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JP2014109525A - Thermal noise thermometer and reference noise voltage generator used for the same - Google Patents

Thermal noise thermometer and reference noise voltage generator used for the same Download PDF

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JP2014109525A JP2012264701A JP2012264701A JP2014109525A JP 2014109525 A JP2014109525 A JP 2014109525A JP 2012264701 A JP2012264701 A JP 2012264701A JP 2012264701 A JP2012264701 A JP 2012264701A JP 2014109525 A JP2014109525 A JP 2014109525A
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    • G01K7/30Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermal noise of resistances or conductors

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Abstract

【課題】配線間のクロストークを低減し、また短時間で電圧スペクトル密度を変更し、さらに装置全体のコストを大幅に低減する。
【解決手段】パルス増倍器21は、擬似乱数列中の例えば論理「1」のパルスが入力される毎に、外部から供給されるスペクトル密度制御信号により磁束量子数が、又は磁束量子電圧パルスの重畳による電圧軸方向のレベルが、所定の単位時間T0内で増倍された磁束量子電圧パルスを出力する。擬似乱数列発生器22は、超伝導デジタル回路技術を用いて、M系列を発生する。精密計測応用のために、ジョセフソン伝送線23及びSQUIDアレー24からなる出力回路は、完全量子化が可能なジョセフソン回路を用いて構成されている。パルス増倍器21、擬似乱数発生器22、及び出力回路は、シールド効率が高い短距離配線で接続されて基準雑音電圧源チップ25に形成されている。
【選択図】図2
An object of the present invention is to reduce crosstalk between wirings, change a voltage spectral density in a short time, and further greatly reduce the cost of the entire apparatus.
For example, every time a pulse of logic “1” in a pseudo-random number sequence is input, a pulse multiplier 21 calculates a magnetic flux quantum number or a magnetic flux quantum voltage pulse by a spectral density control signal supplied from the outside. A magnetic flux quantum voltage pulse in which the level in the voltage axis direction due to the superimposition of the signal is multiplied within a predetermined unit time T 0 is output. The pseudo-random number generator 22 generates an M series using superconducting digital circuit technology. For precision measurement applications, the output circuit composed of the Josephson transmission line 23 and the SQUID array 24 is configured using a Josephson circuit capable of complete quantization. The pulse multiplier 21, the pseudo random number generator 22, and the output circuit are connected to each other by a short-distance wiring having a high shield efficiency and are formed in the reference noise voltage source chip 25.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は熱雑音温度計及びそれに用いる基準雑音電圧発生器に係り、特に抵抗体の温度を測定する熱雑音温度計及びそれに用いる基準雑音電圧発生器に関する。   The present invention relates to a thermal noise thermometer and a reference noise voltage generator used therefor, and more particularly to a thermal noise thermometer for measuring the temperature of a resistor and a reference noise voltage generator used therefor.

温度Tにある電気抵抗値Rの物体は熱雑音(ジョンソン雑音)電圧を発生する。この熱雑音電圧は、一様な周波数スペクトルを持つ白色雑音である。熱雑音電圧の二乗平均値<ν2>は次のナイキストの式で表される。
<ν2>=4kTRB (1)
ここで、上式中、kはボルツマン定数、Bは測定帯域幅である。(1)式は、抵抗体の発生する熱雑音電圧の二乗平均値<ν2>を測定することで、抵抗体の温度Tを測定できることを示している。この原理に基づき、熱雑音温度計は抵抗体の温度Tを測定する。
An object of electrical resistance value R at temperature T generates a thermal noise (Johnson noise) voltage. This thermal noise voltage is white noise having a uniform frequency spectrum. The root mean square value <ν 2 > of the thermal noise voltage is expressed by the following Nyquist equation.
2 > = 4 kTRB (1)
Here, in the above formula, k is a Boltzmann constant, and B is a measurement bandwidth. The equation (1) indicates that the temperature T of the resistor can be measured by measuring the mean square value <ν 2 > of the thermal noise voltage generated by the resistor. Based on this principle, the thermal noise thermometer measures the temperature T of the resistor.

電気量測定は古くから発展してきた技術であり、誤差の小さな精密計測が可能である。図13は、各種精密温度計測方式の適用温度範囲を示す。図13において、[]内は典型的な測定誤差、上部には代表的な温度定点を示す(非特許文献1から作成)。図13に示すように、熱雑音温度計測法によれば、他の精密温度計測法と比較して、極めて広い温度範囲で10-50ppm程度の極めて小さな誤差で精密な温度測定ができることが知られている。例えば、水の三重点である0℃付近では音響気体温度計測法や定積気体温度計測法でも極めて精密な温度計測ができるが、熱雑音温度計測法によれば、水の三重点の温度計測だけではなく、音響気体温度計測法や定積気体温度計測法では計測できないAl、Ag、Cuの各凝固点の温度も熱温度50ppm以下の極めて小さな誤差で温度計測ができる。従って、熱雑音温度計は、広い温度範囲で高い精度で温度測定ができるという特長から、温度標準や温度計校正などの精密温度計測分野で利用されている。   Electric quantity measurement is a technology that has been developed for a long time, and enables precise measurement with small errors. FIG. 13 shows application temperature ranges of various precision temperature measurement methods. In FIG. 13, [] shows a typical measurement error, and the upper part shows a typical temperature fixed point (created from Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 13, according to the thermal noise temperature measurement method, it is known that accurate temperature measurement can be performed with an extremely small error of about 10-50 ppm in a very wide temperature range as compared with other precision temperature measurement methods. ing. For example, in the vicinity of 0 ° C, which is the triple point of water, the acoustic gas temperature measurement method and the constant volume gas temperature measurement method can be used for extremely precise temperature measurement, but according to the thermal noise temperature measurement method, the temperature measurement of the triple point of water is possible. In addition, the temperature of each freezing point of Al, Ag, and Cu, which cannot be measured by the acoustic gas temperature measurement method or the constant gas temperature measurement method, can be measured with an extremely small error of a heat temperature of 50 ppm or less. Therefore, the thermal noise thermometer is used in the field of precision temperature measurement such as temperature standard and thermometer calibration because of its feature of being able to measure temperature with high accuracy over a wide temperature range.

上記の熱雑音温度計では、温度計測対象の抵抗体(抵抗センサ)の雑音電圧を正確に測定するにはケーブル、増幅器、A/D変換器などで構成される測定系の特性に起因する測定誤差を排除しなければならない。そのため、抵抗センサの温度測定前に、抵抗センサの雑音電圧と同等の特性を有する基準雑音電圧波形に対する測定系の応答を評価し、測定系の校正を行う。   In the above thermal noise thermometer, in order to accurately measure the noise voltage of the resistance object (resistance sensor), the measurement is caused by the characteristics of the measurement system composed of a cable, an amplifier, an A / D converter, etc. Errors must be eliminated. Therefore, before measuring the temperature of the resistance sensor, the response of the measurement system to a reference noise voltage waveform having characteristics equivalent to the noise voltage of the resistance sensor is evaluated, and the measurement system is calibrated.

校正実行時には、抵抗センサの雑音電圧と同等の特性を有する基準雑音電圧波形を発生する基準雑音電圧発生器を二系統の伝送経路(増幅器とA/D変換器からなる伝送系が二系統)を備える測定系に接続し、それら二系統の伝送経路を別々に経た二つの基準雑音電圧の相関をデジタル信号処理部により計算し、測定系の特性を評価する。その後、抵抗センサを特性評価後の上記測定系に接続して、熱雑音温度測定を実行する。   When performing calibration, the reference noise voltage generator that generates the reference noise voltage waveform having the same characteristics as the noise voltage of the resistance sensor has two transmission paths (two transmission systems consisting of an amplifier and an A / D converter). The system is connected to a measurement system, and a correlation between two reference noise voltages that have passed through these two transmission paths is calculated by a digital signal processor, and the characteristics of the measurement system are evaluated. Thereafter, the resistance sensor is connected to the measurement system after the characteristic evaluation, and thermal noise temperature measurement is performed.

従って、抵抗センサの雑音電圧を正確に測定するためには、測定系の校正実行時に用いる基準雑音電圧発生器は熱雑音温度計の重要な構成要素である。この基準雑音電圧発生器は、正確に計算可能(波形が高い精度で決定されている)な周波数スペクトルを持つ擬似雑音波形を出力しなければならない。擬似雑音波形は、抵抗の熱雑音と同じ白色雑音であることが望ましいが、計算可能であれば厳密な白色スペクトルを持つ必要はない。   Therefore, in order to accurately measure the noise voltage of the resistance sensor, the reference noise voltage generator used when executing calibration of the measurement system is an important component of the thermal noise thermometer. This reference noise voltage generator must output a pseudo-noise waveform having a frequency spectrum that can be accurately calculated (the waveform is determined with high accuracy). The pseudo-noise waveform is desirably white noise that is the same as the thermal noise of the resistor, but need not have an exact white spectrum if it can be calculated.

基準雑音電圧発生器としては、例えば図14のブロック図に示す基準雑音電圧発生方式の構成のものが、米国のNISTにより開示されて現在広く用いられている(例えば、非特許文献2、3参照)。この基準雑音発生器100は、Σ-Δ変調を利用して擬似乱数列を生成するコンピュータ101、擬似乱数列を検証する高速フーリエ変換器102、擬似乱数列から雑音電圧波形を合成するパルスパターン発生器103、及びパルスパターン発生器103からの雑音波形を精密に量子化して基準雑音電圧を出力するジョセフソン接合アレー104からなる。この基準雑音発生器100では、基準雑音波形の精度を保証するために、擬似乱数列の周波数スペクトルが高速フーリエ変換器102により検証されている。   As the reference noise voltage generator, for example, a reference noise voltage generation method shown in the block diagram of FIG. 14 is disclosed by the NIST in the United States and is currently widely used (for example, see Non-Patent Documents 2 and 3). ). The reference noise generator 100 includes a computer 101 that generates a pseudo random number sequence using Σ-Δ modulation, a fast Fourier transformer 102 that verifies the pseudo random number sequence, and a pulse pattern generation that synthesizes a noise voltage waveform from the pseudo random number sequence. And a Josephson junction array 104 that precisely quantizes the noise waveform from the pulse pattern generator 103 and outputs a reference noise voltage. In the reference noise generator 100, the frequency spectrum of the pseudo random number sequence is verified by the fast Fourier transformer 102 in order to guarantee the accuracy of the reference noise waveform.

J.Fischer,M.dePodesta,K.D.Hill,M.Moldover,L.Pitre,R.Rusby, P.Steur,O.Tamura,R.White,andL.Wolber、”Present estimatesof the differences between thermodynamic temperatures and the ITS-90”,International Journal of Thermophys,vol.32,pp.12-35,(2011).J. Fischer, M. dePodesta, KDHill, M. Moldover, L. Pitre, R. Rusby, P. Steur, O. Tamura, R. White, and L. Wolber, “Present estimates of the differences between thermodynamic temperatures and the ITS -90 ”, International Journal of Thermophys, vol. 32, pp. 12-35, (2011). S.P.Benz,A.Pollarolo,J.Qu,H.Rogalla,C.Urano,W.L.Tew,P.D.Dresselhaus,andD.R.White、”An electronicmeasurement of the Boltzmann constant”,Metrologia,vol.48,pp.142-153,(2011).SPBenz, A.Pollarolo, J.Qu, H.Rogalla, C.Urano, WLTew, PDDresselhaus, andD.R.White, “An electronic measurement of the Boltzmann constant”, Metrologia, vol.48, pp.142- 153, (2011). S.P.Benz,P.D.Dresselhaus,and C.J.Burroughs、“Multitonewaveform synthesis with a quantum voltage noise source”,IEEE Transactions on Applied Superconductivityvol.21,pp.681-686,(2011).S.P.Benz, P.D.Dresselhaus, and C.J.Burroughs, “Multitonewaveform synthesis with a quantum voltage noise source”, IEEE Transactions on Applied Superconductivityvol.21, pp.681-686, (2011).

しかしながら、図14に示した基準雑音電圧発生器100では、ジョセフソン接合アレー104における入出力信号間のクロストークにより、入力信号が基準電圧出力波形に結合することで基準雑音波形精度が劣化し、測定誤差が発生し温度測定精度が制限される。   However, in the reference noise voltage generator 100 shown in FIG. 14, the input signal is coupled to the reference voltage output waveform due to crosstalk between the input and output signals in the Josephson junction array 104, so that the reference noise waveform accuracy is deteriorated. Measurement errors occur and temperature measurement accuracy is limited.

また、基準雑音温度発生器では、基準雑音電圧の電圧スペクトル密度は測定温度に対応するように制御しなければならない。また、測定中の抵抗センサの特性変化に追随して電圧スペクトル密度をリアルタイムに微調整しなければならない。   In the reference noise temperature generator, the voltage spectral density of the reference noise voltage must be controlled so as to correspond to the measured temperature. In addition, the voltage spectral density must be fine-tuned in real time following changes in the characteristics of the resistance sensor during measurement.

しかしながら、図14に示した基準雑音電圧発生器100では、基準雑音電圧波形の電圧スペクトル密度を変えるには、パルスパターン発生器103への入力擬似乱数列を計算し直す必要があり、この擬似乱数列の生成・検証計算には膨大なコスト(時間、計算機使用料)を要する。例えば、一つの測定温度点のための擬似乱数列を生成、検証するには、コンピュータ101及び高速フーリエ変換器102に、最高級クラスのワークステーションを用いて数日の計算時間を要する。実際には多くの温度点を測定する必要があり、その都度基準雑音電圧スペクトル密度の値を対応する値に制御しなければならない。   However, in the reference noise voltage generator 100 shown in FIG. 14, in order to change the voltage spectral density of the reference noise voltage waveform, it is necessary to recalculate the input pseudorandom number sequence to the pulse pattern generator 103. An enormous cost (time, computer usage fee) is required for column generation / verification calculation. For example, in order to generate and verify a pseudo-random number sequence for one measurement temperature point, the computer 101 and the fast Fourier transformer 102 require several days of calculation time using the highest class workstation. In practice, many temperature points need to be measured, and the reference noise voltage spectral density value must be controlled to a corresponding value each time.

また、精密測定ではドリフトによる抵抗センサの特性変化に追随して基準雑音電圧スペクトル密度をリアルタイムで制御するために、基準雑音電圧スペクトル密度の短時間でのプログラマブル制御を要する。しかし、従来方式では擬似乱数列生成・検証の膨大な計算コストのため、基準雑音電圧スペクトル密度をリアルタイムで制御するのは困難である。   In addition, in precise measurement, in order to control the reference noise voltage spectral density in real time following the change in characteristics of the resistance sensor due to drift, programmable control of the reference noise voltage spectral density in a short time is required. However, in the conventional method, it is difficult to control the reference noise voltage spectral density in real time due to the enormous calculation cost of generating and verifying the pseudo random number sequence.

また、パルスパターン発生器103には、必要な帯域で高速・大容量のメモリを用いる必要があるが、このようなメモリは極めて高価であり、市販されているものの価格は数千万円に上る。このパルスパターン発生器103の高価格が、熱雑音温度計全体の価格を押し上げ、熱雑音温度計の普及が進まない要因の一つとなっている。   Further, the pulse pattern generator 103 needs to use a high-speed and large-capacity memory in a necessary band, but such a memory is extremely expensive, and the price of what is commercially available is tens of millions of yen. . The high price of the pulse pattern generator 103 increases the price of the entire thermal noise thermometer, which is one of the factors that prevent the spread of the thermal noise thermometer.

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、配線間のクロストークを低減し、また短時間で電圧スペクトル密度を変更でき、さらに装置全体のコストを大幅に低減した熱雑音温度計及びそれに用いる基準雑音電圧発生器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, a thermal noise thermometer that can reduce crosstalk between wirings, can change a voltage spectral density in a short time, and further greatly reduces the cost of the entire apparatus, and a thermal noise thermometer used therefor An object is to provide a reference noise voltage generator.

本発明の熱雑音温度計は上記の目的を達成するため、抵抗センサと、前記抵抗センサと同等の特性を有する基準雑音電圧を発生する基準雑音電圧発生手段と、二系統の測定系をそれぞれ経た二つの雑音電圧からデジタル信号処理により測定値を得る測定手段と、校正時に前記基準雑音電圧発生手段からの基準雑音電圧のみを前記測定手段に供給し、前記二系統の測定系を経た二つの基準雑音電圧の相関を計算して前記測定系の特性を評価させた後、測定時に前記抵抗センサからの測定電圧のみを前記測定手段に供給し、前記二系統の測定系を経た二つの測定電圧を、前記校正時に得た前記相関を用いて補正して測定値を決定させるスイッチ手段とを備えた熱雑音温度計であって、前記基準雑音電圧発生手段は、
計算可能な擬似乱数列を発生する、超伝導デジタル回路技術を用いて構成された擬似乱数列発生器と、前記擬似乱数列を構成する磁束量子電圧パルス列が所定の乱数値のときに、単位時間当たりの磁束量子数及び電圧軸方向のレベルのどちらか一方又は両方を、外部からの制御信号により可変制御される割合で増加させた磁束量子電圧パルス列を出力するパルス増倍器と、前記パルス増倍器から出力された前記磁束量子電圧パルス列を、ジョセフソン効果を利用して完全量子化及び重畳して、前記基準雑音電圧として出力する出力回路と、が同一基板上に形成された構成であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the thermal noise thermometer of the present invention passes through a resistance sensor, a reference noise voltage generating means for generating a reference noise voltage having characteristics equivalent to those of the resistance sensor, and two measurement systems. Measuring means for obtaining a measured value by digital signal processing from two noise voltages, and supplying only the reference noise voltage from the reference noise voltage generating means to the measuring means at the time of calibration, and two references through the two measurement systems After calculating the correlation of the noise voltage and evaluating the characteristics of the measurement system, only the measurement voltage from the resistance sensor is supplied to the measurement means at the time of measurement, and two measurement voltages passed through the two measurement systems are obtained. , A thermal noise thermometer comprising a switch means for determining a measured value by correcting using the correlation obtained at the time of calibration, wherein the reference noise voltage generating means is:
A pseudo random number generator configured using superconducting digital circuit technology for generating a pseudo random number sequence that can be calculated, and a unit time when the magnetic flux quantum voltage pulse sequence constituting the pseudo random number sequence is a predetermined random value. A pulse multiplier for outputting a magnetic flux quantum voltage pulse train in which one or both of the number of magnetic flux quantums and the level in the voltage axis direction are increased at a rate variably controlled by an external control signal; An output circuit that outputs the reference noise voltage by completely quantizing and superimposing the magnetic flux quantum voltage pulse train output from the multiplier using the Josephson effect is formed on the same substrate. It is characterized by that.

ここで、本発明の熱雑音温度計における上記出力回路は、パルス増倍器から出力された磁束量子電圧パルス列を伝送するジョセフソン伝送線と、ジョセフソン伝送線と磁気結合され、かつ、互いに直列接続された複数の超伝導量子干渉素子からなるSQUIDアレーとからなり、前記SQUIDアレーから前記磁束量子電圧パルス列を完全量子化及び重畳した前記基準雑音電圧を出力することを特徴とする。   Here, in the thermal noise thermometer of the present invention, the output circuit includes a Josephson transmission line for transmitting the magnetic flux quantum voltage pulse train output from the pulse multiplier, a magnetic coupling with the Josephson transmission line, and in series with each other. It comprises a SQUID array composed of a plurality of connected superconducting quantum interference elements, and the reference noise voltage obtained by fully quantizing and superimposing the magnetic flux quantum voltage pulse train is output from the SQUID array.

また、上記の目的を達成するため、本発明の基準雑音電圧発生器は、熱雑音温度計の測定系の特性に起因する測定誤差を排除するため、校正時に前記測定系に基準雑音電圧を供給する基準雑音電圧発生器であって、計算可能な擬似乱数列を発生する、超伝導デジタル回路技術を用いて構成された擬似乱数列発生器と、前記擬似乱数列を構成する磁束量子電圧パルス列が所定の乱数値のときに、単位時間当たりの磁束量子数及び電圧軸方向のレベルのどちらか一方又は両方を、外部からの制御信号により可変制御される割合で増加させた磁束量子電圧パルス列を出力するパルス増倍器と、前記パルス増倍器から出力された前記磁束量子電圧パルス列を、ジョセフソン効果を利用して完全量子化及び重畳して、前記基準雑音電圧として出力する出力回路と、が同一基板上に形成された構成であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the reference noise voltage generator of the present invention supplies a reference noise voltage to the measurement system during calibration in order to eliminate measurement errors caused by the characteristics of the measurement system of the thermal noise thermometer. A pseudo-random number generator configured using superconducting digital circuit technology, which generates a pseudo-random number sequence that can be calculated, and a magnetic flux quantum voltage pulse sequence that constitutes the pseudo-random number sequence. Outputs a magnetic flux quantum voltage pulse train that increases either or both of the number of magnetic flux quanta per unit time and the level in the voltage axis direction at a rate that is variably controlled by an external control signal at a given random number. And the pulse quantum voltage pulse train output from the pulse multiplier are completely quantized and superimposed using the Josephson effect and output as the reference noise voltage. A circuit, characterized in that but a structure that is formed on the same substrate.

ここで、本発明の基準雑音電圧発生器の上記のパルス増倍器は、擬似乱数列を構成する磁束量子電圧パルス列が入力され、所定のパルス値の時に起動されて一定周期τのパルスを発生する発振手段と、発振手段から出力されるパルスを計数し、その計数値が制御信号により指定された値に達した時に発振手段へ発振動作停止信号を供給して発振動作を停止させるカウント手段と、を備え、発振手段から磁束量子電圧パルス列の単位時間T0(ただし、T0>τ)当たりの磁束量子数を制御信号により可変制御された磁束量子電圧パルス列を出力する構成であってもよい。 Here, the above-described pulse multiplier of the reference noise voltage generator of the present invention receives a magnetic flux quantum voltage pulse train constituting a pseudo random number sequence and is activated when a predetermined pulse value is generated to generate a pulse with a constant period τ. Oscillating means for counting, and counting means for counting pulses output from the oscillating means and supplying an oscillating operation stop signal to the oscillating means to stop the oscillating operation when the counted value reaches a value specified by the control signal; The magnetic flux quantum voltage pulse train in which the number of magnetic flux quantum per unit time T 0 (where T 0 > τ) of the magnetic flux quantum voltage pulse train is variably controlled by the control signal may be output from the oscillation means. .

また、本発明の基準雑音電圧発生器の上記のパルス増倍器は、互いの出力端子が接続された複数の増幅器からなる電圧増倍回路と、擬似乱数列を構成する磁束量子電圧パルス列と制御信号とが入力され、入力される磁束量子電圧パルス列が所定のパルス値の時に、複数の増幅器のうち前記制御信号により指定された一又は二以上の増幅器に磁束量子電圧パルスを分配供給するパルス分配器と、を備え、電圧増倍回路から磁束量子電圧パルス列の単位時間当たりの電圧軸方向のレベルが制御信号により可変制御された磁束量子電圧パルス列を出力する構成であってもよい。   Further, the pulse multiplier of the reference noise voltage generator of the present invention includes a voltage multiplier circuit composed of a plurality of amplifiers connected to each other's output terminals, a magnetic flux quantum voltage pulse train that constitutes a pseudo random number train, and a control When the signal is input and the input magnetic flux quantum voltage pulse train has a predetermined pulse value, pulse distribution for supplying the magnetic flux quantum voltage pulse to one or more amplifiers specified by the control signal among a plurality of amplifiers A voltage multiplier circuit that outputs a magnetic flux quantum voltage pulse train whose level in the voltage axis direction per unit time of the magnetic flux quantum voltage pulse train is variably controlled by a control signal.

本発明によれば、従来の配線間のクロストークによる温度測定誤差を大幅に低減でき、これにより、熱雑音温度計の測定精度を従来に比べて向上することができる。また、本発明によれば、測定中の抵抗センサの特性変化に追随してほぼリアルタイムに電圧スペクトル密度を微調整することができる。更に、本発明によれば、パルスパターン発生器を不要とすることで、装置全体のコストを大幅に低減できる。   According to the present invention, the temperature measurement error due to the crosstalk between the conventional wirings can be greatly reduced, and thereby the measurement accuracy of the thermal noise thermometer can be improved as compared with the conventional one. In addition, according to the present invention, the voltage spectral density can be finely adjusted almost in real time following the characteristic change of the resistance sensor during measurement. Furthermore, according to the present invention, the cost of the entire apparatus can be greatly reduced by eliminating the need for a pulse pattern generator.

本発明に係る熱雑音温度計の一実施の形態のブロック図である。It is a block diagram of one embodiment of a thermal noise thermometer according to the present invention. 本発明に係る基準雑音電圧発生器の一実施の形態の構成図である。It is a block diagram of one embodiment of a reference noise voltage generator according to the present invention. 図2中のパルス増倍器の第1の実施形態のブロック図及びその規格化周波数対ゲイン特性図である。FIG. 3 is a block diagram of a first embodiment of the pulse multiplier in FIG. 2 and its normalized frequency versus gain characteristic diagram. 図2中のパルス増倍器の第2の実施形態のブロック図及びその規格化周波数対ゲイン特性図である。FIG. 3 is a block diagram of a second embodiment of the pulse multiplier in FIG. 2 and its normalized frequency versus gain characteristic diagram. 図4中のパルス分配器及び電圧増倍回路の一例の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of an example of a pulse distributor and a voltage multiplication circuit in FIG. 4. 図4及び図5中の電圧増倍回路の基本セルの一例の回路図及び各部の信号波形図である。FIG. 6 is a circuit diagram of an example of a basic cell of the voltage multiplication circuit in FIGS. 4 and 5 and a signal waveform diagram of each part. 図2中のパルス増倍器の第3の実施形態のブロック図及びその規格化周波数対ゲイン特性図である。FIG. 6 is a block diagram of a third embodiment of the pulse multiplier in FIG. 2 and its normalized frequency versus gain characteristic diagram. 図2中の擬似乱数列発生器の一例の構成図、出力電圧対時間特性図、及び出力スペクトル密度対周波数特性図である。FIG. 3 is a configuration diagram, an output voltage versus time characteristic diagram, and an output spectral density versus frequency characteristic diagram as an example of the pseudorandom number generator in FIG. 2. 図2中のジョセフソン伝送線の一例の回路図と各部の信号波形図である。FIG. 3 is a circuit diagram of an example of a Josephson transmission line in FIG. 2 and signal waveform diagrams of each part. 図2中のジョセフソン伝送線とSQUIDアレーの一例の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of an example of a Josephson transmission line and a SQUID array in FIG. 2. 図10の各部の信号波形図である。It is a signal waveform diagram of each part of FIG. 図2中のジョセフソン伝送線とSQUIDアレーの他の例の回路図である。It is a circuit diagram of the other example of the Josephson transmission line and SQUID array in FIG. 各種精密温度計測方式の適用温度範囲を示す図である。It is a figure which shows the applicable temperature range of various precision temperature measurement systems. 従来の基準雑音電圧発生器の一例のブロック図である。It is a block diagram of an example of the conventional reference noise voltage generator.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る熱雑音温度計の一実施の形態のブロック図を示す。本実施の形態の熱雑音温度計1は、測定対象の熱雑音電圧を発生する抵抗センサ10と、抵抗センサ10の熱雑音電圧と同等の特性を有する基準雑音電圧を発生する基準雑音電圧発生器20と、スイッチ30と、増幅器40a及び40bと、A/D変換器50a及び50bと、デジタル信号処理部60とからなる。増幅器40aとA/D変換器50aは第1の測定系を構成し、増幅器40bとA/D変換器50bは第2の測定系を構成する。スイッチ30は、これら第1及び第2の測定系に抵抗センサ10及び基準電圧発生器20のどちらか一方を接続する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a thermal noise thermometer according to the present invention. A thermal noise thermometer 1 of the present embodiment includes a resistance sensor 10 that generates a thermal noise voltage to be measured, and a reference noise voltage generator that generates a reference noise voltage having characteristics equivalent to the thermal noise voltage of the resistance sensor 10. 20, a switch 30, amplifiers 40 a and 40 b, A / D converters 50 a and 50 b, and a digital signal processing unit 60. The amplifier 40a and the A / D converter 50a constitute a first measurement system, and the amplifier 40b and the A / D converter 50b constitute a second measurement system. The switch 30 connects either the resistance sensor 10 or the reference voltage generator 20 to the first and second measurement systems.

前述したように、測定系の特性に起因する測定誤差を排除するため、抵抗センサ10の熱雑音電圧測定前に、スイッチ30により基準雑音電圧発生器20のみを第1及び第2の測定系にそれぞれ接続して校正を実行する。これにより、基準雑音電圧発生器20から出力された基準雑音電圧は、スイッチ30により第1の測定系の増幅器40a及びA/D変換器50aにより増幅及びA/D変換されてデジタル信号処理部60に供給されるとともに、第2の測定系の増幅器40b及びA/D変換器50bにより増幅及びA/D変換されてデジタル信号処理部60に供給される。デジタル信号処理部60は、これら第1及び第2の測定系を通して供給された二つの基準雑音電圧の相関を計算し、測定系の特性を評価する。その後の温度測定時に、スイッチ30は抵抗センサ10のみを第1及び第2の測定系にそれぞれ接続して、抵抗センサ10が発生する熱雑音電圧を測定し、更にその測定結果を前述した相関に基づいて補正することで抵抗センサ10の温度を精密に計測する。   As described above, in order to eliminate a measurement error due to the characteristics of the measurement system, before the thermal noise voltage measurement of the resistance sensor 10, only the reference noise voltage generator 20 is switched to the first and second measurement systems by the switch 30. Connect each to perform calibration. Thus, the reference noise voltage output from the reference noise voltage generator 20 is amplified and A / D converted by the switch 30 by the amplifier 40a and the A / D converter 50a of the first measurement system, and then the digital signal processing unit 60. And amplified and A / D converted by the second measurement system amplifier 40b and the A / D converter 50b and supplied to the digital signal processing unit 60. The digital signal processing unit 60 calculates the correlation between the two reference noise voltages supplied through the first and second measurement systems and evaluates the characteristics of the measurement system. During the subsequent temperature measurement, the switch 30 connects only the resistance sensor 10 to the first and second measurement systems, measures the thermal noise voltage generated by the resistance sensor 10, and further compares the measurement result with the correlation described above. By correcting based on this, the temperature of the resistance sensor 10 is accurately measured.

以上の熱雑音温度計1の基本的なブロック構成及び操作自体は従来と同じであるが、本実施の形態の熱雑音温度計1は、基準雑音電圧発生器20の構成が図14のような従来の構成ではなく、図2に示す実施の形態の構成とした点に特徴がある。   Although the basic block configuration and operation itself of the thermal noise thermometer 1 described above are the same as the conventional one, the configuration of the reference noise voltage generator 20 in the thermal noise thermometer 1 of the present embodiment is as shown in FIG. There is a feature in that the configuration of the embodiment shown in FIG. 2 is used instead of the conventional configuration.

図2は、本発明に係る基準雑音電圧発生器の一実施の形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態の基準雑音電圧発生器20は、パルス増倍器21と、擬似乱数列発生器22と、ジョセフソン伝送線23と、複数の超伝導量子干渉素子(SQUID:Superconducting Quantum Interference Device)が直列接続されたSQUIDアレー24とが、すべて単一基板である基準雑音電圧源チップ25に搭載された構成である。ここで、基準雑音電圧源チップ25上の各構成要素(すなわち、パルス増倍器21、擬似乱数列発生器22、ジョセフソン伝送線23、SQUIDアレー24)は、集積回路上のシールド効率が高い短距離配線で接続されているため、信号間のクロストークを効果的に抑制し、測定誤差を低減できる。なお、パルス増倍器21と擬似乱数列発生器22とは、波形発生回路を構成し、ジョセフソン伝送線23及びSQUIDアレー24は出力回路を構成する。   FIG. 2 shows a block diagram of an embodiment of a reference noise voltage generator according to the present invention. As shown in the figure, the reference noise voltage generator 20 of the present embodiment includes a pulse multiplier 21, a pseudo random number generator 22, a Josephson transmission line 23, and a plurality of superconducting quantum interference elements ( A SQUID array 24 in which SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) are connected in series is mounted on a reference noise voltage source chip 25 that is a single substrate. Here, each component on the reference noise voltage source chip 25 (that is, the pulse multiplier 21, the pseudo random number generator 22, the Josephson transmission line 23, and the SQUID array 24) has high shielding efficiency on the integrated circuit. Since they are connected by short-distance wiring, crosstalk between signals can be effectively suppressed and measurement errors can be reduced. The pulse multiplier 21 and the pseudo random number sequence generator 22 constitute a waveform generation circuit, and the Josephson transmission line 23 and the SQUID array 24 constitute an output circuit.

パルス増倍器21は、後述する構成により、擬似乱数列発生器22から供給される擬似乱数列中の例えば論理「1」のパルスが入力される毎に、外部から供給されるスペクトル密度制御信号により磁束量子数が、又は磁束量子電圧パルスの重畳による電圧軸方向のレベルが、所定の単位時間T0内で増倍された磁束量子電圧パルスを出力する。なお、本明細書において、「磁束量子電圧パルス」は、ジョセフソン接合で構成された回路が出力する量子化された(時間積分が磁束量子Φ=h/(2e)=2.07×10-15Wbの整数倍に厳密に一致する)電圧パルスを意味する。スペクトル密度制御信号は、パルス増倍器21の出力波形に含まれる磁束量子数を時間軸方向で制御すること、又は磁束量子電圧パルスを電圧軸方向で重畳することで、波形精度を保ったままプログラマブルに電圧スペクトル密度を可変する信号である。 With the configuration described later, the pulse multiplier 21 has a spectral density control signal supplied from the outside each time a pulse of logic “1” in the pseudo random number sequence supplied from the pseudo random number generator 22 is input. Thus, a magnetic flux quantum voltage pulse in which the magnetic flux quantum number or the level in the voltage axis direction due to the superposition of the magnetic flux quantum voltage pulse is multiplied within a predetermined unit time T 0 is output. In the present specification, the “flux quantum voltage pulse” is quantized (the time integral is flux quantum Φ = h / (2e) = 2.07 × 10 −15 Wb) output from a circuit composed of Josephson junctions. Means a voltage pulse that exactly matches an integer multiple of. The spectral density control signal maintains the waveform accuracy by controlling the magnetic flux quantum number included in the output waveform of the pulse multiplier 21 in the time axis direction or by superimposing magnetic flux quantum voltage pulses in the voltage axis direction. It is a signal that changes the voltage spectral density in a programmable manner.

擬似乱数列発生器22は、発生する擬似乱数列が計算可能(波形が高い精度で決定されている)でなければならない。そのため、擬似乱数列発生器22は、超伝導デジタル回路技術を用いて、例えば後述するようにM系列を発生する構成とされている。シフトレジスタを用いたM系列により、一様な周波数スペクトルを持つ白色雑音に近い計算可能な磁束量子電圧パルス列信号を生成できる。   The pseudo random number generator 22 must be able to calculate the generated pseudo random number sequence (the waveform is determined with high accuracy). Therefore, the pseudo-random number generator 22 is configured to generate an M series, for example, as described later, using superconducting digital circuit technology. By the M series using the shift register, a computable magnetic flux quantum voltage pulse train signal close to white noise having a uniform frequency spectrum can be generated.

精密計測応用のためには、出力回路は完全量子化が可能なジョセフソン回路を用いる必要がある。本実施の形態では、出力回路はジョセフソン伝送線23及びSQUIDアレー24からなる。SQUIDアレー24を構成する複数のSQUIDは、それぞれ1個以上のジョセフソン接合とコイルとからなる超伝導閉回路であり、ジョセフソン伝送線23を構成するコイルと所定の相互インダクタンスで磁気結合されており、極低温環境下で動作する。   For precision measurement applications, the output circuit must be a Josephson circuit capable of full quantization. In the present embodiment, the output circuit includes a Josephson transmission line 23 and a SQUID array 24. Each of the plurality of SQUIDs constituting the SQUID array 24 is a superconducting closed circuit composed of one or more Josephson junctions and a coil, and is magnetically coupled with a coil constituting the Josephson transmission line 23 with a predetermined mutual inductance. And operate in a cryogenic environment.

次に、パルス増倍器21の各実施形態について説明する。ここで、熱雑音温度計における基準雑音電圧発生器20が発生する基準雑音電圧の電圧スペクトル密度は、測定温度に対応するように制御しなければならず、また、測定中の抵抗センサ10の特性変化に追随して電圧スペクトル密度をリアルタイムに微調整する必要がある。そのため、パルス増倍器21は、広い周波数範囲にわたって波形精度を保ったまま電圧スペクトル密度が可変された磁束量子電圧パルスを出力することが要求される。   Next, each embodiment of the pulse multiplier 21 will be described. Here, the voltage spectral density of the reference noise voltage generated by the reference noise voltage generator 20 in the thermal noise thermometer must be controlled to correspond to the measured temperature, and the characteristics of the resistance sensor 10 being measured. It is necessary to fine-tune the voltage spectral density in real time following the change. Therefore, the pulse multiplier 21 is required to output a magnetic flux quantum voltage pulse whose voltage spectral density is varied while maintaining waveform accuracy over a wide frequency range.

図3(a)は、パルス増倍器21の第1の実施形態のブロック図、図3(b)は同図(a)の規格化周波数対ゲイン特性を示す。図3(a)に示す第1の実施形態のパルス増倍器21Aは、可変カウンタ71及びリング発振器72から構成されている。リング発振器72は、擬似乱数列発生器22から出力される、論理値「1」及び「0」の2値がランダムに時系列的に合成された擬似乱数列のうち、例えば論理値「1」の擬似乱数が入力された時に発振を開始して、周期τで一定振幅の磁束量子電圧パルスを発振出力して可変カウンタ71に供給する。   FIG. 3A is a block diagram of the first embodiment of the pulse multiplier 21, and FIG. 3B shows the normalized frequency versus gain characteristic of FIG. The pulse multiplier 21A of the first embodiment shown in FIG. 3A is composed of a variable counter 71 and a ring oscillator 72. The ring oscillator 72 outputs, for example, a logical value “1” from the pseudo-random number sequence output from the pseudo-random number sequence generator 22 in which two values of logical values “1” and “0” are randomly synthesized in time series. Oscillation is started when a pseudo-random number is input, and a magnetic flux quantum voltage pulse with a constant amplitude is oscillated and output at a period τ to be supplied to the variable counter 71.

可変カウンタ71は、リング発振器72から供給される磁束量子電圧パルスを計数し、その計数パルス数が、外部からのスペクトル密度制御信号によりプログラマブルに指定された数Nに達した時に発振停止信号を発生してリング発振器72に供給してリング発振器72の発振動作を停止する。ここで、上記擬似乱数列の隣接する論理値「1」間の入力最小時間間隔(ビット周期)が図3(a)に73で示す入力波形のようにT0であるものとすると、この最小時間間隔T0内で上記のN個の磁束量子電圧パルスがリング発振器72から出力される。従って、リング発振器72の出力信号波形は、図3(a)に74で示すようになる。なお、一例としてτ/T0=0.0001である。また、上記のパルス数Nは、最小時間間隔T0内において、磁束量子電圧パルスを時間軸方向にシーケンシャルに増加した磁束量子数であり、外部からの上記スペクトル密度制御信号によりプログラマブルに所望の値に可変指定可能である。 The variable counter 71 counts the magnetic flux quantum voltage pulses supplied from the ring oscillator 72, and generates an oscillation stop signal when the number of counted pulses reaches a number N that is programmable as specified by an external spectral density control signal. The ring oscillator 72 is supplied to stop the oscillation operation of the ring oscillator 72. Here, assuming that the minimum input time interval (bit period) between adjacent logical values “1” of the pseudo random number sequence is T 0 as shown by the input waveform 73 in FIG. The N magnetic flux quantum voltage pulses are output from the ring oscillator 72 within the time interval T 0 . Accordingly, the output signal waveform of the ring oscillator 72 is as indicated by 74 in FIG. As an example, τ / T 0 = 0.0001. The pulse number N is a magnetic flux quantum number obtained by sequentially increasing the magnetic flux quantum voltage pulse in the time axis direction within the minimum time interval T 0 , and can be set to a desired value programmable by the spectral density control signal from the outside. Can be variably specified.

本実施形態のパルス増倍器21Aの出力信号の、磁束量子数Nを可変した時の規格化周波数対ゲイン特性は、図3(b)に示すようになり、磁束量子数Nが2、5、20の場合は、規格化周波数fT0が0〜100の範囲内でゲイン一定の特性が得られた。なお、規格化周波数fT0は、入力信号の最小入力時間間隔T0で出力信号周波数を規格化した周波数である。このように、本実施形態のパルス増倍器21Aによれば、出力波形に含まれる磁束量子数を制御することで、広い周波数範囲にわたって波形精度を保ったまま電圧スペクトル密度が可変された磁束量子電圧パルスを出力することができる。 The normalized frequency versus gain characteristic of the output signal of the pulse multiplier 21A of the present embodiment when the magnetic flux quantum number N is varied is as shown in FIG. , 20, a constant gain characteristic was obtained when the normalized frequency fT 0 was in the range of 0-100. The normalized frequency fT 0 is a frequency obtained by normalizing the output signal frequency with the minimum input time interval T 0 of the input signal. Thus, according to the pulse multiplier 21A of the present embodiment, by controlling the number of magnetic flux quanta included in the output waveform, the magnetic flux quanta in which the voltage spectral density is varied while maintaining the waveform accuracy over a wide frequency range. A voltage pulse can be output.

次に、パルス増倍器21の第2の実施形態について説明する。図4(a)は、パルス増倍器21の第2の実施形態のブロック図、図4(b)は同図(a)の規格化周波数対ゲイン特性を示す。図4(a)に示す第2の実施形態のパルス増倍器21Bは、パルス分配器81及び電圧増倍回路82から構成されている。パルス分配器81及び電圧増倍回路82は、図5に示す構成とされている。   Next, a second embodiment of the pulse multiplier 21 will be described. FIG. 4A is a block diagram of the second embodiment of the pulse multiplier 21, and FIG. 4B shows the normalized frequency versus gain characteristic of FIG. The pulse multiplier 21B of the second embodiment shown in FIG. 4A is composed of a pulse distributor 81 and a voltage multiplier circuit 82. The pulse distributor 81 and the voltage multiplying circuit 82 are configured as shown in FIG.

電圧増倍回路82は、増幅率が2m(mは0、1、・・・、n−1)にそれぞれ設定されたn個の増幅器からなる多段電圧増倍回路であり、それらの増幅器の出力が合成された構成であり、そのn個の増幅器の動作がパルス分配器81から供給される磁束量子電圧パルスにより制御される。パルス分配器81は、図5に模式的に示す構成により、擬似乱数列発生器22から出力される、論理値「1」及び「0」の2値の磁束量子電圧パルスがランダムに時系列的に合成された擬似乱数列のうち、例えば論理値「1」の擬似乱数が入力された時に、外部からのスペクトル密度制御信号の値に応じた所定の増幅率が得られるように、スイッチが選択的にオンとされて電圧増倍回路82を構成するn段の増幅器のうち一以上の増幅器にそれぞれ入力パルスを分配して供給する。 The voltage multiplication circuit 82 is a multi-stage voltage multiplication circuit composed of n amplifiers each having an amplification factor set to 2 m (m is 0, 1,..., N−1). The outputs are combined, and the operations of the n amplifiers are controlled by magnetic flux quantum voltage pulses supplied from the pulse distributor 81. With the configuration schematically shown in FIG. 5, the pulse distributor 81 randomly outputs binary magnetic flux quantum voltage pulses of logical values “1” and “0” output from the pseudo random number generator 22 in a time-series manner. For example, when a pseudo-random number having a logical value “1” is input from the pseudo-random number sequence synthesized, the switch is selected so as to obtain a predetermined amplification factor according to the value of the spectrum density control signal from the outside. The input pulses are distributed and supplied to one or more of the n-stage amplifiers constituting the voltage multiplication circuit 82.

図6(a)は電圧増倍回路82を構成する基本セル(1段)の一例の回路図を示す。図6(a)に示す電圧増倍回路82の基本セルは、2つのコイルと2つのジョセフソン接合とからなる閉回路であるSQUID821と、直列接続されたコイル822〜824と、それらの接続点と接地間に接続されたジョセフソン接合825及び826とからなり、コイル823がSQUID821を構成する一つのコイルに磁気結合されている。   FIG. 6A shows a circuit diagram of an example of a basic cell (one stage) constituting the voltage multiplication circuit 82. The basic cell of the voltage multiplication circuit 82 shown in FIG. 6A is a SQUID 821 that is a closed circuit composed of two coils and two Josephson junctions, coils 822 to 824 connected in series, and connection points thereof. And Josephson junctions 825 and 826 connected between the ground and the coil, and the coil 823 is magnetically coupled to one coil constituting the SQUID 821.

コイル822に図6(d)に示す磁束量子電圧パルスνinが入力されると、ジョセフソン接合825、826を通り抜ける過程でコイル823に図6(c)に示す電流I1が誘起され、その電流I1は磁気結合を介してSQUID821に図6(c)に示す電流Isを誘起する。すると、SQUID821中の2つのジョセフソン接合を流れる電流が増加し、それぞれのジョセフソン接合が図6(b)に示す電圧νs1、νs2の磁束量子電圧パルスを出力する。電圧νs2の磁束量子電圧パルスは出力パルスνoutとして出力される。これは磁束量子電圧パルスが1個入力されるとSQUID821から磁束量子電圧パルスが1個出力されることに等しい。なお、図6(d)に示すようにジョセフソン接合825及び826には電圧ν1、ν2が発生し、コイル824から電圧ν3が出力される。電圧増倍回路82を構成する増幅率2kの増幅器は、図6(a)に示した基本セルが2k段直列に接続された構成である。 When the magnetic flux quantum voltage pulse ν in shown in FIG. 6D is input to the coil 822, a current I 1 shown in FIG. 6C is induced in the coil 823 in the process of passing through the Josephson junctions 825 and 826, The current I 1 induces a current I s shown in FIG. 6C in the SQUID 821 through magnetic coupling. Then, the current flowing through the two Josephson junctions in the SQUID 821 increases, and each Josephson junction outputs magnetic flux quantum voltage pulses of voltages ν s1 and ν s2 shown in FIG. 6B. The magnetic flux quantum voltage pulse having the voltage ν s2 is output as the output pulse ν out . This is equivalent to outputting one magnetic flux quantum voltage pulse from the SQUID 821 when one magnetic flux quantum voltage pulse is inputted. As shown in FIG. 6D, voltages ν 1 and ν 2 are generated in the Josephson junctions 825 and 826, and the voltage ν 3 is output from the coil 824. The amplifier with an amplification factor of 2 k constituting the voltage multiplication circuit 82 has a configuration in which the basic cells shown in FIG. 6A are connected in 2 k stages in series.

上記の構成の電圧増倍回路82は、入力磁束量子電圧パルスを一以上の増幅器で増幅してそれらの出力を合成して一つの増倍磁束量子電圧パルスとして出力する。従って、上記擬似乱数列の論理値「1」の入力最小時間間隔が図4(a)に83で示す入力波形のようにT0であるものとすると、この最小時間間隔T0内で電圧増倍回路82は図4(a)に84で示すように入力磁束量子電圧パルスを電圧軸方向で重畳した(振幅が増倍された)磁束量子電圧パルスを出力する。上記の磁束量子電圧パルスに対する合成増幅率(振幅増倍の割合)Nは、外部からの上記スペクトル密度制御信号によりプログラマブルに所望の値に可変指定可能である。 The voltage multiplication circuit 82 configured as described above amplifies the input magnetic flux quantum voltage pulse by one or more amplifiers, synthesizes the outputs thereof, and outputs the resultant as one multiplication magnetic flux quantum voltage pulse. Therefore, if the minimum input time interval of the logical value “1” of the pseudo random number sequence is T 0 as shown by the input waveform indicated by 83 in FIG. 4A, the voltage increases within the minimum time interval T 0 . The multiplier circuit 82 outputs a magnetic flux quantum voltage pulse in which the input magnetic flux quantum voltage pulse is superimposed in the voltage axis direction (the amplitude is multiplied) as indicated by 84 in FIG. The synthetic amplification factor (ratio of amplitude multiplication) N with respect to the magnetic flux quantum voltage pulse can be variably specified to a desired value by the above-described spectral density control signal.

本実施形態のパルス増倍器21Bの出力信号の、規格化周波数対ゲイン特性は、図4(b)に示すようになり、スペクトル密度制御信号により可変制御される値Nが2、5、20、75の何れの場合も、規格化周波数fT0が0〜100の範囲内でゲイン一定の特性が得られた。なお、規格化周波数fT0は、入力信号の最小入力時間間隔T0で出力信号周波数を規格化した周波数である。このように、本実施形態のパルス増倍器21Bによれば、広い周波数範囲にわたって波形精度を保ったまま振幅が増倍された磁束量子電圧パルスを出力することができる。 The normalized frequency versus gain characteristic of the output signal of the pulse multiplier 21B of this embodiment is as shown in FIG. 4B, and the value N variably controlled by the spectral density control signal is 2, 5, 20 , 75, a constant gain characteristic was obtained when the normalized frequency fT 0 was in the range of 0-100. The normalized frequency fT 0 is a frequency obtained by normalizing the output signal frequency with the minimum input time interval T 0 of the input signal. Thus, according to the pulse multiplier 21B of the present embodiment, it is possible to output a magnetic flux quantum voltage pulse whose amplitude is multiplied while maintaining waveform accuracy over a wide frequency range.

次に、パルス増倍器21の第3の実施形態について説明する。図7(a)は、パルス増倍器21の第3の実施形態のブロック図、図7(b)は同図(a)の規格化周波数対ゲイン特性を示す。図7(a)中、図3(a)及び図4(a)と同一構成部分には同一符号を付してある。   Next, a third embodiment of the pulse multiplier 21 will be described. FIG. 7A is a block diagram of a third embodiment of the pulse multiplier 21, and FIG. 7B shows the normalized frequency versus gain characteristic of FIG. In FIG. 7A, the same components as those in FIGS. 3A and 4A are denoted by the same reference numerals.

図7(a)に示す第3の実施形態のパルス増倍器21Cは、図3(a)に示したパルス増倍器21Aと図4(a)に示したパルス増倍器21Bとを縱続接続した構成であり、リング発振器72から出力される磁束量子電圧パルスがパルス分配器81に供給される。また、スペクトル密度制御信号は可変カウンタ71とパルス分配器81の両方に、かつ、互いに独立して供給される。   A pulse multiplier 21C according to the third embodiment shown in FIG. 7A is different from the pulse multiplier 21A shown in FIG. 3A and the pulse multiplier 21B shown in FIG. The magnetic flux quantum voltage pulse output from the ring oscillator 72 is supplied to the pulse distributor 81. The spectral density control signal is supplied to both the variable counter 71 and the pulse distributor 81 and independently of each other.

このパルス増倍器21Cでは、リング発振器72から磁束量子数Nが制御されて出力された図7(a)に86で示す磁束量子数増倍磁束量子電圧パルスをパルス分配器81に供給し、ここで外部からのスペクトル密度制御信号の値に応じた所定の電圧軸方向の重畳レベル(増幅率)Mが得られるように、電圧増倍回路82を構成するn個の増幅器のうち一以上の増幅器にそれぞれ入力パルスを分配して供給する。これにより、電圧増倍回路82は、入力された磁束量子数増倍磁束量子電圧パルス86を一以上の増幅器で増幅し、それらの出力を合成して、磁束量子数と振幅の両方が増倍された一つの増倍磁束量子電圧パルスとして出力する。   In this pulse multiplier 21C, a magnetic flux quantum number multiplication magnetic flux quantum voltage pulse indicated by 86 in FIG. 7A output from the ring oscillator 72 with the magnetic flux quantum number N controlled is supplied to the pulse distributor 81, Here, one or more of n amplifiers constituting the voltage multiplication circuit 82 are obtained so that a predetermined superimposition level (amplification factor) M in the voltage axis direction corresponding to the value of the spectral density control signal from the outside is obtained. The input pulses are distributed and supplied to the amplifiers. Thus, the voltage multiplication circuit 82 amplifies the input magnetic flux quantum number multiplication magnetic flux quantum voltage pulse 86 by one or more amplifiers, synthesizes their outputs, and both the magnetic flux quantum number and the amplitude are multiplied. Is output as one multiplied magnetic flux quantum voltage pulse.

従って、リング発振器72に発振開始信号として供給される前記擬似乱数列の隣接する論理値「1」間の入力最小時間間隔が図7(a)に85で示す入力磁束量子電圧パルス波形のようにT0であるものとすると、パルス増倍器21Cは、この最小時間間隔T0内で磁束量子数Nと電圧軸方向の重畳レベルMの両方が互いに独立して増倍された、図7(a)に87で示す磁束量子電圧パルスを出力する。 Accordingly, the minimum input time interval between adjacent logical values “1” of the pseudo random number sequence supplied as an oscillation start signal to the ring oscillator 72 is as shown in the input magnetic flux quantum voltage pulse waveform indicated by 85 in FIG. If it is assumed that T 0, the pulse multiplier 21C, both superimposing level M of the flux quantum number N and the voltage axis direction in this minimum time within interval T 0 is multiplied independently of one another, FIG. 7 ( A magnetic flux quantum voltage pulse indicated by 87 is output to a).

図7(b)は、本実施形態のパルス増倍器21Cから出力される増倍磁束量子電圧パルスのN、Mを可変した時の規格化周波数対ゲイン特性を示す。図7(b)において、増倍磁束量子電圧パルスのパルス数N、電圧軸方向のレベルMが、それぞれ2、5、20の場合は、規格化周波数fT0が0〜100の範囲内でゲイン一定の特性が得られた。また、N=M=75の場合は、規格化周波数が高くなるほどゲインが低下する特性が得られるが、その低下の程度は比較的小である。なお、規格化周波数fT0は、入力信号の最小入力時間間隔T0で出力信号周波数を規格化した周波数である。このように、本実施形態のパルス増倍器21Cによれば、出力波形に含まれる磁束量子数と電圧軸方向のレベルの両方を制御することで、広い周波数範囲にわたって波形精度を保ったまま、磁束量子数と電圧軸方向のレベルの両方を可変した磁束量子電圧パルスを出力することができる。 FIG. 7B shows the normalized frequency versus gain characteristic when N and M of the multiplication magnetic flux quantum voltage pulse output from the pulse multiplier 21C of the present embodiment are varied. In FIG. 7B, when the number N of multiplication magnetic flux quantum voltage pulses and the level M in the voltage axis direction are 2, 5, and 20, respectively, the gain is within the range of the normalized frequency fT 0 from 0 to 100. Certain characteristics were obtained. In the case of N = M = 75, a characteristic that the gain decreases as the normalized frequency increases is obtained, but the degree of the decrease is relatively small. The normalized frequency fT 0 is a frequency obtained by normalizing the output signal frequency with the minimum input time interval T 0 of the input signal. Thus, according to the pulse multiplier 21C of the present embodiment, by controlling both the magnetic flux quantum number and the level in the voltage axis direction included in the output waveform, while maintaining the waveform accuracy over a wide frequency range, A magnetic flux quantum voltage pulse in which both the magnetic flux quantum number and the level in the voltage axis direction are variable can be output.

次に、擬似乱数列発生器22について説明する。図8(a)は、擬似乱数列発生器22の一例の構成図、同図(b)は、同図(a)の出力電圧対時間特性図、同図(c)は、同図(a)の出力スペクトル密度対周波数特性図を示す。   Next, the pseudorandom number generator 22 will be described. FIG. 8A is a block diagram of an example of the pseudorandom number generator 22, FIG. 8B is an output voltage versus time characteristic diagram of FIG. 8A, and FIG. ) Shows an output spectral density vs. frequency characteristic diagram.

擬似乱数列発生器22は、発生する擬似乱数列が計算可能(波形が高い精度で決定されている)でなければならない。そのため、本実施の形態で用いる擬似乱数列発生器22は、図8(a)に示すように、一例として7段のシフトレジスタ91及びシフトレジスタ91の第6段、第7段出力を排他的論理和演算してシフトレジスタ91の初段に帰還入力する排他的論理和回路92からなり、供給されるクロックパルスCKに同期してシフトレジスタ91の第7段から所定の生成多項式で生成されたM系列を出力する公知のM系列発生器の構成とされている。   The pseudo random number generator 22 must be able to calculate the generated pseudo random number sequence (the waveform is determined with high accuracy). Therefore, as shown in FIG. 8A, the pseudo random number generator 22 used in the present embodiment exclusively outputs the seven-stage shift register 91 and the sixth-stage and seventh-stage outputs of the shift register 91 as an example. An exclusive OR circuit 92 which performs a logical sum operation and feeds back to the first stage of the shift register 91, and is generated by a predetermined generator polynomial from the seventh stage of the shift register 91 in synchronization with the supplied clock pulse CK. It is configured as a known M-sequence generator that outputs a sequence.

また、本実施の形態の図8(a)に示すM系列発生器により構成される擬似乱数列発生器22は、超伝導回路で構成される。超伝導回路で構成されたM系列発生器は公知であるので(例えば、特開昭62−16614号公報参照)、その構成の説明は省略する。図8(a)に示す擬似乱数列発生器22から出力されるM系列の出力信号は、図8(b)に示すように、論理値「1」と論理値「0」の磁束量子電圧パルスがランダムに発生して時系列的に合成されたパルス列信号である。また、図8(a)に示す擬似乱数列発生器22から出力されるM系列は、図8(c)に示すように、スペクトル密度が周波数によらず一定の白色雑音に近い信号である。   Moreover, the pseudorandom number generator 22 configured by the M-sequence generator shown in FIG. 8A of the present embodiment is configured by a superconducting circuit. Since the M series generator composed of a superconducting circuit is known (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-16614), the description of the configuration is omitted. The M-sequence output signal output from the pseudo random number generator 22 shown in FIG. 8A is a magnetic flux quantum voltage pulse having a logical value “1” and a logical value “0” as shown in FIG. 8B. Is a pulse train signal generated randomly and synthesized in time series. Also, the M sequence output from the pseudo random number sequence generator 22 shown in FIG. 8A is a signal whose spectral density is close to constant white noise regardless of the frequency, as shown in FIG. 8C.

次に、図2に示した基準雑音電圧発生器20の出力回路について説明する。出力回路は、精密計測応用のために完全量子化が可能なジョセフソン回路により構成され、ここではジョセフソン伝送線23とSQUIDアレー24とからなる。   Next, the output circuit of the reference noise voltage generator 20 shown in FIG. 2 will be described. The output circuit is composed of a Josephson circuit capable of complete quantization for precision measurement applications, and here comprises a Josephson transmission line 23 and a SQUID array 24.

ジョセフソン伝送線23は、パルス増倍器21から出力される磁束量子電圧パルスをSQUIDアレー24に伝送する。図9(a)はジョセフソン伝送線23の一例の回路図を示す。同図(a)に示すように、ジョセフソン伝送線23は、例えば4個のコイル231〜234が直列に接続され、かつ、互いのコイル接続点と接地間にジョセフソン接合235〜237が接続された構成である。このジョセフソン伝送線23は、図の左端に示す入力端子に磁束量子電圧パルスνinを入力すると、その入力磁束量子電圧パルスνinは図9(b)に示すようにジョセフソン接合235〜237を磁束量子電圧パルスν1、ν2、ν3として次々に通り、出力端子に磁束量子電圧パルスνoutとして出力される。また、入力磁束量子電圧パルスνinによるジョセフソン接合235〜237の電圧発生に伴い、コイル231〜234には図9(c)に示すように電流i1〜i4が流れる。 The Josephson transmission line 23 transmits the magnetic flux quantum voltage pulse output from the pulse multiplier 21 to the SQUID array 24. FIG. 9A shows a circuit diagram of an example of the Josephson transmission line 23. As shown in FIG. 2A, the Josephson transmission line 23 has, for example, four coils 231 to 234 connected in series, and Josephson junctions 235 to 237 connected between the coil connection points and the ground. It is the structure which was made. In the Josephson transmission line 23, when the magnetic flux quantum voltage pulse ν in is input to the input terminal shown at the left end of the figure, the input magnetic flux quantum voltage pulse ν in is converted into Josephson junctions 235 to 237 as shown in FIG. Are successively passed as magnetic flux quantum voltage pulses ν 1 , ν 2 , and ν 3 , and output as magnetic flux quantum voltage pulses ν out to the output terminal. Further, as the voltage of the Josephson junctions 235 to 237 is generated by the input magnetic flux quantum voltage pulse ν in , currents i 1 to i 4 flow through the coils 231 to 234 as shown in FIG.

SQUIDアレー24は、これら伝送線23から入力される磁束量子電圧パルスを重畳することにより、精密に合成した磁束量子電圧を生成し、外部へ基準雑音電圧として出力する。図10は、SQUIDアレー24の一例をジョセフソン伝送線とともに示す回路図である。図10において、SQUIDアレー241は2つのコイルと2つのジョセフソン接合とからなる閉回路のSQUIDがN段直列に接続されたSQUIDアレー24である。また、図10に示すジョセフソン伝送線23Aは、基本セルのジョセフソン伝送線を入力に対してN段並列に接続したジョセフソン伝送線23の一例である。   The SQUID array 24 generates a magnetic flux quantum voltage that is precisely synthesized by superimposing the magnetic flux quantum voltage pulses input from these transmission lines 23, and outputs the magnetic flux quantum voltage to the outside as a reference noise voltage. FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of the SQUID array 24 together with the Josephson transmission line. In FIG. 10, a SQUID array 241 is a SQUID array 24 in which N-stage serially connected SQUIDs composed of two coils and two Josephson junctions are connected. Also, the Josephson transmission line 23A shown in FIG. 10 is an example of the Josephson transmission line 23 in which the Josephson transmission line of the basic cell is connected in N stages in parallel to the input.

この構成では、ジョセフソン伝送線23Aに磁束量子電圧パルスνinを1個入力すると、各段のSQUIDはそれぞれ1個の磁束量子電圧パルスを生成する。例えば、N段のうちn(nは1以上N以下の自然数)段目のSQUIDに磁気結合されたジョセフソン伝送線23A中のコイルには磁束量子電圧パルスνinにより図11(b)に示すInが誘起され、また、そのコイルに接続された2つのジョセフソン接合には図11(c)にνn1、νn2で示す電圧の磁束量子電圧パルスが生成される。 In this configuration, when one magnetic flux quantum voltage pulse ν in is input to the Josephson transmission line 23A, each SQUID generates one magnetic flux quantum voltage pulse. For example, the coil in the Josephson transmission line 23A magnetically coupled to the n-th SQUID of the N stages (n is a natural number of 1 to N) is shown in FIG. 11B by the magnetic flux quantum voltage pulse ν in . In n is induced, and magnetic flux quantum voltage pulses having voltages indicated by ν n1 and ν n2 in FIG. 11C are generated in the two Josephson junctions connected to the coil.

また、n段目のSQUIDには上記の電流Inにより磁気結合を介して図11(b)に示す電流Isnが誘起される。これにより、SQUIDアレー241を構成するN段のSQUIDは直列接続なので、SQUIDアレー241はN個の磁束量子電圧パルスが重畳された、図11(a)に示す出力パルスνoutを出力する。 In addition, a current I sn shown in FIG. 11B is induced in the n-th SQUID through the magnetic coupling by the current In. Thus, since the N-stage SQUIDs constituting the SQUID array 241 are connected in series, the SQUID array 241 outputs an output pulse ν out shown in FIG. 11A on which N magnetic flux quantum voltage pulses are superimposed.

図12は、SQUIDアレー24をジョセフソン伝送線とともに示す他の例の回路図である。同図中、図10と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図12において、SQUIDアレー241に磁気結合されたジョセフソン伝送線23Bは、基本セルのジョセフソン伝送線を入力に対してN段直列に接続したジョセフソン伝送線23の例である。この例の構成でも、SQUIDアレー241はN個の磁束量子電圧パルスが重畳された出力パルスνoutを出力することができる。ただし、SQUIDアレー241を構成する各段のSQUIDの動作に時間遅れが生じるため、出力パルス波形はブロードになる。 FIG. 12 is a circuit diagram of another example showing the SQUID array 24 together with the Josephson transmission line. In the figure, the same components as those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In FIG. 12, the Josephson transmission line 23B magnetically coupled to the SQUID array 241 is an example of the Josephson transmission line 23 in which the Josephson transmission lines of the basic cells are connected in series to the N stages. Even in the configuration of this example, the SQUID array 241 can output an output pulse ν out on which N magnetic flux quantum voltage pulses are superimposed. However, a time delay occurs in the operation of the SQUID at each stage constituting the SQUID array 241, and the output pulse waveform becomes broad.

以上説明した本実施の形態の基準雑音電圧発生器20によれば、パルス増倍器21と擬似乱数列発生器22とからなる波形発生回路と、ジョセフソン伝送線23及びSQUIDアレー24からなる出力回路とが同一基板上において、高シールド効率の短距離配線で接続された基準雑音電圧源チップ25を構成しているため、従来の配線間のクロストークによる温度測定誤差を大幅に低減でき、これにより、熱雑音温度計の測定精度を従来に比べて向上することができる。   According to the reference noise voltage generator 20 of the present embodiment described above, a waveform generation circuit composed of a pulse multiplier 21 and a pseudo random number generator 22, an output composed of a Josephson transmission line 23 and a SQUID array 24. Since the reference noise voltage source chip 25 is connected to the circuit by a short distance wiring with high shielding efficiency on the same substrate, the temperature measurement error due to the crosstalk between the conventional wiring can be greatly reduced. Thus, the measurement accuracy of the thermal noise thermometer can be improved as compared with the conventional one.

また、本実施の形態の基準雑音電圧発生器20によれば、M系列を発生する擬似乱数列発生器22から出力される擬似乱数列に従いパルス増倍器21から出力される磁束量子電圧パルスの電圧スペクトル密度を、スペクトル密度制御信号に応じてプログラマブルに従来に比べて大幅に短時間に変更できるため、測定中の抵抗センサ10の特性変化に追随してほぼリアルタイムに電圧スペクトル密度を微調整することができる。   Further, according to the reference noise voltage generator 20 of the present embodiment, the magnetic flux quantum voltage pulse output from the pulse multiplier 21 in accordance with the pseudo random number sequence output from the pseudo random number sequence generator 22 that generates the M-sequence. The voltage spectral density can be changed in a programmable manner according to the spectral density control signal in a considerably short time compared to the conventional case, so that the voltage spectral density is finely adjusted almost in real time following the characteristic change of the resistance sensor 10 being measured. be able to.

また、本実施の形態の基準雑音電圧発生器20によれば、パルスパターンの代わりに擬似乱数列発生器22により計算可能な擬似乱数列であるM系列を発生しているため、従来の基準雑音電圧発生器で使用していた極めて高額なパルスパターン発生器は不要であり、その結果、熱雑音温度計1全体のコストを低減できる。   In addition, according to the reference noise voltage generator 20 of the present embodiment, an M sequence that is a pseudo random number sequence that can be calculated by the pseudo random number sequence generator 22 is generated instead of the pulse pattern. The extremely expensive pulse pattern generator used in the voltage generator is unnecessary, and as a result, the cost of the entire thermal noise thermometer 1 can be reduced.

更に、本実施の形態の基準雑音電圧発生器20を構成する基準雑音電圧源チップ25の消費電力は十分に小さく、安価な小型冷凍機での冷却が可能であり、高額なパルスパターン発生器が不要であることとあいまって、熱雑音温度計1全体のコストをより一層大幅に低減できる。従って、本実施の形態の基準雑音電圧発生器20によれば、測定に要する時間が短く、低価格であるという特長から、広い温度範囲で精度の高い熱雑音温度計の普及が期待できる。   Further, the power consumption of the reference noise voltage source chip 25 constituting the reference noise voltage generator 20 of the present embodiment is sufficiently small, can be cooled by an inexpensive small refrigerator, and an expensive pulse pattern generator is provided. Coupled with being unnecessary, the cost of the entire thermal noise thermometer 1 can be greatly reduced. Therefore, according to the reference noise voltage generator 20 of the present embodiment, the spread of highly accurate thermal noise thermometers over a wide temperature range can be expected from the features that the time required for measurement is short and the price is low.

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、例えば擬似乱数列発生器22はシフトレジスタの段数等、図8の構成に限定されるものではなく、また、M系列以外の擬似乱数列を発生する構成であってもよい(ただし、発生される擬似乱数列の波形が高い精度で決定されており、かつ、超伝導回路で構成されている必要がある。)。   The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the pseudo random number generator 22 is not limited to the configuration of FIG. 8 such as the number of stages of the shift register, and other than the M series. It may be configured to generate a pseudo random number sequence (however, the waveform of the generated pseudo random number sequence must be determined with high accuracy and be configured of a superconducting circuit).

本発明は温度標準の高度化や雑音標準に利用できる。また、本発明は抵抗センサに温度係数の小さい精密抵抗を配置した超精密温度計に利用できる。   The present invention can be used for the advancement of temperature standards and noise standards. Further, the present invention can be used for an ultra-precise thermometer in which a precision resistor having a small temperature coefficient is arranged in a resistance sensor.

1 熱雑音温度計
10 抵抗センサ
20 基準雑音電圧発生器
21、21A、21B、21C パルス増倍器
22 擬似乱数列発生器
23、23A、23B ジョセフソン伝送線
24、241 SQUIDアレー
25 基準雑音電圧源チップ
30 スイッチ
40a、40b 増幅器
50a、50b A/D変換器
60 デジタル信号処理部
71 可変カウンタ
72 リング発振器
73、83、85 擬似乱数列
74、84、87 出力増倍磁束量子電圧パルス
81 パルス分配器
82 電圧増倍回路
91 シフトレジスタ
92 排他的論理和回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermal noise thermometer 10 Resistance sensor 20 Reference noise voltage generator 21, 21A, 21B, 21C Pulse multiplier 22 Pseudo random number generator 23, 23A, 23B Josephson transmission line 24, 241 SQUID array 25 Reference noise voltage source Chip 30 Switch 40a, 40b Amplifier 50a, 50b A / D converter 60 Digital signal processing unit 71 Variable counter 72 Ring oscillator 73, 83, 85 Pseudo random number sequence 74, 84, 87 Output multiplication magnetic flux quantum voltage pulse 81 Pulse distributor 82 Voltage multiplier 91 Shift register 92 Exclusive OR circuit

Claims (5)

抵抗センサと、
前記抵抗センサと同等の特性を有する基準雑音電圧を発生する基準雑音電圧発生手段と、
二系統の測定系をそれぞれ経た二つの雑音電圧からデジタル信号処理により測定値を得る測定手段と、
校正時に前記基準雑音電圧発生手段からの基準雑音電圧のみを前記測定手段に供給し、前記二系統の測定系を経た二つの基準雑音電圧の相関を計算して前記測定系の特性を評価させた後、測定時に前記抵抗センサからの測定電圧のみを前記測定手段に供給し、前記二系統の測定系を経た二つの測定電圧を、前記校正時に得た前記相関を用いて補正して測定値を決定させるスイッチ手段と、
を備えた熱雑音温度計であって、
前記基準雑音電圧発生手段は、
計算可能な擬似乱数列を発生する、超伝導デジタル回路技術を用いて構成された擬似乱数列発生器と、
前記擬似乱数列を構成する磁束量子電圧パルス列が所定の乱数値のときに、単位時間当たりの磁束量子数及び電圧軸方向のレベルのどちらか一方又は両方を、外部からの制御信号により可変制御される割合で増加させた磁束量子電圧パルス列を出力するパルス増倍器と、
前記パルス増倍器から出力された前記磁束量子電圧パルス列を、ジョセフソン効果を利用して完全量子化及び重畳して、前記基準雑音電圧として出力する出力回路と、
が同一基板上に形成された構成であることを特徴とする熱雑音温度計。
A resistance sensor;
A reference noise voltage generating means for generating a reference noise voltage having characteristics equivalent to those of the resistance sensor;
A measuring means for obtaining a measured value by digital signal processing from two noise voltages respectively passing through two measuring systems;
At the time of calibration, only the reference noise voltage from the reference noise voltage generation means was supplied to the measurement means, and the correlation between the two reference noise voltages passed through the two measurement systems was calculated to evaluate the characteristics of the measurement system. Thereafter, only the measurement voltage from the resistance sensor is supplied to the measurement means at the time of measurement, and the two measurement voltages that have passed through the two measurement systems are corrected using the correlation obtained at the time of calibration to obtain a measurement value. Switch means for determining;
A thermal noise thermometer comprising:
The reference noise voltage generating means is
A pseudorandom number generator configured using superconducting digital circuit technology to generate a computable pseudorandom number sequence;
When the magnetic flux quantum voltage pulse train constituting the pseudo random number sequence is a predetermined random number value, either or both of the magnetic flux quantum number per unit time and the level in the voltage axis direction are variably controlled by an external control signal. A pulse multiplier that outputs a magnetic flux quantum voltage pulse train increased at a rate of
An output circuit for fully quantizing and superimposing the magnetic flux quantum voltage pulse train output from the pulse multiplier, using the Josephson effect, and outputting the reference noise voltage;
Is a structure formed on the same substrate.
前記出力回路は、
前記パルス増倍器から出力された前記磁束量子電圧パルス列を伝送するジョセフソン伝送線と、
前記ジョセフソン伝送線と磁気結合され、かつ、互いに直列接続された複数の超伝導量子干渉素子からなるSQUIDアレーと、
からなり、前記SQUIDアレーから前記磁束量子電圧パルス列を完全量子化及び重畳した前記基準雑音電圧を出力することを特徴とする請求項1記載の熱雑音温度計。
The output circuit is
A Josephson transmission line for transmitting the magnetic flux quantum voltage pulse train output from the pulse multiplier;
A SQUID array comprising a plurality of superconducting quantum interference elements magnetically coupled to the Josephson transmission line and connected in series with each other;
2. The thermal noise thermometer according to claim 1, wherein the reference noise voltage obtained by fully quantizing and superimposing the magnetic flux quantum voltage pulse train is output from the SQUID array.
熱雑音温度計の測定系の特性に起因する測定誤差を排除するため、校正時に前記測定系に基準雑音電圧を供給する基準雑音電圧発生器であって、
計算可能な擬似乱数列を発生する、超伝導デジタル回路技術を用いて構成された擬似乱数列発生器と、
前記擬似乱数列を構成する磁束量子電圧パルス列が所定の乱数値のときに、単位時間当たりの磁束量子数及び電圧軸方向のレベルのどちらか一方又は両方を、外部からの制御信号により可変制御される割合で増加させた磁束量子電圧パルス列を出力するパルス増倍器と、
前記パルス増倍器から出力された前記磁束量子電圧パルス列を、ジョセフソン効果を利用して完全量子化及び重畳して、前記基準雑音電圧として出力する出力回路と、
が同一基板上に形成された構成であることを特徴とする基準雑音電圧発生器。
A reference noise voltage generator for supplying a reference noise voltage to the measurement system at the time of calibration in order to eliminate measurement errors caused by characteristics of the measurement system of the thermal noise thermometer,
A pseudorandom number generator configured using superconducting digital circuit technology to generate a computable pseudorandom number sequence;
When the magnetic flux quantum voltage pulse train constituting the pseudo random number sequence is a predetermined random number value, either or both of the magnetic flux quantum number per unit time and the level in the voltage axis direction are variably controlled by an external control signal. A pulse multiplier that outputs a magnetic flux quantum voltage pulse train increased at a rate of
An output circuit for fully quantizing and superimposing the magnetic flux quantum voltage pulse train output from the pulse multiplier, using the Josephson effect, and outputting the reference noise voltage;
The reference noise voltage generator is characterized in that is formed on the same substrate.
前記パルス増倍器は、
前記擬似乱数列を構成する前記磁束量子電圧パルス列が入力され、所定のパルス値の時に起動されて一定周期τのパルスを発生する発振手段と、
前記発振手段から出力される前記パルスを計数し、その計数値が前記制御信号により指定された値に達した時に前記発振手段へ発振動作停止信号を供給して発振動作を停止させるカウント手段と、
を備え、前記発振手段から前記磁束量子電圧パルス列の単位時間T0(ただし、T0>τ)当たりの磁束量子数を前記制御信号により可変制御された磁束量子電圧パルス列を出力することを特徴とする請求項3記載の基準雑音電圧発生器。
The pulse multiplier is
The oscillating means that receives the magnetic flux quantum voltage pulse sequence constituting the pseudo random number sequence and is activated at a predetermined pulse value to generate a pulse having a constant period τ;
Counting means for counting the pulses output from the oscillating means and supplying an oscillating operation stop signal to the oscillating means to stop the oscillating operation when the count value reaches a value specified by the control signal;
The magnetic flux quantum voltage pulse train in which the quantum number of magnetic flux per unit time T 0 (where T 0 > τ) of the magnetic flux quantum voltage pulse train is variably controlled by the control signal is output from the oscillation means. The reference noise voltage generator according to claim 3.
前記パルス増倍器は、
互いの出力端子が接続された複数の増幅器からなる電圧増倍回路と、
前記擬似乱数列を構成する前記磁束量子電圧パルス列と前記制御信号とが入力され、入力される前記磁束量子電圧パルス列が所定のパルス値の時に、前記複数の増幅器のうち前記制御信号により指定された一又は二以上の増幅器に前記磁束量子電圧パルスを分配供給するパルス分配器と、
を備え、前記電圧増倍回路から前記磁束量子電圧パルス列の単位時間当たりの電圧軸方向のレベルが前記制御信号により可変制御された磁束量子電圧パルス列を出力することを特徴とする請求項3記載の基準雑音電圧発生器。
The pulse multiplier is
A voltage multiplication circuit comprising a plurality of amplifiers connected to each other's output terminals;
The magnetic flux quantum voltage pulse train constituting the pseudo random number sequence and the control signal are input, and when the input magnetic flux quantum voltage pulse train has a predetermined pulse value, it is designated by the control signal among the plurality of amplifiers. A pulse distributor for distributing the flux quantum voltage pulses to one or more amplifiers;
The magnetic flux quantum voltage pulse train in which the level in the voltage axis direction per unit time of the magnetic flux quantum voltage pulse train is variably controlled by the control signal is output from the voltage multiplication circuit. Reference noise voltage generator.
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