В Украине в 1996 г. был введен в действие государственный эталон единицы массы, в состав которого входят два компаратора: один изготовлен фирмой "Sartorius" (Германия), второй разработан и изготовлен в ХГНИИМ на основе весов фирмы "Rueprecht", а также три эталона единицы массы -гири массой 1 кг цилиндрической формы с высотой и диаметром, равными 54 мм, изготовленные из специальной аустенитной нержавеющей стали. В качестве национального прототипа единицы массы килограмма выбрана гиря № 1, которая воспроизводит, хранит и передает единицу. Гиря № 2 предназначена для контрольных сличений. Гиря № 3 является эталоном-копией и используется для передачи значения единицы массы от государственного первичного эталона рабочим эталонам Украины согласно поверочной схеме [2]. По результатам сличений эталона Украины со стальным эталоном Германии в ноябре 2000 г. действительное значение массы гири № 2 составило 1000,001144 г. Расширенная (к — 2) неопределенность этого значения -30 мкг.
Результаты сличений международного прототипа килограмма с его официальными копиями ("temoins"), выполненных в МБМВ в период с 1989 по 1992 гг. показали, что изменение массы копий относительно прототипа в течение 100 лет не превысило 50 мкг, то есть 5-10 -8 кг [3]. Однако, это значение существенно больше, чем погрешность сличения. Но в настоящий момент не существует методик, позволяющих оценить с достаточной точностью стабильность гирь-прототипов. В настоящее время в метрологии масс ведутся работы по усовершенствованию методов измерений, по более точной оценке влияния условий измерения на результат взвешивания и др. Кроме того, выполняются работы, целью которых является возможность обеспечить независимые наблюдения за стабильностью килограмма с достаточной точностью, что в перспективе даст возможность определить единицу массы с помощью фундаментальных констант.
В табл. 1 приведены результаты экспериментов по воспроизведению единицы массы с помощью фундаментальных констант ведущих метрологических институтов мира [4]. Далее будет представлен краткий обзор этих работ. Интересующимся проблемами воспроизведения единицы массы на основе фундаментальных констант, рекомендуем обратиться к [5].
Таблица 1
|
Название эксперимента |
Фундаментальная константа |
Организация, страна |
Достигнутая погрешность на июнь 2000 г. |
|
Ваттовые весы |
Постоянная Планка h |
NIST (США), NPL (Великобритания), OFMET (Швейцария) |
8•10-8 |
|
Постоянная Авогадро |
Постоянная Авогадро NA |
IMGC (Италия), NRLM (Япония), PTB (Германия) |
3•10-7 |
|
«Левитирующая» масса |
Постоянная Планка h |
NRLM (Япония), ВНИИМ (Россия) |
10-5 10-6 |
|
Накопление ионов золота |
Атомная единица массы |
PTB (Германия) |
10-3 |
Ваттовые весы [6]. Оборудование, используемое в этом эксперименте, первоначально было предназначено для определения электрического ватта, но оказалось подходящим для определения постоянной Планка. Это оборудование включает в себя равноплечие весы, к одному плечу которых присоединена катушка, помещенная во внешнее магнитное поле. Оборудование работает в двух режимах: в первом - сила тока, создаваемая катушкой, уравновешивает гравитационную силу, создаваемую эталоном массы 1 кг, ток измеряется как падение напряжения на квантовом сопротивлении Холла; во втором - катушка перемещается на определенном расстоянии от положения равновесия весов с постоянной скоростью, измеряемой лазерным интерферометром. В этом режиме измеряется наведенное напряжение в единицах, воспроизводимых на основе эффекта Джозефсона. При этом формула для постоянной Планка будет иметь следующий вид:
где f1 , f2- микроволновая частота переходов ячейки Джозефсона в первом и втором режимах.
Точность определения значения единицы массы, достигнутая с помощью этого метода, приведена в табл. 1.
Постоянная Авогадро [7]. С помощью постоянной Авогадро /VA можно установить взаимосвязь между атомной или молекулярной массой и единицей массы - килограммом:
,
где М - молярная масса кремниевого артефакта, кг; V- объем кремниевого артефакта; т - масса кремниевого артефакта, кг; Ко - объем кристаллической ячейки кремниевого артефакта; п - число атомов в ячейке кремниевого артефакта.
Объем кристаллической ячейки VQвычисляется по результатам измерения постоянной решетки монокристалла, которое осуществляется с помощью оптико-рентгеновского интерферометра.
Для определения значения молярной массы М используются специальные химические операции и масс-спектрометрические измерения.
Объем артефакта определяется с помощью интерферометрических методов измерений.
В результате осуществления международного Авогадро-проекта было получено значение постоянной Авогадро с относительной погрешностью 4-10-7.
''Левитирующая" масса [8]. Этот эксперимент связан с понятием кванта магнитного потока и постоянной Планка. Экспериментальное оборудование, включая сверхпроводящую катушку, создающую магнитное поле, в котором "левитирует" сверхпроводящее тело, и вольтовая ячейка Джозефсона находятся при криогенных температурах. Когда масса тела уравновешена магнитным полем катушки и имеет место эффект Мейснера, электрическая энергия, приложенная к катушке, полностью преобразовывается в электромагнитную энергию катушки и гравитационную потенциальную энергию "левитирующего" тела. Увеличение магнитного потока вызывает смещение положения тела на определенную высоту, то есть изменение гравитационной потенциальной энергии вызывает соответствующее изменение магнитной энергии.
Недостатком этого метода является ограничение точности, связанное с изменением массы, которое обусловлено сорбционными эффектами при изменении значений температуры от нормальных до криогенных.
Накопление ионов золота [1, 4]. Этот эксперимент заключается в прямом измерении атомной массы нуклона та в килограммах. Экспериментальное оборудование состоит из источника ионов (ИИ), сепаратора массы (СМ), накопителя ионов (НИ) и массокомпаратора (МК). Сформированный ИИ пучок ионов в вакууме проходит через СМ, который выделяет ионы золота с атомной массой 197. Затем эти ионы накапливаются в НИ и взвешиваются МК. Измеряется также ток, создаваемый ионами l{t) во время накопления. Ток ионов /(г) измеряется с помощью падения напряжения Uна сопротивлении R. Поскольку для измерения Uи Rиспользуются эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла, то атомная масса та измеряется непосредственно в килограммах и является функцией накопленной массы, микроволновой частоты f(t) излучения, испускаемого ячейкой Джозефсона, и времени накопления tm. В настоящее время создан ток золотых ионов величиной 10 мА, что позволяет в течение 6-ти дней получить массу, равную 10 г. К 2007 г. предполагается воспроизвести значение единицы массы с погрешностью не более 10 -8 кг.
ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.