NIST的“噪声测温计”提供了精确测量玻尔兹曼常数的新方法

  XZKL1234 ·  2018-12-23 07:55  ·  36981 次点击
新的结果对国际上重新定义温度测量单位做出了贡献。
该量子电压噪声源(QVNS)所生成的自准确电压信号可以与电阻器中电子产生的电压噪声相媲美。研究人员通过测量电压噪声能够确定玻耳兹曼常数,而该常数可将系统的能量与温度联系起来。
Credit:DanSchmidt/NIST
通过测量电阻器中电子的随机抖动,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员帮助实现了玻尔兹曼常数的新的准确测量,这个基本的科学常数表达的是系统能量与温度之间的关系。NIST在其位于科罗拉多州的博尔德实验室进行了一次测量,并与中国合作进行了另一次测量。这些测量结果对于全球联手重新定义国际温度单位开尔文做出了贡献,并能帮助改进工业所用的测温计。
准确的温度测量对于任何需要特定温度的制造过程都是至关重要的,比如钢铁生产。而这对于核电反应堆也更加重要,因为它不仅需要精确的测温计,还需要这些测温计不会遭受辐射破坏,也不需要人工定期更换。
参与这项新研究的NIST研究小组负责人SamuelBenz介绍说:“我们的日常生活离不开温度测量,但目前用于定义开尔文的测量值的准确度还不到定义质量单位和电单位的测量值的1/100。”千克的准确度是10-9量级,而开尔文的准确度仅仅是1×10-6。
2018年底,来自世界各国的代表在法国举办的国际度量衡大会上就是否重新定义国际单位制(SI)进行了投票表决。在2019年实施时,新的国际单位制将不再依赖于物理对象或物质来定义测量单位,而是基于自然常数,比如玻尔兹曼常数,这个常数根本上取决于量子力学,而量子力学是描述原子尺度上物质和能量的理论。
为了定义开尔文,科学家们的常规方法是在密封玻璃比色皿中测量水的三相点,即水、冰和水蒸气处于平衡点时的温度,这相当于273.16开尔文(0.01摄氏度或32.0华氏度)。开尔文定义为所测温度值的1/273.16。
但这种方法仍有缺陷,例如,随着时间的推移,水中的化学杂质会慢慢降低玻璃皿的温度。由于存在不同的水同位素(即质子数量相同但中子数量不同),研究人员还必须进行修正。并且在高于或低于水的三相点温度下的测量结果,本质上是不够精确的。
关于NIST这种新测量方法的论文已在Metrologia期刊上发表,其第一作者NathanFlowers-Jacobs介绍说:“通过玻尔兹曼常数来定义开尔文,便可避免这些不确定性,而且还能够利用量子力学效应。”
由于玻尔兹曼常数足以重新定义开尔文,国际度量衡委员会的温度测量咨询委员会作为负责该问题的国际组织确定了两个条件:一是必须有一个实验值的相对不确定度低于1×10-6,二是至少有一个采用其他方法获得的测量值的相对不确定度低于3×10-6。
为此,研究人员一直在寻找各种测量玻尔兹曼常数的方法。最精确的方法仍然是测量气体的声学特性。1988年NIST测量结果的不确定度就优于2×10-6,而最近的测量结果的不确定度已优于1×10-6。世界各地的科学家们也已开发出多种技术,包括测量其他气体特性的技术。
NIST科学家Benz表示:“一定要使用多种完全不同的方法进行这种测量,而且对于每种方法也要进行多次测量。”
其中一种完全不同的方法是一种主要依靠电气测量而非普通气体的技术。该技术可测量电阻器中电子的随机运动(即“噪声”)的程度。这种“约翰逊噪声”与电阻器中的电子温度——以及玻尔兹曼常数成正比。过去,测量约翰逊噪声的问题在于要以10-6量级的准确度去测量微小电压,而测量装置本身的约翰逊噪声就会让这个问题更加严重。
为了解决这个问题,NIST的研究人员在1999年研发了一种“量子电压噪声源”(QVNS),用来作为约翰逊噪声测温计(JNT)的电压参考。QVNS使用一种名为约瑟夫森结的超导器件提供自准确的电压信号,因为其特性基于的是量子力学原理。研究人员将QVNS信号与电阻器中电子的随机运动产生的电压噪声进行比较,通过这种方式,研究人员就可以准确测量约翰逊噪声和玻耳兹曼常数。
2011年,该团队开始使用这种技术发布玻尔兹曼常数测量值并逐步改进。与2011年的测量结果相比,新的NIST测量结果要更精确2.5倍,相对不确定度约为5×10-6。
根据Flowers-Jacobs的说法,准确度的改进得益于更好地屏蔽了实验区域的杂散电子噪声以及电子设备的升级。研究人员进行了仔细的“互相关”分析,为了排除其他噪声源的干扰,他们分别对约翰逊噪声和量子电压噪声源进行了两组测量。其他有利因素还包括增大了电阻器的尺寸以获得更大的约翰逊噪声源,以及在两组测量中对于不同测量通道间设置了更好的屏蔽。
NIST还为中国国家计量院的玻尔兹曼测量提供了专业知识以及量子电压噪声源。得益于噪声源的良好隔离,这次测量的相对不确定度为2.8×10-6,能满足重新定义开尔文的第二个要求。这个新结果已发表于Metrologia刊物上。
这次测量是一个通力合作的国际项目,其中,德国也对约翰逊噪声测温技术进行了研究,以传播温度测量的基标准。
NIST的约翰逊噪声测温计项目负责人HorstRogalla表示:“在确定新的波尔兹曼常数值时,所有数据都会被涵盖。重要的一点是重新定义开尔文的条件已经实现了。”
除了新的SI,基于约翰逊测温计的器件或可直接应用于工业领域,包括核反应堆。目前,我们正在用它来定义开尔文,但之后我们会将它用作高效的测温计。

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