成果報告書詳細
管理番号100013570
タイトル平成17年度-平成19年度成果報告書 国際共同研究助成事業 2005IS034 次世代交流電圧標準の開発 平成19年度最終
公開日2009/4/24
報告書年度2005 - 2007
委託先名東海林彰 佐々木仁 山森弘毅 中村安宏 藤木弘之 Ilya BUDOVSKY Dimitrios GEORGAKOPOULOS Thomas HAGEN
プロジェクト番号P88001
部署名研究開発推進部
和文要約量子効果に基づいた次世代の交流電圧標準を開発するために、本研究プロジェクトにおいて、我々は、二つの出力を持つプログラマブル・ジョセフソン電圧標準素子(双出力PJVS素子、Dual-OutputProgrammableJosephsonVoltageStandardChip、DO-PJVSチップ)と二つのヒータを持つ熱電変換器(双ヒータ熱電変換素子、Dual-HeaterThermalVoltageConverter、DH-TVC)を用いる交流電圧実効値の二つの新しい測定法、90度位相差法とビート法を提案した。本共同研究を成就させるために、三つのサブチーム、PJVSチーム、TVCチーム、及びMSチームが組織された。前の2つのチームは産業技術総合研究所(AIST)のメンバーによって、最後の1チームはオーストラリア国立標準研究所(NMIA)のメンバーによって構成された。プロジェクトの1年目に、PJVSチームは、1チャンネル当たり1Vの最大電圧を持つ10-bitのDO-PJVSchipを設計し、作製した。さらに、作製されたチップが大きい動作マージン(>1mA)を持つことを実験的に示した。TVCチームは、MSチームと共同でDH-TVCの設計を行い、ニッコーム株式会社との共同研究によって素子を作製した。作製されたDHTVCの性能は、産業技術総合研究所の一研究部門である計量標準総合センター(NationalMetrologyInstituteofJapan、NMIJ)の1次標準との比較測定により評価された。MSチームは、ビート法の理論的研究を行い、この方法を用いることによって、10の-6乗より良い不確かさで、10Hzから10kHzの周波数を持つ交流電圧の実効値の測定が可能であることを予測した。プロジェクトの2年目に、PJVSチームは、1チャンネル当たり2Vの最大電圧を持つ10-bitのDO-PJVSchipを設計し、作製した。また、それらの作製イールド及び動作マージンの研究を行った。TVCチームは、1V出力のDO-PJVSチップとDH-TVCを用いる90度位相差法の測定システムを成功裏に開発した。MSチームは、プログラマブル・ジョセフソン・デジタル/アナログ変換器を用いてDC及びAC電圧を生成するための測定システムの開発を行った。同チームは、また、ビート法に基づく測定システムの構築を行った。プロジェクトの3年目(最終年度)に、PJVSチームは、様々な作製条件を調べることにより、PJVSチップの作製に用いられているSiO2膜の剥離が絶縁された電極間のショートを引き起こしていることを発見した。その結果として、PJVSチップの作製歩留まりを改善することに成功した。TVCチームは、90度位相差法を用いて、DH-TVCのAC-DC変換誤差の周波数依存性を評価した。その結果として、DH-TVCのAC-DC変換誤差は1Hzから10Hzの範囲において10の-6乗以下であることを見出した。MSチームは、ビート法に基づいて構築した測定システムの不確かさが、40Hzで0.4uV/Vのオーダであることを確認した。MSチームはさらに、AISTデザインのDH-TVCを採用することにより、1kHzまで0.5uV/Vの不確かさが得られることを実証した。
英文要約In order to develop a next-generation AC Voltage Standard that is based on quantum effects, in this research project, we proposed two new measurement methods of root-mean square (RMS) values of AC voltages, the 90-degree addition method and the beat method, in each of which a programmable Josephson voltage standard chip with dual outputs (DO-PJVS chips) and a thermal voltage converters with dual heaters (DH-TVCs) are used as the key elements. To accomplish this joint research project, three sub-teams were organized: the Programmable Josephson Voltage Standard chip development team (the PJVS team), the Thermal Voltage Converter development team (the TVC team), and the Measurement System development team (the MS team). The former two teams were organized by the members of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) and the last one by the members of National Measurement Institute, Australia (NMIA). In the first project year, the PJVS team designed and fabricated 10-bit DO-PJVS chips having the maximum voltage of 1V for each channel of the chip. They also experimentally showed that fabricated chips can be operated with large operating margins (>1mA). The TVC team designed DH-TVCs in cooperation with the MS team and fabricated them through the collaboration with Nikkohm Co. Ltd. The performance of a fabricated DH-TVC was evaluated by a comparison measurement with the primary standard of the National Metrology Institute of Japan (NMIJ) that is an organization belonging to AIST. The MS team theoretically investigated the beat method and predicted that by using the method RMS values of AC voltages with frequencies in the range of 10Hz to 10kHz can be measured with uncertainty better than 1 x 10 to the -6. In the second project year, the PJVS team designed and fabricated 10-bit DO-PJVS chips having the maximum output voltage of 2V for each channel, and investigated their fabrication yield and operating margin. The TVC team successfully developed the measurement system for the 90-degree addition method, using the 1-Volt DO-PJVS chip and the DH-TVC. The MS team developed a measurement system at NMIA for the generation of precision DC and AC voltages using a programmable Josephson digital to analog converter. The team also constructed a measurement system based on the beat method. In the third project year (the last project year), the PJVS team improved the fabrication yield of the 10-bit DO-PJVS chips having the maximum output voltage of 2V by examining various fabrication conditions. As a result, they found that delamination of the isolation layer of SiO2 in the chips caused a short circuit problem and finally succeeded to improve the problem. Using the 90-degree addition method, the TVC team evaluated the frequency dependence of the AC-DC transfer difference for a DH-TVC. As a result, they found that the AC-DC transfer difference of the DH-TVC was smaller than 10 to the -6 in the frequency range between 1Hz and 10Hz.
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