Formidling af det nye kilo - et internationalt tørløb

Når kilogrammet, verdens grundlæggende masseenhed, får en ny definition i 2018, den vil ikke være baseret på en fysisk artefakt, men en konstant af naturen. Imidlertid, forskere skal stadig "indse" den nye definition, eller oversætte det til et fysisk objekt, at gøre det muligt at distribuere den nye standard til de laboratorier og industrier, der har brug for det. Af de to metoder, der er store konkurrenter til denne realiseringsproces - wattbalancer og siliciumkugler - kræver begge delikate målinger i vakuum.

Men de fleste daglige massemålinger finder sted i almindelig luft. Det betyder, at for at formidle det nye kilo, forskere skal finde pålidelige måder at sammenligne en masse målt i vakuum med en målt i luft.

Verdens nationale metrologiske institutter (NMI'er) udvikler hver især protokoller til brug i deres egne lande. Men nogen skal kontrollere for at sikre, at deres forskellige metoder fungerer godt og får sammenlignelige resultater.

Så International Bureau of Weights and Measures (BIPM), en mellemstatlig organisation, der har forældremyndigheden over den nuværende officielle kilogramstandard, bad et par NMI'er om at udføre et tørt løb af deres foreslåede formidlingsmetoder, som en del af en pilotundersøgelse for at sikre, at planerne for distribution af den nye definition er gennemførlige. NIST afsluttede netop sit tørløb i denne måned.

"Til denne pilotundersøgelse, hvert NMI har foretaget en primær realisering af et kilo ved hjælp af enten en wattbalance eller siliciumkugle, "siger Patrick Abbott fra Mass and Force Group i NIST's Physical Measurement Laboratory." Ideen var:Hvor godt kan vi tage den primære erkendelse og videregive den? "

I øjeblikket, den amerikanske standard for masse er en cylinder af blomme af platin-iridium kaldet K20, som regelmæssigt kalibreres mod verdens nuværende definition for kilogrammet - International Prototype Kilogram (IPK), ligger på BIPM -hovedkvarteret i Paris. Efter omdefinering, K20 erstattes af en ny amerikansk standard:NIST-4 watt balance.

NIST -personale begyndte pilotundersøgelsen ved at kalibrere en prøve masse, lavet af platin-iridium, i deres wattbalance. Men det næste trin - at overføre kalibreringen til masser i luften - var lidt vanskelig. Luft indeholder vand og andre urenheder, der adsorberes af overfladerne af masserne, der bruges i kalibreringsprocessen. Så en masse målt i luft vil være lidt tungere end den samme masse målt i vakuum. Det nagende spørgsmål for metrologer er, hvor meget?

NIST -forskere har forberedt et par måder at overvinde dette problem på. Det første involverer et rumstort dobbeltdækkerinstrument, der bruger magnetisk svævning til at flyde en masse i luften, at balancere den mod en masse i vakuum, og foretag en direkte sammenligning af de to. Til sidst, dette instrument - kaldet Magnetic Suspension Mass Comparator - vil være den foretrukne metode til spredning af kilogrammet. Men det bliver stadig konstrueret og testet, så det blev ikke brugt i tørløbet.

Den anden metode indebærer at bruge et sæt mindre instrumenter på NIST. Disse balancer er i stand til at sammenligne masserne af to objekter ad gangen i enten almindelig luft eller i vakuum. Inden tørløbet, NIST -personale brugte et af disse apparater til at foretage en undersøgelse, der præcist måler, hvor meget masse der tilføjes et objekt, når det går fra vakuum til luft, baseret på dets materiale og overfladens glathed.

Med disse oplysninger, NIST -forskerne tog den masse, der var blevet kalibreret ved hjælp af wattbalancen, fjernet det fra vakuum, og sammenlignede det - i luft - med et par arbejdsstandarder i rustfrit stål, af den type, der kan bruges til at kalibrere kundernes vægt. Teamet anvendte de korrektioner, det indsamlede fra sine adsorptionsundersøgelser for at springe fra vakuum til luft.

For at forbinde disse fund med den nuværende definition af masse, holdet målte også alle disse testmasser mod en af ​​de officielle amerikanske massestandarder, hvis definition er knyttet til IPK.

Abbott siger, at han forventer, at BIPM vil være klar til at dele resultater fra pilotundersøgelsen i begyndelsen af ​​næste år. Andre deltagende NMI'er omfatter National Research Council of Canada (NRC Canada) og Frankrigs Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE), som hver har sin egen wattbalance, samt National Metrology Institute of Germany (PTB) og National Metrology Institute of Japan (NMIJ), som bruger siliciumkugler.