОСП из состава ГЭТ 170- 2011:

Генератор временных интервалов Berkeley Nucleonics BNC 745;

—    временной сдвиг (задержка) основного импульса: от 200 до 20-1012 пс;

-7

—    погрешность установки временного сдвига: (10 D + 250), пс, где D — значение временного сдвига, пс;

Осциллограф цифровой запоминающий WaveJet 352

—    диапазон измерений от 0 до 500 МГц;

—    погрешность измерений ±1,5 % .

Фотоприемные устройства (ФПУ1; ФПУ2)

—    время нарастания переднего фронта ФПУ1 и ФПУ2 не более 1 нс;

—    спектральный диапазон ФПУ1: от 850 до 1300 нм;

—    спектральный диапазон ФПУ2: от 1300 до 1625 нм.

Источники излучения

—    спектральный диапазон (850±5, 1300±5, 1310±5, 1490±5, 1550±5, 1625±5) нм;

—    время нарастания переднего фронта, не более 1 нс;

—    оптическая мощность не менее 5 мВт.

Циркулятор одномодовый

—    спектральный диапазон от 1460 до 1625 нм;

—    внутренние потери, не более 2 дБ;

—    изоляция каналов, не менее 30 дБ.

Зеркало

—    спектральный диапазон от 850 до 1625 нм;

—    коэффициент отражения, не менее 90 %.

2    Спектральная установка из состава Государственного рабочего эталона единицы средней мощности оптического излучения в волоконно-оптических системах передачи в диапазоне от 10-11 до 10-2 на длинах волн от 500 до 1700 нм по ГОСТ 8.585-2013 (Регистрационный номер 3.1.ZZA.0029.2015)

Основные метрологические характеристики:

—    рабочий диапазон длин волн от 500 до 1700 нм;

—    пределы допускаемой абсолютной погрешности градуировки монохроматора по шкале длин волн ±1 нм;

3    Измеритель оптической мощности из состава Государственного рабочего эталона

единицы средней мощности оптического излучения в волоконно-оптических системах передачи -11 -2

в диапазоне от 10 до 10 на длинах волн от 500 до 1700 нм по ГОСТ 8.585-2013 (Регистрационный номер 3.1.ZZA.0029.2015)

11 2

—    диапазон измеряемой средней мощности оптического излучения (от 10 до 10) Вт

—    длины волн градуировки измерителя мощности, фиксированные в диапазонах: 632,8 нм; от 840 до 860 нм; 1064 нм; от 1300 до 1320 нм; от 1540 до 1560 нм; от 1485 до 1495 нм; от 1620 до 1630 нм;

—    пределы допускаемой относительной погрешности измерений средней мощности

11    3

оптического излучения на длинах волн градуировки: в диапазоне от 10 до 2 10″

3    2

включительно ±2,5 %; в диапазоне от 10 до 10 Вт включительно ±3,5 %;

—    пределы допускаемой относительной погрешности измерений средней мощности оптического излучения в рабочем спектральном диапазоне ±5 %.

Знак поверки наносится на переднюю панель корпусов генераторов оптических модели ОГ-2-3/35 из состава Рабочих эталонов единиц длины и ослабления в световоде (место нанесения указано на рисунке 1).

От аршина к радиоизмерениям

В 1870 году метрологи разных стран впервые собрались вместе на международной комиссии в Париже. Кстати, одним из инициаторов ее организации выступила Петербургская академия наук. Именно на этой парижской встрече впервые прозвучали идеи о введении метрической системы, а также о создании новых эталонов мер.

Пять лет спустя, 20 мая 1875 года, 17 стран подписали Метрическую конвенцию. Эта организация послужила поводом создания Международной организации мер и весов – по сути, первой международной научно-исследовательской лаборатории.


Дмитрий Иванович Менделеев

В списке стран, официально присоединившихся к Метрической конвенции в 1875 году, была и Россия. Большой вклад в этом принадлежал Дмитрию Менделееву. Период с 1892 по 1918 год даже называют менделеевским этапом развития метрологии. Дмитрий Иванович возглавлял в Петербурге Главную палату мер и весов – сегодня это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева.

Несмотря на активную деятельность, Менделееву все же не удалось внедрить в России метрическую систему. Многие годы она использовалась по желанию наряду со старой русской и британской (дюймовой) системами. Только в 1918 году Международная метрическая система мер и весов была введена в России официально.


Институт метрологии имени Д.И. Менделеева

Метрическая система положила начало развитию отечественной метрологии, в том числе и в области радиоэлектронных измерений. Так, под руководством известного физика Михаила Бонч-Бруевича в 1918 году была создана Нижегородская лаборатория, которая стала первым НИИ в области радиоизмерений. Сегодня это Нижегородское научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе, входящее в КРЭТ. Здесь были созданы первые в стране приборы для измерения частот, первый отечественный генератор стандартных сигналов, а в 1935 году – первый ламповый вольтметр для измерения напряжения.

На базе Нижегородской лаборатории позже был образован и Научно-исследовательский институт №11. Сегодня это Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», также входящий в КРЭТ.

Поверочные схемы в зависимости от области распространения подразделяются на следующие виды:

− государственные поверочные;

− ведомственные поверочные;

− локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерений данной физической величины, применяемые в стране, т. е. устанавливают порядок передачи информации о размере единицы в масштабе страны.

Государственные поверочные схемы разрабатываются метрологическими институтами. Они возглавляются первичными и специальными эталонами.

Ведомственная поверочная схема распространяется на средства измерений, подлежащие поверке внутри ведомства. Ведомственные поверочные схемы согласовываются с главным центром государственных эталонов и утверждаются руководством ведомства.

Локальная поверочная схема распространяется на средства измерений, подлежащие поверке в данном органегосударственной метрологической службы или в органе метрологической службы юридического лица. Локальная схема разрабатывается метрологической службой юридического лица, согласовывается с территориальным органом Госстандарта.

Содержание и построение поверочных схем устанавливает ГОСТ 8.061-80.

Схема передачи информации о размере единицы представлена на рис. 1.

На чертеже поверочной схемы указывается:

– наименования СИ и методов поверки;

– номинальные значения или диапазон значений физических величин;

– допускаемые значения погрешностей СИ;

– допускаемые значения погрешностей методов поверки.

Чертеж поверочной схемы состоит из полей, расположенных друг над другом и разделенных штриховыми линиями. Поля должны иметь наименование: «Государственный эталон» или «Эталон» (вторичный эталон); «Рабочие эталоны», «Рабочие СИ».

Содержание и построение поверочных схем установлены ГОСТ 8.061-80 «Поверочные схемы. Содержание и построение».

Передача единиц величин осуществляется от государственных эталонов единиц величин, имеющих более высокие показатели точности, эталонам единиц величин с более низкими показателями точности при первичной аттестации и периодической аттестации эталонов единиц величин или средствам измерений при их поверке или калибровке.Юридические лица и индивидуальные предприниматели, содержащие и применяющие эталоны единиц величин, обязаны представлять их для получения соответствующих единиц величин от эталонов единиц величин, имеющих более высокие показатели точности, в соответствии с государственными поверочными схемами в сроки, не превышающие межаттестационный интервал.Передача единицы величины от государственного эталона единицы величины осуществляется в соответствии с методикой аттестации эталона единицы величины, методикой поверки средства измерений или методикой калибровки средства измерений при соблюдении условий применения эталона единицы величины. Методики аттестации эталонов единиц величин, методики поверки средств измерений и методики калибровки средств измерений должны соответствовать требованиям поверочных схем.Локальные поверочные схемы должны соответствовать государственным поверочным схемам тех же величин и обеспечивать прослеживаемость исходных эталонов единиц величин.

Физические величины, эталоны

Понятие «физическая величина» применяется для описания материальных систем, объектов, изучаемых в любых областях.

Единица физической величины — применяемая для количественного выражения однородных физических величин фиксированная физическая величина, которой условно присвоено значение, равное единице.

В 1960 г. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла систему единиц физических величин, названную Международной системой единиц СИ (SI — франц. Syst’eme International).

В системе СИ в качестве основных приняты семь единиц:

метр — единица длины;
килограмм — единица массы;
кельвин — единица температуры;
кандела — единица силы света;
ампер — единица силы тока;
секунда — единица времени;
моль — количество вещества.

Остальные единицы являются производными.

Различают централизованное и децентрализованное воспроизведение единиц физических величин.

Централизованное воспроизведение осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами, а для передачи размера единиц используются образцовые средства измерений.

Децентрализованное воспроизведение — единица производной физической величины воспроизводится на месте через единицы основных физических величин. Последние хранятся и воспроизводятся только централизованно в соответствии с их определением.

Производная единица — единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Производная единица называется когерентной, если в этом уравнении числовой коэффициент равен единице.

Качественным отображением измеряемых величин является их размерность (Dim). Значение величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения: Q = X ? , где Q — значение величины; X — числовое значение измеряемой величины в принятой единице; — выбранная для измерения единица.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Для этого применяют средства измерений, хранящие и воспроизводящие установленные единицы физических величин и передающие их соответствующим средствам измерений (эталоны).

Эталон — предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины высокоточная мера. С помощью эталона размер единицы передается нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Различают следующие виды эталонов.

Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

Вторичный (или специальный) эталон — воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет при этих условия первичный эталон. Он создается и утверждается в тех случаях, когда это необходимо для обеспечения наименьшего износа государственного эталона.

Вторичные эталоны по своему назначению делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия — предназначен для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Он не всегда является физической копией государственного эталона.

Первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным.

Эталон-свидетель — предназначен для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Эталон сравнения — применяют для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.

Рабочий эталон — воспроизводит единицу от вторичных эталонов и служит для передачи размера эталону более низкого разряда.