Эталон - это мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и передачи единиц какой-либо величины. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называется Государственным эталоном.
Краткая историческая справка
Человеку необходимо описывать окружающую его действительность, причем так, чтобы его понимали другие люди. Именно по этой причине все цивилизации создавали свои системы измерений.
Современная система измерений берет свое начало в XVIII во Франции . Именно тогда комиссия из известнейших ученых предложила свою десятичную метрическую систему мер. Первоначально в метрическую систему входили метр, квадратный метр, кубический метр и килограмм (масса 1 куб. дециметра воды при 4 °C), вместимости - литр, то есть 1 куб. дециметр, площадь земельных участков - ар (100 кв. метров) и тонна (1000 килограммов).
В 1875 году была подписана метрическая конвенция, целью которой было обеспечение международного единства метрической системы. На базе этой метрической системы возникали свои системы и единицы, которые плохо соотносились друг с другом, поэтому в 1960 была принята Международная система единиц SI (СИ). В СИ принято несколько основных единиц измерения: метр, килограмм, ампер, кельвин, кандела, моль, а также дополнительные единицы для измерения углов - радиан и стерадиан.
Эталон массы
Чтобы погрешность измерений была минимальной, ученые создают большие и сложные в эксплуатации комплексы. Тем не менее, эталон массы неизменен - это платиново-иридиевая гиря, изготовленная в 1889 году. Всего было изготовлено 42 эталона, два из которых отправились в Россию .
Эталон килограмма хранится в Санкт-Петербурге , во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева (именно он был инициатором принятия Россией французской метрической системы). Эталон стоит на кварцевой подставке, под двумя стеклянными колпаками (чтобы исключить попадание пыли), внутри стального сейфа. Эталонные весы, которые являются частью эталона, стоят на особом фундаменте. Эта конструкция весит 700 тонн и не связана со стенами здания, чтобы вибрации не искажали измерений.
Температура и влажность поддерживаются на неизменном уровне, а все операции ведутся с помощью манипуляторов, чтобы исключить влияние температуры тела и случайных частыц впроде пылы, при использовании человеческого труда. Погрешность эталона массы России не превышает 0,002 мг.
Сущность измерительной операции осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия, но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.
Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах.
Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.
Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма.
Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.
Определение единицы массы - килограмма - было дано IIIГенеральной конференцией по мерам и весам 1901 г. в следующем виде:
"Килограмм - единица массы - представлен массой международного прототипа килограмма".
При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы была принята масса 1 кг, равная массе 1 дм 3 чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 o С).
В этот период были проведены точные измерения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.
Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.
В XIX в. было произведено повторное тщательное измерение массы 1 дм 3 воды, при этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0,28 г) меньше массы прототипа Архива.
Для того, чтобы при дальнейших, более точных взвешиваниях, не менять значения единицы массы, Международной комиссией по эталонам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.
В 1883 г. были изготовлены 42 прототипа килограмма из платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) фирмой Джонсон, Маттей и К° и копии №12 и №26 получены по жребию Россией в 1889 г. согласно Метрической конвенции. Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении ГП “ВНИИМ им. Д.И.Менделеева”, г. С.-Петербург.
В состав государственного первичного эталона единицы массы кроме гири входят эталонные весы номер 1 (Рупрехта) и номер 2 (ВНИИМ) на 1кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы от прототипа номер 12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам (2 эталонам 1 раз в 10 лет).
Погрешность воспроизведения массы эталоном килограмма не превышает 2·10 -9 . Таким образом, эталон килограмма позволяет записывать результат измерения массы в лучшем случае числом из девяти цифр. Несмотря на все предосторожности, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной гири увеличилась на 0,02 мг. Объясняется это адсорбцией молекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверхность гири и образованием тонкой коррозионной пленки.
В связи с развитием работ по созданию новых эталонов единиц ФВ, основанных на атомных постоянных, предлагается использование в качестве эталона массы нейтрона. Другое предложение основано на воспроизведении единицы массы через счетное число атомов какого-нибудь химического элемента, например изотопа кремния-28. Для этого необходимо повысить точность определения числа Авогадро, на что сейчас направлены усилия многих лабораторий мира.
1.3.3 Эталон единиц времени и частоты
Еще в древности счет времени основывался на периоде обращения Земли вокруг своей оси. До недавнего времени секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток (т. к. продолжительность суток в течение года изменяется). Позднее было обнаружено, что вращение Земли вокруг своей оси происходит неравномерно. Относительная погрешность определения единицы времени в соответствии с этим определением составляла около 10 -7 , что было недостаточно для метрологического обеспечения измерителей времени и частоты. Поэтому в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца - тропический год (т.е. интервал между двумя весенними равноденствиями). Размер секунды был определен как 1/31556925,9744 часть тропического года. Поскольку тропический год также изменяется (около 5 с за 1000 лет), то за основу был взят тропический год, отнесенный к 12 ч эфемеридного времени (равномерно текущее время, определяемое астрономическим путем) 0 января 1900 года, что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Это определение секунды было зафиксировано в Международной системе единиц 1960 г. Данное определение позволило на 3 порядка (в 1000 раз) снизить погрешность определения единицы времени.
Успехи квантовой физики позволили использовать частоту излучения или поглощения при энергетических переходах в атомах цезия и водорода для определения размера единицы времени. XIIIГенеральная конференция по мерам и весам в 1967 г, приняла новое определение единицы времени - секунды:“Секунда – это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133”.
Выбор количества колебаний произведен таким образом, чтобы привязать “цезиевую”секунду к“тропической”.
В соответствии с определением единицы времени воспроизведение ее осуществляется цезиевым репером (рис. 1.4). Основой эталона является атомно-лучевая трубка. Атомы цезия-133 испускаются нагретым до температуры 100-150 0 С источником 1. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3, пролетая через который взаимодействуют с переменным электромагнитным полем СВЧ. Частота электромагнитных колебаний может регулироваться в небольших пределах.
1 - источник атомов цезия-133; 2, 4 - магниты; 3 - резонатор; 5 – детектор
Рисунок 1.4 - Структурная схема цезиевого репера
При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля и атомы переходят в основное состояние. Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются в детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Это служит основой стабилизации частоты в цезиевом репере, в котором электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия, принятой за рабочую. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия.
При отклонении частоты кварцевого генератора (собственная нестабильность частоты равна 10 -8 от номинального значения) интенсивность переходов атомов и, следовательно, плотность атомного пучка на выходе трубки резко сокращается.
Блок автоподстройки, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал ошибки, возвращающий частоту кварцевого генератора к номинальному значению. Стабильность цезиевого репера составляет 10 13 . Делитель частоты, находящийся в кварцевых часах, позволяет получить на их выходе требуемые частоты и временные интервалы (в том числе и частоту 1 Гц).
Долговременная стабильность цезиевого репера частоты невелика. Поэтому для хранения единиц времени и частоты в состав государственного первичного эталона входит водородный мазер (рис. 1.5).
1 - стеклянная трубка; 2 - коллиматор; 3 - шестиполюсной осевой магнит; 4 - накопительная ячейка; 5 - резонатор; 6 - многослойный экран
Рисунок 1.5 - Мазер на атомарном водороде
В стеклянной трубке 1 под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор 2, обеспечивающий его направленность, попадает в неоднородное магнитное поле шестиполюсного осевого магнита 3, где претерпевает пространственную сортировку. В результате последней на вход накопительной ячейки 4, расположенной в объемном резонаторе 5, попадают лишь атомы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уровне. Находящийся внутри многослойного экрана 6 высокодобротный резонатор настроен на частоту используемого квантового перехода. Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение генератора, частота которого отличается высокой стабильностью (510 -14). Значение этой частоты периодически поверяется по цезиевому реперу.
Наряду с водородным мазером для хранения шкал времени в состав государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкал времени входит группа квантово-механических часов. Общий диапазон временных интервалов, воспроизводимых эталоном, составляет 10 -8 10 8 с. Эталон расположен в ГП ВНИИФТРИ г. Москва.
Федеральное агентство по образованию
Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра «Приборостроение и телекоммуникации»
РЕФЕРАТ
ЭТАЛОН ДЛИНЫ И МАССЫ
Выполнил:
ст-т гр. Р 54-2
А. Е. Шамова
Проверил:
преподаватель
Красноярск 2007
Эталоном называется средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины и передачи ее размера другим, менее точным, средствам измерения.
Международные эталоны хранятся в Международном Бюро Мер и Весов, расположенном в Севре – пригороде Парижа. В соответствии с международными соглашениями с их помощью периодически проводятся сличения национальных эталонов разных стран, в том числе взаимные сличения национальных эталонов. Например, национальные эталоны метра и килограмма сличаются один раз в 20-25 лет, а эталоны вольта и Ома – раз в три года.
Эталон единицы длины.
В 1971 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы длины – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза .
Но уже в 1837 г. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции.
В 1889 г. Был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения, который, как следует из рассмотрения Рис. 1 вписывается в квадрат .
Длина линейки составляет 102 см. На каждом из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.
Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет. Уже в начале 20 в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.
В 1960 г. XI
Генеральной конференцией по мерам и
весам было принято новое определение
метра: метр – длина, равная 1650763,73
длины волны в вакууме излучения,
соответствующего переходу между уровнями
и
атома
криптона-86.
Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной в сосуд Дюара с жидким азотом (Рис. 2 ). При подаче электрического напряжения +1500 в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линейки (Рис. 1 ). Фактически определяется не все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения производится с помощью спектроинтерферометров.
Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила .
Новый эталон метра.
Повышение точности эталона длины стало реальным при получении возможности распространения абсолютных измерений частоты (в радиочастотном спектре колебаний) на оптический диапазон и разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: «Метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)». Данное определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: «криптоновый» метр не был непосредственно связан со временем, новый метр опирается на эталон единицы времени - секунду и известное значение скорости света.
Еще многие годы метрология и техника будут использовать значение скорости света, установленное XVII Генеральной конференцией по мерам и весам.
В настоящее время для обеспечения
высокой степени стабилизации важнейшего
параметра лазерного излучения – частоты,
широко применяются гелий-неоновые
лазеры на длине волны излучения
мкм (инфракрасная область спектра) и
мкм (видимая область спектра),
стабилизированные соответственно
по насыщенному поглощению в метане
(Не-Ne/CH
4
)
и молекулярном йоде (Не-Ne/I
2
).
Лазеры на основе (Не-Ne/CH 4 ) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту, являющемуся основой эталона времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра Не-Ne/I 2 лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распространения света в вакууме. Наличие излучения на двух длинах волн ( мкм и мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений. Секунда воспроизводится с помощью цезиевых стандартов частоты в СВЧ диапазоне электромагнитных колебаний, а новый метр – в оптическом диапазоне частот, т. е. на несколько порядков выше частот, применяемых в эталоне времени и частоты. Таким образом, необходим «мост», служащий для передачи эталонной частоты цезиевого стандарта в оптическую часть диапазона.
Комплекс аппаратуры для «переноса»
измерений частоты в «радиочастотном»
эталоне времени на измерения частоты
высокостабильных лазеров (в оптическом
диапазоне) был назван радиооптическим
частотным мостом (РОЧМ). РОЧМ позволил
получить наивысшую точность измерения
скорости света в вакууме и рассматривать
ее как фундаментальную физическую
константу, явился основой создания
единого эталона частоты – времени -
длины. В этот эталон входят эталон
времени и частоты, аппаратура РОЧМ,
а также новый эталон метра, включающий
Не-Ne
лазеры,
интерферометр сравнения длин волн
Не-Ne/CH
4
лазеров и Не-Ne/I
2
лазеров, интерферометр, непосредственно
формирующий единицу длины - метр. Этот
эталон имеет погрешность воспроизведения
в виде среднего квадратического
отклонения результата измерений около
,
систематическая составляющая не
превышает
,
т. е. более чем на три порядка меньше
погрешности воспроизведения метра с
помощью «криптонового» метра.
Эталон единицы массы.
Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкое разграничение понятий массы и веса, и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.
В состав эталона входят:
Копия международного прототипа килограмма (№ 12), представляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (г. Санкт -Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе. Эталон хранится при поддержании температуры воздуха в пределах (20±3)°С и относительной влажности 65 %. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера килограмма;
Равноплечие призменные весы на 1 кг № 1 с дистанционным управлением (с целью исключения влияния оператора на температуру окружающей среды), изготовленные фирмой «Рупрехт», и равноплечие современные весы на 1 кг № 2, изготовленные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам.
На Рис. 3 показан эталон килограмма в современном виде. Справа на рисунке представлено вместе с прототипом килограмма № 12 двухконтурное стеклянное защитное устройство.
Погрешность воспроизведения
килограмма, выраженная средним
квадратическим отклонением результата
измерений, составляет
.
Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Табл. 1 приведены результаты лишь двух сличений (они были и позже 1954 г.) эталонов килограмма.
Таблица 1
Новый эталон килограмма
Недавно выяснилось, что Парижский эталон килограмма не совсем точен. Решить эту проблему, т.е. создать новый эталон массы, поможет программа, в которой участвуют ученые из восьми стран. Первые 140 граммов вещества для нового эталона уже существуют. Это сверхчистый кремний, на 99,99% состоящий из изотопа кремния-28.
Через три года такого кремния будет уже 5 кг. Этого хватит, чтобы сделать килограммовый шар, число атомов кремния-28 в котором будет точно известно. И тогда допотопную гирю в парижской Палате мер и весов заменит эталон, не только масса, но и число атомов в котором будут определены с предельной для сегодняшней мировой науки точностью.
Получить новый, действительно точный эталон массы ученые, а особенно физики, мечтали давно. Часть работы выполнена, но впереди еще огромный объем. Дело в том, что в микроэлектронике химически чистый кремний получать в основном научились. Но природный кремний состоит из трех изотопов с разной, естественно, массой атомов - 28 (92%), 29 (5%) и 30 (3%) углеродных единиц. А для эталона массы атомы нужны только одинаковые. Только после получения в России изотопически-чистого кремния в Австралии сделают идеальный гладкий шар. И потом шар будут долго и тщательно проверять в Германии и Франции. Таким образом, впервые появляется возможность уточнить одну из самых фундаментальных химических величин - число Авогадро.
Международный прототип без защитного чехла
В сентябре 2014 года исполняется 125 лет с момента появления на свет международного прототипа килограмма . Решение о создании эталона было принято на Генеральной конференции мер и весов 7-9 сентября 1889 года в Париже.
Он хранится в Международном бюро мер и весов около Парижа и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Такой состав выбран из-за высокой плотности платины, так что эталон можно сделать относительно маленького размера: меньше спичечного коробка по высоте.
Национальный прототип килограмма Великобритании в защитном корпусе, 18-я копия международного прототипа
Масса международного прототипа примерно соответствует 1 литру воды при температуре 4°C, а его вес зависит от высоты над уровнем моря и силы гравитации.
Когда изготовляли международный прототип, вместе с ним сделали 40 копий из того же платино-иридиевого сплава. Их разослали по национальным бюро мер и весов в разных странах, чтобы учёным не приходилось обращаться к основному эталону каждый раз для проведения измерений.
Национальные прототипы сверяют с основным прототипом каждые 40 лет. Последняя проверка проходила в 1989 году, и тогда максимальная разница в весе составила 50 микрограммов. Эти девиации беспокоят учёных. Они понимают, что масса конкретного образца изменяется со временем из-за физических повреждений и появления прочих артефактов.
Национальный прототип хранится в сейфе Национальной физической лаборатории
К сожалению, для международного прототипа нынешний юбилей, скорее всего, станет последним. Сейчас подходят к завершению два эксперимента по созданию более точных эталонов массы. Их цель - определить массу через естественную природную константу, а не через эталонный образец.
Один из экспериментов предполагает определение килограмма через постоянную Планка. Для этого измеряют ток, проходящий через [проводную] катушку в магнитном поле, по отношению к силе гравитации, действующей на килограмм, объясняют специалисты Национальной физической лаборатории Великобритании, где в честь 125-летия килограмма открыли праздничный раздел на сайте. Именно в Великобритании в 1975 году начали эксперимент по ватт-балансу, который сейчас продолжают в Канаде.
Другой метод предлагают немецкие специалисты: в рамках проекта Авогадро создают кремниевую сферу размером с грейпфрут, которая содержит около 50 септиллионов атомов кремния-28.
Кремниевая сфера Авогадро
Поскольку известны масса кремния и плотность вещества, то эталонное значение килограмма можно привязать к объёму сферы и, соответственно, к постоянной Авогадро.
Измерение массы сферы Авогадро
Килограмм остался последней единицей СИ, которая выражается через физический эталон. Это указывает на то, что 125 лет назад физики очень грамотно выбрали материал для изготовления прототипа. И даже если скоро его выведут из использования, он сослужил хорошую службу за эти годы.
