Forskere udvikler en ny primær metode til måling af tryk

Forskere fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) har implementeret en ny trykmålemetode, dels som et biprodukt af arbejdet med den "nye" kelvin. Udover at være ny, denne procedure er en primær metode, dvs. det afhænger kun af naturlige konstanter. Som en uafhængig metode, den kan bruges til at kontrollere de mest nøjagtige trykmålere, som PTB er kendt som verdens førende.

Kontrol af sådanne instrumenter var tidligere muligt i intervallet op til 100, 000 pascal kun; nu er 7 millioner pascal muligt. En sammenligning mellem mekaniske og elektriske trykmålinger er således blevet udført for første gang med en relativ usikkerhed på mindre end 5 × 10 ^-6 . I øvrigt, denne nye metode giver unikke muligheder for at undersøge helium - et vigtigt modelsystem for fysikkens grundlæggende principper. Forskerne har rapporteret deres arbejde i det aktuelle nummer af Naturfysik .

Er du nogensinde blevet trådt på af en person, der bærer stiletter? Hvis du kender denne form for smerte, du har måske allerede overvejet, at tryk svarer til en kraft pr. overfladeenhed, eller, for at være mere præcis, at det er resultatet af en kraft, der påføres lodret på en overflade. Dette er også princippet, ifølge hvilket de mest nøjagtige metoder til trykmåling fungerer. Når du bruger en trykbalance, du måler gasens tryk under et stempel på en nøjagtigt kendt overflade ved at bestemme den tyngdekraft, der udøves på stemplet. PTB's trykbalancer er i øjeblikket de mest præcise stempelmålere i verden-højpræcisionsinstrumenter, hver af dem fremstillet med stor indsats.

Som der er, imidlertid, trykområder, hvor selv de bedste trykbalancer ikke måler så præcist, som metrologer gerne vil have dem til. Der har været bestræbelser på at udvikle alternative trykmålemetoder i lang tid. "Vores nye metode er faktisk meget enkel:den er baseret på måling af densiteten af ​​målegashelium ved hjælp af en kapacitansmåling. Det betyder, at vi måler i hvilken grad gassen ændrer kapacitansen for en speciel, yderst stabil kondensator mellem elektroderne, "forklarer Christof Gaiser, fysiker hos PTB. Denne metode refererer kun til en universel egenskab ved heliumgas, som udtrykkes via den dielektriske konstant; det er derfor en primær metode.

Det er således lykkedes Gaiser og hans kolleger at realisere en banebrydende teoretisk tilgang for første gang i praksis. Allerede i 1998, Mike Moldover fra det amerikanske metrologiske institut NIST havde udtrykt sin idé om at måle tryk via en elektrisk (kapacitans) måling ved hjælp af teoretiske beregninger af heliums gasegenskaber. I de følgende år, imidlertid, implementering af denne idé viste sig at være en reel udfordring. Både præcisionskapacitansmåling og de yderst stabile kondensatorer, der er nødvendige til dette formål, såvel som de teoretiske beregninger ved hjælp af udelukkende naturlige konstanter (ab initio -beregninger) var endnu ikke mulige med den krævede nøjagtighed. I øvrigt, det var ikke muligt nøjagtigt at sammenligne dem med konventionelle trykbalancer.

Hver af de eksperimentelle forhindringer er blevet fjernet ved PTB i løbet af det sidste årti. På grund af aktiviteter udført inden for rammerne af den nye definition af baseenheden kelvin, som nåede sit højdepunkt den 20. maj i år med indførelsen af ​​et forbedret enhedssystem, konventionelle trykmålinger både med trykbalancer og via kapacitansmålinger blev hævet til et hidtil uset niveau på verdensplan.

Takket være de seneste teoretiske beregninger opnået af forskellige forskningsgrupper over hele kloden, det er nu blevet muligt at måle et tryk på 7 millioner pascal (dvs. 70 gange normalt tryk) med en relativ usikkerhed på mindre end 5 × 10 ^-6 . Denne måling er blevet bekræftet ved sammenligning med en konventionel trykbalance. Det var den første sammenligning på lige fod mellem mekaniske og elektriske trykmålinger.

Dermed, en anden metode er nu tilgængelig til kalibrering af tryk med høj nøjagtighed. Selve metoden og den direkte sammenligning med det konventionelle trykstandardtilbud, for én ting, muligheden for at verificere teoretiske beregninger af helium - et vigtigt modelsystem i atomfysik. For en anden, de tillader også måling af andre gasser og dermed både teori og gasmetrologi skal videreudvikles.