Эти результаты будут способствовать международному усилию пересмотреть kelvin, международную единицу температуры, и могли привести к лучшим термометрам для промышленности.Точное измерение температуры очень важно для любого производственного процесса, который требует определенных температур, таких как производство стали.
Это также важно для реакторов ядерной энергии, которые требуют точных термометров, которые не разрушены радиацией и не должны регулярно заменяться человеческими рабочими.«Мы живем с температурой каждый день», сказал Сэмюэль Бенз, лидер группы исследовательской группы NIST, связанной с новыми результатами. «Текущие измерения, которые определяют kelvin, в 100 раз менее точны, чем измерения, определяющие единицы для массы и электричества». Килограмм известен частям за миллиард, в то время как kelvin только известен части в миллионе.В конце 2018 представители стран во всем мире, как ожидают, будут голосовать по тому, пересмотреть ли международную систему единиц, известных как СИ, на Генеральной конференции по Весам и Мерам во Франции.
Когда осуществлено в 2019, новая СИ больше не полагалась бы на физические объекты или вещества, чтобы определить единицы измерения. Вместо этого новая СИ была бы основана на константах природы, таких как Постоянная Больцмана, которая зависит существенно от квантовой механики, теория, которая описывает вопрос и энергию в уровне атомов.Чтобы определить kelvin, ученые в настоящее время измеряют тройной пункт воды в запечатанной стеклянной клетке. Тройной пункт – температура, при которой вода, лед и водяной пар существуют в равновесии.
Это соответствует 273.16 kelvins (0,01 градуса Цельсия или 32,0 градуса по Фаренгейту). kelvin определен как 1/273.16 измеренной температурной стоимости.У этого метода есть недостатки. Например, химические примеси в воде могут медленно понижать температуру клетки со временем. Исследователи должны также сделать исправления из-за присутствия различных изотопов воды (т.е., имея то же самое количество протонов, но различные числа нейтронов).
И измерения при температурах выше или ниже, чем тройной пункт воды неотъемлемо менее точны.«Определяя kelvin с точки зрения Постоянной Больцмана, у Вас не должно быть этих изменений в неуверенности, и Вы можете использовать механические квантом эффекты», сказал Натан Флауэрс-Джейкобс, ведущий автор статьи о новом измерении NIST, принятом для публикации в журнале Metrologia.Для Постоянной Больцмана, чтобы быть достаточно хорошими, чтобы пересмотреть kelvin, есть два требования, установленные международной группой, отвечающей за проблему, известную как Консультативный Комитет по Термометрии Международного комитета Весов и Мер. Должно быть одно экспериментальное значение с относительной неуверенностью ниже 1 части за миллион – и по крайней мере одно измерение от второй техники с относительной неуверенностью ниже 3 частей за миллион.
Таким образом, исследователи преследовали множество методов для измерения Постоянной Больцмана. Самый точный метод остается измерениями акустических свойств газа. 1988 результатов NIST привели к стоимости, известной лучше, чем 2 части за миллион, и более свежие измерения достигли меньше чем 1 части за миллион. Ученые во всем мире создали множество других методов, включая, которые измеряют другие свойства газов.
«Важно сделать это измерение с многочисленными методами, которые полностью отличаются», сказал Бенз. «Также важно, чтобы для каждого метода Вы сделали многократные измерения».Совершенно другой подход – техника, которая не полагается на обычные газы, но вместо этого главным образом, на электрических измерениях. Техника измеряет степень случайного движения – «шума» – электронов в резисторе.
Этот «шум Джонсона» непосредственно пропорционален температуре электронов в резисторе – и Постоянная Больцмана. Прошлые измерения шума Джонсона были изведены проблемой измерения крошечных напряжений с точностью частей за миллион; эта проблема усилена шумом Джонсона самого измерительного оборудования.Чтобы решить эту проблему, исследователи NIST в 1999 развивали «квантовый источник шума напряжения» (QVNS) как ссылка напряжения для Johnson Noise Thermometry (JNT).
QVNS использует устройство сверхпроводимости, которое, как известно как соединение Джозефсона, обеспечило сигнал напряжения, который существенно точен, поскольку его свойства основаны на принципах квантовой механики. Исследователи сравнивают сигнал QVNS с шумом напряжения, созданным случайными движениями электронов в резисторе. Таким образом исследователи могут точно измерить шум Джонсона – и Постоянная Больцмана.
В 2011 группа начала издавать измерения Постоянной Больцмана с этой техникой и сделала улучшения с тех пор. По сравнению с измерениями 2011 года новые результаты NIST в 2.5 раза более точны с относительной неуверенностью приблизительно в 5 частях за миллион.Согласно Цветам-Jacobs, улучшение прибыло из лучшего ограждения экспериментальной области от случайного электрического шума и модернизаций электроники. Исследователи выполнили тщательный анализ «взаимной корреляции», в котором они сделали два набора измерений каждым шумом Джонсона и квантовым источником шума напряжения, чтобы отклонить другие шумовые источники от измерения.
Другие факторы включали увеличение размера резистора для большего источника шума Джонсона и лучшего ограждения между различными каналами измерения для двух наборов измерений.NIST также внес экспертные знания, а также квантовый источник шума напряжения к новому измерению Больцманна в Национальном Институте Метрологии в Китае. Частично благодаря превосходной изоляции от шумовых источников у этого измерения есть относительная неуверенность в 2,8 частях за миллион, удовлетворяя второе требование для пересмотренного kelvin.
Этот новый результат был также принят для публикации в Metrologia.«Это были очень совместные, международные усилия», сказал Бенз. Германия также начала усилие развивать термометрию шума Джонсона для распространения основного стандарта для термометрии.
«Все данные будут включены» в определение новой стоимости Постоянной Больцмана, сказал Хорст Рогалла, лидер Проекта Термометрии Шума NIST Джонсона. «Важный момент – условие для пересмотра kelvin, был выполнен».Вне новой СИ у устройств на основе термометрии Джонсона есть потенциал для того, чтобы использоваться непосредственно в промышленности, включая в ядерных реакторах. «В данный момент мы используем его, чтобы определить kelvin, но впоследствии, мы будем использовать его в качестве превосходного термометра», сказал Рогалла.