NIST forbedrer Johnson-støj termometrisystem

NIST har for nylig foretaget væsentlige forbedringer af sit Johnson-støj termometrisystem, som spiller en afgørende rolle i den verdensomspændende indsats for at bestemme værdien af ​​en fysisk nøglekonstant i tide til den forestående omdefinering af International System of Units (SI) i 2018. Systemet er nu i stand til at give statistiske usikkerheder 10 gange mindre end sin forgænger.

"Det er en ny æra af elektronik og systemer til støjtermometri, " siger Weston Tew, som leder Johnson Noise Thermometri (JNT)-projektet på NIST's Gaithersburg, MD, universitetsområde. "Vi har tidligere haft andre systemer, men dette er nu tredje generation af teknologi."

Opgraderingerne vil hjælpe Tew og kolleger i deres jagt på de mest nøjagtige værdier muligt for Boltzmann konstanten (k), som relaterer den samlede indre energi i et system til dets temperatur og vil blive brugt til at omdefinere kelvin, SI-enheden for termodynamisk temperatur. Målingen bestemmer forholdet mellem k og en anden fundamental invariant af naturen:Planck-konstanten (h), som relaterer energi til frekvens.

De bedste autoritative målinger af Boltzmann-konstanten til dato er foretaget med akustiske termometre, der relaterer lydhastigheden i en gas til termodynamisk temperatur. Men det er yderst ønskværdigt at sammenligne værdier opnået med en lignende usikkerhed af forskellig fysik og forskellig teknologi. Det er her, JNT kommer i SI-redefinitionen.

Johnson-støj er den lille udsving i spænding forårsaget af tilfældig termisk bevægelse af ladningsbærere (hovedsagelig elektroner) i en modstand, som er direkte proportional med temperaturen. Jo større amplitude af spændingsudsving, jo højere temperatur.

JNT-målinger er udfordrende. Det termiske spændingsstøjsignal er ekstremt svagt sammenlignet med andre støjkilder i systemet - på skalaen af ​​nanovolt (10 ^-9 V) pr. kvadratrod af frekvensen for en 100 ohm modstand ved stuetemperatur. Alligevel kan NIST's system bruges til at måle k til en statistisk usikkerhed på kun omkring 12 dele pr. million over en dag med gennemsnit.

Den vigtigste muliggørende teknologi er en innovation udviklet på NIST's Boulder, CO, laboratorier:Quantized Voltage Noise Source (QVNS). QVNS genererer en nøjagtigt kontrollerbar mængde spændingsudsving, som grundlæggende svarer til termisk spændingsstøj. Men QVNS-signalet er det modsatte af tilfældigt. Den bruger arrays af Josephson-kryds, superledende kredsløb, der fungerer med kvantepræcision. Den kan indstilles til enhver ønsket værdi for at matche den termiske spændingsstøj fra enhver modstand ved enhver temperatur, med output i perfekt kvantificerede heltalsenheder på h/2e, hvor e er elektronens ladning. Den tjener således som en beregnelig støjkildereference.

NIST's JNT-instrumenter kan fungere i en af ​​to tilstande. I absolut måletilstand, QVNS'ens støjstyrke er programmeret til at balancere den fra en termisk genereret Johnson-støjkilde, hvilket resulterer i en termodynamisk temperatur uafhængig af enhver fastpunktsreference. I den relative måletilstand, processen gentages ved en anden temperatur og en anden syntetiseret støjstyrke, resulterer i et termodynamisk temperaturforhold. Begge metoder repræsenterer et betydeligt fremskridt i forhold til konventionelle JNT-metoder, som har mindre fleksibilitet og funktionalitet.

"Vi laver støj, eller hellere, pseudo-støj, " siger Tew. "Du kan programmere disse Josephson-forbindelser med en digital kodegenerator, der udsender meget hurtige impulser. Det ligner støj til alle praktiske formål, men er deterministisk i den forstand, at den blot gentager et kendt mønster igen og igen. Men i tidsdomænet ser det stokastisk ud, støjende."

Dette støjsignal kan justeres, indtil det passer perfekt til amplituden af ​​den termiske Johnson-støj, der findes i enhver leder ved en endelig temperatur.

NISTs JNT-forskning udføres på tre forskellige steder på NISTs Maryland og Colorado campusser. Det er det eneste eksperiment i verden, der måler forholdet mellem k og h. Hvis du gør det, bliver målingen af ​​k mere nøjagtig på grund af den meget lavere usikkerhed i værdien af ​​h.

I forsøget QVNS-outputtet er tilpasset til Johnson-støj fra en modstand, der holdes ved vandets tredobbelte punkt. Den termiske støjamplitude er proportional med Boltzmann-konstanten gange temperaturen, som er kendt nøjagtigt. QVNS-støjamplituden bestemmes af multipla af Planck-konstanten, hvilket er kendt med en usikkerhed på 12 dele pr. Således er både k og h inkorporeret som et forhold fra disse målinger.

JNT-processen indebærer forstærkning af begge disse signaler omkring 50, 000 gange ved at bruge identiske apparater og derefter matche de to. NISTs forbedrede elektronikpakke hjælper med at minimere fejl i denne proces. "Det smukke ved det er, at når du forstærker signalet, og du forstærker pseudo-støjen på nøjagtig samme måde, med samme instrumentering, en masse systematiske fejl ophæver, " siger Tew. "Du kan i gennemsnit væk al den uvedkommende støj, og det, der er tilbage, er den støj, du virkelig vil måle."

Denne evne kan bruges til at måle absolutte temperaturer på faste punkter på den internationale temperaturskala.

"Vi ser med spænding frem til resultaterne af denne undersøgelse, " siger Gerald Fraser, Chef for NIST's Sensor Science Division. "Hvis alt går som planlagt, NIST JNT-målingerne vil give en robust og uafhængig test af de akustiske termometrimålinger, der i øjeblikket er det primære input for værdien af ​​Boltzmann-konstanten, når den bliver fast under redefinitionen af ​​SI."