Баланс кусков - Kibble balance

NIST -4 Kibble баланс, который начал полноценную работу в начале 2015 года, измеряется постоянная Планка в пределах 13 частей на миллиард в 2017 году, который был достаточно точным , чтобы помочь с 2019 переопределение на килограмм .

Кибла баланс представляет собой электромеханический измерительный прибор , который измеряет вес тестируемого объекта очень точно с помощью электрического тока и напряжения , необходимых для производства компенсирующего усилия. Это метрологический прибор, который может определять килограмм единицы массы на основе фундаментальных констант.

Первоначально он назывался ваттным балансом, потому что вес тестовой массы пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах . В июне 2016 года, через два месяца после смерти своего изобретателя, Bryan Kibble , метрологи в Консультативном комитете по Единицам в Международном комитете по мерам и весам согласились переименовать устройство в его честь.

До 2019 года определение килограмма основывалось на физическом объекте, известном как Международный прототип килограмма (IPK). После рассмотрения альтернатив в 2013 году Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) согласовала критерии точности для замены этого определения одним, основанным на использовании весов Kibble. После того, как эти критерии были выполнены, 16 ноября 2018 г. CGPM единогласно проголосовала за изменение определения килограмма и нескольких других единиц , вступившего в силу 20 мая 2019 г., чтобы приурочить его к Всемирному дню метрологии .

Дизайн

Прецизионные весы Ампера в Национальном бюро стандартов США (ныне NIST ) в 1927 году. Катушки тока видны под балансом, прикрепленным к правому рычагу баланса. Весы Kibble являются развитием весов Ampere.

Весы Киббла - это более точная версия баланса ампер , раннего прибора для измерения тока, в котором измеряется сила между двумя токоведущими катушками проволоки, а затем используется для расчета величины тока. Весы Kibble работают в противоположном смысле; ток в катушках измеряется с использованием определения постоянной Планка для «измерения массы без обращения к IPK или любому физическому объекту». Весы определяют вес объекта; то масса вычисляются путем точного измерения локальной гравитации Земли (чистое ускорения комбинирования гравитационных и центробежных эффектов) с гравиметром . Таким образом, масса объекта определяется через ток и напряжение - «электронный килограмм».

Источник

Принцип, который используется в весах Киббла, был предложен Брайаном Кибблом из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в 1975 году для измерения гиромагнитного отношения .

Основным недостатком метода баланса ампер является то, что результат зависит от точности измерения размеров катушек. Весы Kibble используют дополнительный шаг калибровки, чтобы нейтрализовать влияние геометрии катушек, устраняя основной источник неопределенности. Этот дополнительный шаг включает перемещение силовой катушки через известный магнитный поток с известной скоростью. Впервые этот шаг был выполнен в 1990 году.

Весы Kibble, полученные из Национальной физической лаборатории, были переданы Национальному исследовательскому совету Канады (NRC) в 2009 году, где ученые из двух лабораторий продолжили совершенствовать прибор. В 2014 году исследователи NRC опубликовали самое точное на то время измерение постоянной Планка с относительной погрешностью 1,8 × 10 - 8 . Заключительный документ исследователей NRC был опубликован в мае 2017 года, в котором представлены результаты измерения постоянной Планка с погрешностью всего 9,1 частей на миллиард, измерения с наименьшей погрешностью на тот момент. Другие эксперименты с весами Киббла проводятся в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), Швейцарском федеральном метрологическом управлении (METAS) в Берне, Международном бюро мер и весов (BIPM) недалеко от Парижа и в Национальной лаборатории метрологии и др. 'essais (LNE) в Трапе , Франция.

Принцип

Провод длиной L, по которому проходит электрический ток I, перпендикулярный магнитному полю с напряженностью B, испытывает силу Лоренца, равную произведению этих переменных. В весах Kibble сила тока изменяется так, что эта сила противодействует весу w измеряемой массы m . Этот принцип основан на балансе ампер. w определяется массой m, умноженной на местное ускорение свободного падения g . Таким образом,

Весы Kibble позволяют избежать проблем с измерением B и L на втором этапе калибровки. Тот же провод (на практике катушка) перемещается через то же магнитное поле с известной скоростью v . По закону электромагнитной индукции Фарадея , разность потенциалов U генерируется на концах проволоки, которая равна BLV . Таким образом

Неизвестный продукт BL можно исключить из уравнений и получить

При точном измерении U , I , g и v это дает точное значение для m . Обе стороны уравнения имеют размеры мощности , измеряемые в ваттах по Международной системе единиц; отсюда и первоначальное название «баланс ватт».

Реализация

Режим взвешивания
Режим движения

Весы Kibble сконструированы таким образом, что измеряемая масса и катушка с проволокой подвешены с одной стороны весов, а противовес - с другой. Система работает в двух режимах: «взвешивание» и «перемещение». Вся механическая подсистема работает в вакуумной камере для устранения эффекта плавучести воздуха.

Во время «взвешивания» система измеряет составляющую «I» и составляющую «v». Система контролирует ток в катушке, протягивая катушку через магнитное поле с постоянной скоростью «v». Схема измерения положения катушки и скорости использует интерферометр вместе с входом точных часов для определения скорости и управления током, необходимым для ее поддержания. Требуемый ток измеряется с помощью амперметра, состоящего из эталона напряжения на переходе Джозефсона и интегрирующего вольтметра.

Во время «движения» система измеряет «U» составляющую. Система перестает подавать ток на катушку. Это позволяет противовесу тянуть катушку (и массу) вверх через магнитное поле, что вызывает разность напряжений на катушке. Схема измерения скорости измеряет скорость движения катушки. Это напряжение измеряется с помощью того же эталона напряжения и интегрирующего вольтметра.

Типичные весы Киббла измеряют U, I и v, но не измеряют локальное гравитационное ускорение «g», потому что «g» не меняется быстро со временем. Вместо этого «g» измеряется в той же лаборатории с помощью высокоточного и точного гравиметра . Кроме того, баланс зависит от высокоточного и точного эталона частоты, такого как атомные часы, для вычисления напряжения и силы тока. Таким образом, точность измерения массы зависит от весов Киббла, гравиметра и часов.

Как и первые атомные часы, первые весы Киббла были единственными в своем роде экспериментальными устройствами: большими, дорогими и хрупкими. По состоянию на 2019 год ведется работа по производству стандартизированных устройств по ценам, позволяющим использовать их в любой метрологической лаборатории, где требуется высокоточное измерение массы.

Примерно с 2003 года демонстрируются не только большие весы Kibble, но и микроваттные весы или весы MEMS (теперь называемые весами Kibble). Они изготавливаются на одиночных кремниевых кристаллах, подобных тем, которые используются в микроэлектронике и акселерометрах, и способны измерять небольшие силы в Диапазон от наноньютона до микроньютона прослеживается до физических констант, определенных в системе СИ, с помощью электрических и оптических измерений. Из-за своего небольшого размера весы MEMS Kibble обычно используют электростатические силы, а не индуктивные силы, которые используются в более крупных инструментах. Также были продемонстрированы боковые и торсионные варианты, основное применение (по состоянию на 2019 год) - калибровка атомно-силового микроскопа .

Измерения

Точные измерения электрического тока , и разность потенциалов выполнены в обычных электрических единицах (а не единицы СИ), которые основаны на фиксированные « обычные значения » из константы Джозефсона и константе фона Клитцинга , и соответственно. Текущие эксперименты с балансом Киббла эквивалентны измерению значения условного ватта в единицах СИ. По определению условного ватта, это эквивалентно измерению значения продукта K J 2 R K в единицах СИ вместо его фиксированного значения в обычных электрических единицах:

Важность таких измерений заключается в том, что они также являются прямым измерением постоянной Планка h :

Принцип электронного килограмма основан на значении постоянной Планка, которая по состоянию на 2019 год является точным значением. Это похоже на метр , определяемый скоростью света . С точно определенной константой весы Киббла не являются инструментом для измерения постоянной Планка, а вместо этого являются инструментом для измерения массы:

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки