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免液態氦電量校正原級標準系統建置

                                                                                                                                                                                                    2020年11月

國家度量衡標準實驗室(NML)建置之電量校正原級標準系統包含約瑟夫森電壓(PJVS)系統與量化霍爾電阻(QHR)系統,而PJVS系統所使用的標準電壓晶片與QHR系統所使用的標準電阻元件皆採用超導體材質製作,故須在極低溫的環境下運作。若採用一般的傳統方式,須以液態氦將系統晶片與元件降溫4 K (約- 270 °C)的低溫。因此,以QHR系統為例,操作者須於每次實驗前將外購儲存桶內之液態氦以傳輸管充填至系統之低溫腔體內,液態氦充填過程中須嚴格依照標準操作程序並配戴耐低溫手套、護目鏡以及含氧量偵測器。對於操作不熟悉的人員或過程中稍有疏忽,易造成液態氦外洩、濺灑而造成人員凍傷或缺氧昏迷等工安事故之發生。

另外,鑒於地球氦氣資源逐年減少(氦氣蘊藏於岩石深處),未來終有耗盡之虞,低溫環境用之液態氦亦將因此匱乏。有鑑於此,NML採用先進的免液態氦冷凍機系統來取代傳統液態氦的使用,並完成免液態氦電量校正原級標準系統的建置。該具備高安全性設計之冷凍機系統運作原理為藉由空壓機將其內部儲存之高壓氦氣(壓力約17 bar)透過10公尺長的輸出管路傳送至系統端的冷凍頭(Coldhead),之後再循著10公尺長的回收管路將高壓氦氣回收至空壓機儲存槽,如此作高壓氦氣的循環運用。其中,冷凍頭將執行兩階段式的降溫程序,第一階段降溫的主要功能是冷卻低溫恆溫器(Cryostat)的溫度並預冷系統須使用的循環氦氣,該區溫度約40 K。接著,第二階段則是進行系統標準電壓晶片或標準電阻元件之工作腔體的降溫程序,將該工作腔體之循環氦氣冷凝成液態氦,如此讓系統降溫至4 K的低溫,且溫度變異範圍可控制在 ± 0.003 K,以符合量測需求。此創新作法不但不會消耗地球寶貴資源,更可免除操作員需於實驗前,作額外的液態氦充填程序,系統整體操作上能降低因使用傳統液態氦而易造成之人員凍傷與缺氧窒息而昏迷等工安事故風險。

此外,實驗室另已完成QHR系統之噪音降低設計與製作,以更符合工作場所之噪音管制標準(小於80分貝),讓系統操作人員處於更舒適的工作環境。建置免液態氦電量校正原級標準系統,具有以下的具體效益:

一、電量校正原級標準系統皆採用先進的免液態氦冷凍機系統來取代傳統液態氦的使用,每年共可節省約230萬的液態氦耗用經費。

二、以QHR系統為例,採用先進的免液態氦冷凍機系統來取代傳統液態氦之創新作法,除了可以大幅提升人員操作上的安全性之外,更能縮短系統整體的降溫時間,從原本需花費4個工作天才能降至4 K的低溫,現可縮短至只需1個工作天即可進行低溫量測實驗,有效提高工作效率。

三、使我國電量校正原級標準系統相關技術研發達到與美、日、德等先進國家計量院同步的目標。2020年1月NML與美國國家標準與技術研究院(NIST)完成兩套PJVS系統之間的電壓直接比對。其中,NIST的Portable PJVS系統是採用液態氦冷卻,而NML的Cryocooler PJVS系統則是採用免液態氦冷卻。從比對結果可知,兩套系統在1.018 V量測時的電壓差值為-0.10 nV;而在10 V量測時的電壓差值為-0.07 nV,兩套PJVS系統具極佳的量測一致性。

四、以「約瑟夫森電壓標準」與「量化霍爾電阻標準」經歐姆定律導出電流來實現安培定義,可建立符合產業需求並與新定義(New SI Units)接軌之電流標準,並與國際接軌。【2019.05.20國際基本單位新定義正式實施】

五、強化我國電量原級標準技術研發能量並滿足國內產業之精密校正需求,同時亦可協助國外國家標準實驗室建立量化原級標準(如巴西、馬來西亞),藉此提升我國計量技術國際地位。

PJVS V

NML建置之免液態氦約瑟夫森電壓系統

PJVS R

NML建置之免液態氦量化霍爾電阻系統

 

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  • 網站最新更新日期 : 2021/10/27
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