Криогенный компаратор тока (ККО) используется в электротехнических измерениях для сравнения электрических токов с высокой точностью. Точность этого устройства на несколько порядков превосходит точность других существующих компараторов. В электрометрологии он используется для точных сравнительных измерений электрического сопротивления, а также для усиления и измерения чрезвычайно малых электрических токов.
Принцип работы ККО восходит к методу Харви () и в значительной степени основан на свойствах сверхпроводников. В ККО-технологиях используются макроскопические квантовые эффекты, возникающие в сверхпроводящих материалах или цепях при температурах ниже их критической температуры, обычно составляющей несколько кельвинов. Термин «криогенный токовый компаратор» происходит от слов κρυος (греч. frost, ice) и comparare (лат. compare). В ККО используются два квантовых эффекта: идеальный диамагнетизм сверхпроводника, вызванный эффектом Мейснера, и макроскопическая квантовая интерференция токов в сверхпроводящем квантовом сенсоре.
Для сравнения двух токов, они подаются через два провода, которые проходят через сверхпроводящую трубку. Эффект Мейснера индуцирует экранирующий ток на внутренней поверхности трубки, протекающий в противоположном направлении и имеющий величину, равную сумме токов внутри трубки. Таким образом, этот экранирующий ток точно компенсирует магнитное поле внутри трубки, создаваемое токами в проводах. Экранирующий ток протекает обратно по внешней поверхности трубки, создавая магнитное поле в помещении за пределами трубки. Это поле регистрируется высокочувствительным магнитометром, выступающим в качестве детектора нуля. Таким образом, сигнал этого детектора является мерой равенства токов; в частности, он равен нулю, если два тока имеют точно одинаковую величину. Важным и ключевым моментом, характеризующим ККО, является то, что величина экранирующего тока и его распределение по поверхности сверхпроводящего экрана не зависят от положения и траектории проводов внутри трубки.
Для ККО типичным является использование СКВИД-магнитометра в качестве детектора нуля магнитного поля. Эти устройства способны обнаруживать чрезвычайно малые изменения магнитного поля, соответствующие долям кванта магнитного потока = h/2e ≈ (где h — постоянная Планка, а e — элементарный заряд). Принцип работы СКВИДа основан на макроскопической квантовой интерференции электрических токов, возникающих в сверхпроводящих цепях (петлях) с туннельными переходами.
Мостовое сопротивления на основе криогенного компаратора тока используются для сравнения электрических сопротивлений, в частности, если требуются измерения с высочайшей точностью, поскольку обеспечивается прослеживаемость единицы сопротивления до квантового эффекта Холла (КЭХ). Таким образом, измерения, соединяющие стандартные резисторы в диапазоне от 1 до 10 кОм к резистору КЭХ 12,9 кОм проводятся в нескольких национальных институтах метрологии, таких как, например, Национальный институт стандартов и технологий (NIST, США) или Федеральный физико-технический институт (PTB, Германия) . Здесь сравнение электрического сопротивления с использованием ККО осуществляется с относительной погрешностью измерений всего около 10⁻⁹.
Примечания
Ссылки J.M. Williams Cryogenic current comparators and their application to electrical metrology, 2011, doi:10.1049/iet-smt.2010.0170 Категория:Радиоизмерительные приборы