Весы Киббла (ранее также известные как ватт-весы ) — это электромеханический измерительный прибор , который очень точно измеряет вес тестируемого объекта с помощью электрического тока и напряжения, необходимых для создания компенсирующей силы. Это метрологический прибор, который может реализовать определение килограммовой единицы массы на основе фундаментальных констант . [1] [2]
Первоначально он был известен как ватт-весы, потому что вес тестового груза пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах . В июне 2016 года, через два месяца после смерти его изобретателя Брайана Киббла , метрологи Консультативного комитета по единицам Международного комитета мер и весов согласились переименовать устройство в его честь. [3] [4]
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 определением, основанным на использовании весов Киббла. После того, как эти критерии были достигнуты, CGPM единогласно проголосовала 16 ноября 2018 года за изменение определения килограмма и нескольких других единиц , вступающее в силу 20 мая 2019 года, чтобы совпасть с Всемирным днем метрологии . [3] [5] [6] [7] [8] Существует также метод, называемый джоулевым балансом. Все методы, которые используют фиксированное численное значение постоянной Планка , иногда называют балансом Планка.
Весы Киббла — это более точная версия амперных весов , раннего прибора для измерения тока , в котором измеряется сила между двумя токонесущими катушками проволоки, а затем используется для расчета величины тока. Весы Киббла работают в противоположном смысле; ток в катушках устанавливается очень точно постоянной Планка , а сила между катушками используется для измерения веса тестовой массы килограмма. Затем масса вычисляется из веса путем точного измерения локальной силы тяжести Земли (чистого ускорения, объединяющего гравитационные и центробежные эффекты) с помощью гравиметра . Таким образом, масса объекта определяется в терминах тока и напряжения , что позволяет устройству «измерять массу без обращения к IPK ( международному прототипу килограмма ) или любому физическому объекту». [9]
Принцип, используемый в весах Киббла, был предложен Брайаном Кибблом (1938-2016) из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в 1975 году для измерения гиромагнитного отношения . [10] В 1978 году в NPL совместно с Яном Робинсоном и Рэем Смитом были построены ваттные весы Mark I. [11] [12] Они работали до 1988 года. [13]
Основной недостаток метода баланса Ампера заключается в том, что результат зависит от точности измерения размеров катушек. Весы Киббла используют дополнительный шаг калибровки для отмены эффекта геометрии катушек, устраняя основной источник неопределенности. Этот дополнительный шаг включает перемещение силовой катушки через известный магнитный поток с известной скоростью. Это стало возможным благодаря установке обычных значений константы фон Клитцинга и константы Джозефсона , которые используются во всем мире для калибровки напряжения и сопротивления. Используя эти принципы, в 1990 году Брайан Киббл и Ян Робинсон изобрели весы Kibble Mark II, которые используют круглую катушку и работают в условиях вакуума. [14] Брайан Киббл работал с Яном Робинсоном и Джанет Беллисс, чтобы построить эту версию весов Mark Two. Эта конструкция позволяла проводить измерения, достаточно точные для использования при переопределении единицы массы СИ: килограмма. [15]
Весы Киббла, созданные в Национальной физической лаборатории, были переданы в Национальный исследовательский совет Канады (NRC) в 2009 году, где ученые из двух лабораторий продолжили совершенствовать инструмент. [16] В 2014 году исследователи NRC опубликовали наиболее точное на тот момент измерение постоянной Планка с относительной погрешностью 1,8 × 10−8 . [17] Окончательная статья исследователей NRC была опубликована в мае 2017 года, в ней представлено измерение постоянной Планка с погрешностью всего 9,1 частей на миллиард, измерение с наименьшей погрешностью на тот момент. [18] Другие эксперименты с весами Киббла проводятся в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), Швейцарском федеральном управлении метрологии (METAS) в Берне, Международном бюро мер и весов (BIPM) недалеко от Парижа и Национальной лаборатории метрологии и исследований (LNE) в Траппе , Франция. [19]
Проводник длиной , по которому течет электрический ток перпендикулярно магнитному полю напряженностью, испытывает силу Лоренца, равную произведению этих переменных. В весах Киббла ток изменяется таким образом, что эта сила противодействует весу измеряемой массы. Этот принцип выведен из весов Ампера. определяется массой, умноженной на локальное ускорение силы тяжести . Таким образом,
Весы Киббла позволяют избежать проблем измерения и на втором этапе калибровки. Тот же провод (на практике катушка) перемещается через то же магнитное поле с известной скоростью . По закону индукции Фарадея на концах провода создается разность потенциалов , равная . Таким образом
Неизвестный продукт можно исключить из уравнений, получив
При , , , и точном измерении это дает точное значение для . Обе стороны уравнения имеют размерность мощности , измеренную в ваттах в Международной системе единиц; отсюда и первоначальное название «ваттный баланс». Произведение , также называемое геометрическим фактором, не является тривиально равным на обоих этапах калибровки. Геометрический фактор постоянен только при определенных условиях стабильности на катушке. [1]
Весы Киббла сконструированы таким образом, что измеряемая масса и катушка проволоки подвешены с одной стороны весов, а противовесная масса — с другой. Система работает попеременно в двух режимах: «взвешивание» и «перемещение». Вся механическая подсистема работает в вакуумной камере для устранения эффектов воздушной плавучести. [20]
При «взвешивании» система измеряет и . Система управляет током в катушке, чтобы протянуть катушку через магнитное поле с постоянной скоростью . Схема измерения положения и скорости катушки использует интерферометр вместе с прецизионным тактовым входом для определения скорости и управления током, необходимым для ее поддержания. Требуемый ток измеряется с помощью амперметра , включающего стандарт напряжения на джозефсоновском переходе и интегрирующий вольтметр.
Во время «движения» система измеряет . Система прекращает подачу тока в катушку. Это позволяет противовесу тянуть катушку (и массу) вверх через магнитное поле, что вызывает разницу напряжений на катушке. Схема измерения скорости измеряет скорость движения катушки. Это напряжение измеряется с использованием того же стандарта напряжения и интегрирующего вольтметра.
Типичные весы Киббла измеряют , , и , но не измеряют локальное гравитационное ускорение , поскольку оно не меняется быстро со временем. Вместо этого измеряется в той же лаборатории с использованием высокоточного и точного гравиметра . Кроме того, весы зависят от высокоточного и точного эталона частоты, такого как атомные часы, для вычисления напряжения и тока. Таким образом, точность и достоверность измерения массы зависят от весов Киббла, гравиметра и часов.
Как и ранние атомные часы, ранние весы Киббла были уникальными экспериментальными устройствами, большими, дорогими и хрупкими. По состоянию на 2019 год ведутся работы по производству стандартизированных устройств по ценам, позволяющим использовать их в любой метрологической лаборатории, требующей высокоточного измерения массы. [21]
Наряду с большими весами Kibble, примерно с 2003 года были продемонстрированы микроизготовленные или MEMS- ваттные весы (теперь называемые весами Kibble) [22]. Они изготавливаются на отдельных кремниевых кристаллах, подобных тем, которые используются в микроэлектронике и акселерометрах, и способны измерять небольшие силы в диапазоне от наноньютонов до микроньютонов, прослеживаемые до физических констант, определенных в системе СИ, с помощью электрических и оптических измерений. Из-за своего малого масштаба MEMS-весы Kibble обычно используют электростатические, а не индуктивные силы, используемые в более крупных приборах. Также были продемонстрированы боковые и крутильные [23] варианты, причем основное применение (по состоянию на 2019 год) заключалось в калибровке атомно-силового микроскопа . Точные измерения несколькими группами позволят усреднить их результаты и, таким образом, уменьшить экспериментальную погрешность. [24]
Точные измерения электрического тока и разности потенциалов производятся в обычных электрических единицах (а не в единицах СИ), которые основаны на фиксированных « обычных значениях » постоянной Джозефсона и постоянной фон Клитцинга , и соответственно. Текущие эксперименты с весами Киббла эквивалентны измерению значения обычного ватта в единицах СИ. Из определения обычного ватта это эквивалентно измерению значения продукта 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 :
Принцип электронного килограмма основан на значении постоянной Планка, которая по состоянию на 2019 год является точным значением. Это похоже на то, как метр определяется скоростью света . При точном определении постоянной весы Киббла не являются инструментом для измерения постоянной Планка, а являются инструментом для измерения массы:
Гравитация и природа весов Киббла, которые колеблют тестовые массы вверх и вниз против локального гравитационного ускорения g , используются таким образом, что механическая мощность сравнивается с электрической мощностью, которая является квадратом напряжения, деленным на электрическое сопротивление. Однако g значительно варьируется — почти на 1% — в зависимости от того, где на поверхности Земли производится измерение (см. Гравитация Земли ). Существуют также небольшие сезонные колебания g в определенном месте из-за изменений уровня подземных вод, а также более крупные полумесячные и суточные изменения из-за приливных искажений формы Земли, вызванных Луной и Солнцем. Хотя g не является термином в определении килограмма, он имеет решающее значение в процессе измерения килограмма при соотнесении энергии с мощностью на весах Киббла. Соответственно, g должен измеряться по крайней мере с такой же точностью и аккуратностью, как и другие термины, поэтому измерения g также должны прослеживаться до фундаментальных констант природы. Для наиболее точной работы в области метрологии масс g измеряется с помощью абсолютных гравиметров с падающей массой , которые содержат йод-стабилизированный гелий-неоновый лазерный интерферометр . Выходной сигнал интерферометра с полосой и частотной разверткой измеряется с помощью рубидиевых атомных часов . Поскольку этот тип гравиметра с падающей массой получает свою точность и стабильность из постоянства скорости света, а также из внутренних свойств атомов гелия, неона и рубидия, термин «гравитация» в описании полностью электронного килограмма также измеряется в терминах инвариантов природы — и с очень высокой точностью. Например, в подвале здания NIST в Гейтерсбурге в 2009 году при измерении силы тяжести, действующей на тестовые массы Pt‑10Ir (которые плотнее, меньше и имеют немного более низкий центр тяжести внутри весов Киббла, чем массы из нержавеющей стали), измеренное значение обычно находилось в пределах 8 ppb9,801 016 44 м/с 2 . [25] [26] [27]
