NIST støjtermometri giver nøjagtige nye målinger af Boltzmann -konstanten

Ved at måle den tilfældige jiggling -bevægelse af elektroner i en modstand, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har bidraget til nøjagtige nye målinger af Boltzmann -konstanten, en grundlæggende videnskabelig værdi, der relaterer et systems energi til dets temperatur. NIST foretog en måling i sin Boulder, Colorado, laboratorium og samarbejdede om en anden i Kina.

Disse resultater vil bidrage til en verdensomspændende indsats for at omdefinere kelvin, den internationale temperaturenhed og kunne føre til bedre termometre til industrien.

Nøjagtig temperaturmåling er afgørende for enhver fremstillingsproces, der kræver specifikke temperaturer, såsom stålproduktion. Det er også vigtigt for atomkraftreaktorer, som kræver præcise termometre, der ikke ødelægges af stråling og ikke regelmæssigt skal udskiftes af menneskelige arbejdere.

"Vi lever med temperatur hver dag, "sagde Samuel Benz, gruppeleder for NIST -forskerholdet involveret i de nye resultater. "De aktuelle målinger, der definerer kelvin, er 100 gange mindre nøjagtige end målinger, der definerer enhederne for masse og elektricitet." Kilogrammet er kendt for dele pr. Milliard, mens kelvin kun er kendt for en del i en million.

I slutningen af ​​2018, repræsentanter fra nationer rundt om i verden forventes at stemme om, hvorvidt det internationale enhedssystem skal omdefineres, kendt som SI, ved generalkonferencen om vægte og mål i Frankrig. Ved implementering i 2019, den nye SI ville ikke længere stole på fysiske objekter eller stoffer for at definere måleenheder. I stedet, det nye SI ville være baseret på naturkonstanter som Boltzmann -konstanten, som grundlæggende afhænger af kvantemekanik, teorien, der beskriver stof og energi i atomskalaen.

For at definere kelvin, forskere måler i øjeblikket vandets tredobbelte punkt i en forseglet glascelle. Det tredobbelte punkt er temperaturen, ved hvilken vand, is og vanddamp findes i ligevægt. Dette svarer til 273,16 kelvin (0,01 grader Celsius eller 32,0 grader Fahrenheit). Kelvin er defineret som 1/273,16 af den målte temperaturværdi.

Denne metode har ulemper. For eksempel, kemiske urenheder i vandet kan langsomt sænke cellens temperatur over tid. Forskere skal også foretage korrektioner på grund af tilstedeværelsen af ​​forskellige isotoper af vand (dvs. med samme antal protoner, men forskellige antal neutroner). Og målinger ved temperaturer højere eller lavere end vandets tredobbelte punkt er i sagens natur mindre præcise.

"Ved at definere kelvin i form af Boltzmann -konstanten, du behøver ikke at have disse variationer i usikkerhed, og du kan bruge kvantemekaniske effekter, "sagde Nathan Flowers-Jacobs, hovedforfatter af papiret om den nye NIST -måling, accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Metrologi .

For at Boltzmann -konstanten er god nok til at omdefinere kelvin, der er to krav fastsat af den internationale gruppe med ansvar for emissionen, kendt som den rådgivende komité for termometri fra den internationale komité for vægte og mål. Der skal være en eksperimentel værdi med en relativ usikkerhed under 1 del pr. Million - og mindst en måling fra en anden teknik med en relativ usikkerhed under 3 dele pr. Million.

Så forskere har forfulgt en række forskellige metoder til måling af Boltzmann -konstanten. Den mest nøjagtige metode forbliver målinger af en gas akustiske egenskaber. Et NIST -resultat fra 1988 gav en værdi, der var kendt for bedre end 2 dele pr. Million, og nyere målinger har opnået mindre end 1 del pr. million. Forskere rundt om i verden har udtænkt en række andre teknikker, herunder dem, der måler andre egenskaber ved gasser.

"Det er vigtigt at foretage denne måling med flere forskellige metoder, "sagde Benz." Det er også vigtigt, at du for hver metode foretager flere målinger. "

En helt anden tilgang er en teknik, der ikke er afhængig af almindelige gasser, men derimod hovedsageligt af elektriske målinger. Teknikken måler graden af ​​tilfældig bevægelse - "støj" - af elektroner i en modstand. Denne "Johnson -støj" er direkte proportional med temperaturen på elektroner i modstanden - og Boltzmann -konstanten. Tidligere målinger af Johnson-støj var plaget af problemet med at måle små spændinger med dele pr. Million nøjagtighed; dette problem forværres af Johnson -støj fra selve måleudstyret.

For at løse dette problem, NIST -forskerne i 1999 udviklede en "kvantespændingsstøjkilde" (QVNS) som en spændingsreference for Johnson Noise Thermometry (JNT). QVNS bruger en superledende enhed kendt som et Josephson -kryds for at levere et spændingssignal, der er grundlæggende nøjagtigt, da dets egenskaber er baseret på kvantemekanikkens principper. Forskerne sammenligner QVNS -signalet med spændingsstøj, der skabes af elektronernes tilfældige bevægelser i modstanden. På denne måde, forskerne kan nøjagtigt måle Johnson -støj - og Boltzmann -konstanten.

I 2011, gruppen begyndte at offentliggøre Boltzmann konstante målinger med denne teknik og har siden foretaget forbedringer. Sammenlignet med 2011 -målingerne de nye NIST -resultater er 2,5 gange mere nøjagtige, med en relativ usikkerhed på cirka 5 dele pr. million.

Ifølge Flowers-Jacobs, forbedringen kom fra bedre afskærmning af forsøgsområdet fra vild elektrisk støj og opgraderinger til elektronikken. Forskerne udførte omhyggelig "krydskorrelations" analyse, hvor de lavede to sæt målinger hver af Johnson-støj og kvantespændingsstøjkilden for at afvise andre støjkilder fra målingen. Andre faktorer omfattede øget størrelse på modstanden for en større kilde til Johnson -støj og bedre afskærmning mellem de forskellige målekanaler for de to målesæt.

NIST bidrog også med ekspertise samt en kvantespændingsstøjkilde til en ny Boltzmann -måling på National Institute of Metrology i Kina. Dels takket være fremragende isolation fra støjkilder, denne måling har en relativ usikkerhed på 2,8 dele pr. million, opfylder det andet krav til en omdefineret kelvin. Dette nye resultat er også blevet accepteret til offentliggørelse i Metrologi .

"Det har været et meget samarbejde, international indsats, "Sagde Benz. Tyskland har også påbegyndt et forsøg på at udvikle Johnson støjtermometri til udbredelse af en primær standard for termometri.

"Alle data vil blive inkluderet" ved bestemmelse af en ny Boltzmann -konstantværdi, sagde Horst Rogalla, leder af NIST Johnson Noise Thermometry Project. "Det vigtige punkt er betingelsen for at omdefinere kelvin er opfyldt."

Ud over den nye SI, enheder baseret på Johnson termometri har potentiale til at blive brugt direkte i industrien, herunder i atomreaktorer.

"I øjeblikket, vi bruger det til at definere kelvin, men bagefter, vi vil bruge det som et glimrende termometer, Sagde Rogalla.