키블잔액

Kibble balance
2015년 초 본격 가동에 들어간 NIST-4 키블 밸런스는 플랑크의 상수를 2017년 10억분의 13ppm 이내로 측정해 2019년 킬로그램의 재분석을 지원할 만큼 정확했다.

키블 밸런스(Kibble balance)는 시험 물체의 중량을 보정력을 생성하는 데 필요한 전류와 전압으로 매우 정밀하게 측정하는 전자기계 측정기다. 기초 상수를 바탕으로 질량의 킬로그램 단위의 정의를 실현할 수 있는 도량형 기구다.[1][2]

원래 와트 밸런스라고 불리던 것은 시험 질량의 무게가 와트로 측정되는 전류와 전압의 산물에 비례하기 때문이다. 발명가 브라이언 키블이 사망한 지 두 달 뒤인 2016년 6월 국제체중측정위원회(IOC) 단위 협의회의 도량형사들이 그를 기리기 위해 기기 이름을 바꾸기로 합의했다.[3][4]

2019년 이전에, 킬로그램의 정의는 국제 킬로그램의 프로토타입(IPK)으로 알려진 물리적인 물체에 기초하였다. 대안을 검토한 후, 2013년에 총 무게 및 측정에 관한 회의(CGPM)는 이 정의를 키블 잔액의 사용에 기초한 정의로 대체하기 위한 정확성 기준에 합의했다. 이러한 기준을 달성한 후, CGPM은 2018년 11월 16일 만장일치로 킬로그램과 다른 여러 단위의 정의를 2019년 5월 20일부터 세계 계측의 날과 일치하도록 변경하기로 의결했다.[3][5][6][7][8]

디자인

1927년 미국 국가표준국(현 NIST)의 정밀 암페어 잔액 현재 코일은 오른쪽 밸런스 암에 부착된 밸런스 아래에 볼 수 있다. 키블 잔액은 암페어 잔액의 발달이다.

키블 밸런스는 전류 균형의 보다 정확한 버전이며, 전류를 운반하는 두 개의 코일 사이의 힘을 측정한 다음 전류의 크기를 계산하는 초기 전류 측정 기구다. 키블 밸런스는 반대 의미로 작동하며, 코일의 전류는 플랑크 상수의 정의를 사용하여 "IPK 또는 어떤 물리적 물체에 의지하지 않고 질량을 측정"[9]한다. 균형은 물체의 무게를 결정하고, 그 다음, 중력과 원심효과를 결합한 국부적인 지구의 중력(순가속도)을 정확하게 측정하여 질량을 계산한다. 따라서 물체의 질량은 전류와 전압, 즉 "전자 킬로그램"으로 정의된다.

기원

키블 잔액에 사용되는 원리는 1975년 영국 국립물리연구소(NPL)의 브라이언 키블이 자석비 측정을 위해 제안했다.[10]

암페어 균형법의 주요 약점은 코일의 치수를 측정하는 정확도에 따라 결과가 달라진다는 것이다. 키블 밸런스는 코일의 기하학적 효과를 취소하기 위해 추가 교정 단계를 사용하여 불확실성의 주요 원천을 제거한다. 이 추가 단계는 알려진 자속을 통해 알려진 속도로 힘 코일을 이동하는 것을 포함한다. 이 단계는 1990년에 처음 수행되었다.[11]

국립물리연구소에서 발원한 키블 잔액은 2009년 캐나다 국립연구위원회(NRC)로 이관돼 두 연구소의 과학자들이 이 기구를 계속 정교하게 다듬었다.[12] 2014년 NRC 연구진은 당시 플랑크 상수에 대한 가장 정확한 측정을 발표했으며, 상대적 불확실성은 1.8×10이었다−8.[13] NRC 연구진에 의한 최종 논문은 2017년 5월에 발표되었으며, 플랑크의 상수 측정치는 불확도가 10억분의 9.1ppm에 불과하며, 이 측정치는 현재까지 불확도가 가장 낮은 것으로 나타났다.[14] Other Kibble balance experiments are conducted in the US National Institute of Standards and Technology (NIST), the Swiss Federal Office of Metrology (METAS) in Berne, the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) near Paris and Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) in Trappes, France.[15]

원리

강도 B의 자기장에 수직인 전류 I를 전달하는 길이 L의 전도선은 이러한 변수의 산물과 동일한 로렌츠 힘을 경험한다. 키블 밸런스에서는 전류가 변화하여 이 힘이 측정할 질량 m의 중량 w에 반작용한다. 이 원리는 암페어 균형에서 도출된다. w는 질량 m에 국소 중력 가속 g를 곱하여 주어진다. 그러므로,

키블 잔액은 두 번째 교정 단계에서 B와 L을 측정하는 문제를 피한다. 동일한 와이어(실제로는 코일)가 알려진 속도 v에서 동일한 자기장을 통해 이동된다. 패러데이의 유도 법칙에 의해 와이어 끝에서 전위차 U가 생성되는데, 이는 BLV와 같다. 그러므로

알려지지 않은 제품 BL은 다음과 같은 방정식에서 제거할 수 있다.

U, I, g, v를 정확하게 측정하면 m에 정확한 값을 제공한다. 이 방정식의 양쪽에는 국제 단위 시스템에서 와트로 측정한 전력 치수가 있다. 따라서 원래 명칭은 "와트 균형"이다.

실행

계량모드
이동 모드

키블 밸런스는 측정해야 할 질량과 와이어 코일이 밸런스 눈금의 한쪽에서 매달려 있고 반대쪽에는 카운터 밸런스 질량이 있도록 구성된다. 이 시스템은 "웨이잉"과 "움직임"의 두 모드를 번갈아 가며 작동한다. 전체 기계식 서브시스템은 공기 부력의 영향을 제거하기 위해 진공 챔버에서 작동한다.[16]

이 시스템은 "웨이잉"하는 동안 "I" 구성요소와 "v" 구성요소를 측정한다. 이 시스템은 코일의 전류를 제어하여 자기장을 통해 코일을 일정한 속도 "v"로 끌어당긴다. 코일 위치 및 속도 측정 회로는 정밀 클럭 입력과 함께 간섭계를 사용하여 속도를 결정하고 이를 유지하는 데 필요한 전류를 제어한다. 필요한 전류는 Josephson 접점 전압 표준과 통합 전압계로 구성된 전류계를 사용하여 측정한다.

이 시스템은 "움직이는" 동안 "U" 구성요소를 측정한다. 시스템이 코일에 전류를 공급하는 것을 중단한다. 이를 통해 카운터밸런스가 자기장을 통해 코일(및 질량)을 위로 당길 수 있어 코일의 전압 차이가 발생한다. 속도 측정 회로는 코일의 이동 속도를 측정한다. 이 전압은 동일한 전압 표준과 통합 전압계를 사용하여 측정한다.

전형적인 키블 밸런스는 U, I, v를 측정하지만 "g"는 시간에 따라 빠르게 변화하지 않기 때문에 국소 중력 가속도 "g"는 측정하지 않는다. 대신, "g"는 매우 정확하고 정밀한 그라비미터를 사용하여 같은 실험실에서 측정한다. 또한, 그 균형은 전압과 암페어를 계산하기 위한 원자 시계와 같은 매우 정확하고 정확한 주파수 참조에 의존한다. 따라서 질량 측정의 정밀도와 정확도는 키블 밸런스, 중력계, 시계에 따라 달라진다.

초기 원자 시계처럼 초기 키블 잔액은 일종의 실험 장치였고 크고 비싸고 섬세했다. 2019년을 기점으로 질량의 고정밀 측정이 필요한 모든 계측학 실험실에서 사용을 허가하는 가격으로 표준화된 기기를 제작하는 작업이 진행 중이다.[17]

대형 키블 잔액뿐만 아니라 마이크로 패브릭 또는 MEMS 와트 잔액(현재 키블 잔액이라고 함)도 2003년경부터 입증되었다[18]. 이는 마이크로 전자 및 가속도계에 사용되는 것과 유사한 단일 실리콘 다이에서 제작되며, 전기 및 광학적 측정을 통해 나노와톤부터 마이크로와톤 범위의 작은 힘을 SI 정의 물리적 상수에 추적적으로 측정할 수 있다. MEMS 키블 잔액은 규모가 작기 때문에 일반적으로 대형 계기에 사용되는 유도력보다는 정전기력을 사용한다. 측면 및 비틀림[19] 변형도 입증되었으며, 주요 적용(2019년 기준)은 원자력 현미경 교정에 있다.

측정

조셉슨 상수와 폰 클라이칭 상수의 고정된 "기존 값", K {\displaystyle R_ 존중을 바탕으로 한 전통적인 전기 단위(SI 단위 제외)에서 전류와 전위차 정확한 측정이 이루어진다.ively. 현재의 키블 밸런스 실험은 SI 단위에서 재래식 와트의 값을 측정하는 것과 같다. 기존 와트의 정의에서, 이는 기존 전기 장치의 고정 값 대신 SI 단위로 제품 KRJ2K 값을 측정하는 것과 같다.

이러한 측정의 중요성은 플랑크 상수 h:

전자 킬로그램의 원리는 플랑크 상수의 값에 의존하는데, 이는 2019년 현재 정확한 값이다. 이것은 빛의 속도로 정의되는 미터와 비슷하다. 상수가 정확히 정의된 상태에서 키블 잔액은 플랑크 상수를 측정하는 계측기가 아니라 질량을 측정하는 계측기다.

참고 항목

참조

  1. ^ Robinson, Ian A.; Schlamminger, Stephan (2016). "The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass". Metrologia. 53 (5): A46–A74. doi:10.1088/0026-1394/53/5/A46.
  2. ^ Palmer, Jason (2011-01-26). "Curbing the kilogram's weight-loss programme". BBC News. BBC News. Retrieved 2011-02-16.
  3. ^ a b "The Kibble Balance". Education. UK National Physical Laboratory website. 2016. Retrieved 15 May 2017.
  4. ^ 단위별 협의회(CCU), 제22차 회의 보고(2016년 6월 15일-16일), 페이지 32-32, 35
  5. ^ Cho, Adrian (2017). "Plot to redefine the kilogram nears climax". Science. 356 (6339): 670–671. doi:10.1126/science.356.6339.670. PMID 28522473.
  6. ^ Milton, Martin (14 November 2016). "Highlights in the work of the BIPM in 2016" (PDF). p. 10. Archived from the original (PDF) on 1 September 2017. Retrieved 1 September 2017.
  7. ^ 의사결정 CIPM/105-13 (2016년 10월)
  8. ^ Materese, Robin (2018-11-16). "Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants". NIST. Retrieved 2018-11-16.
  9. ^ Materese, Robin (2018-05-14). "Kilogram: The Kibble Balance". NIST. Retrieved 2018-11-22.
  10. ^ Kibble, B. P. (1976). "A Measurement of the Gyromagnetic Ratio of the Proton by the Strong Field Method". Atomic Masses and Fundamental Constants 5. pp. 545–551. doi:10.1007/978-1-4684-2682-3_80. ISBN 978-1-4684-2684-7.
  11. ^ Kibble, B. P.; Robinson, I. A.; Belliss, J. H. (1990). "A Realization of the SI Watt by the NPL Moving-coil Balance". Metrologia. 27 (4): 173–192. doi:10.1088/0026-1394/27/4/002.
  12. ^ "Kibble balances : Research : Mass & Force : Science + Technology : National Physical Laboratory". www.npl.co.uk.
  13. ^ Sanchez, C. A.; Wood, B. M.; Green, R. G.; Liard, J. O.; Inglis, D. (2014). "A determination of Planck's constant using the NRC watt balance". Metrologia. 51 (2): S5–S14. doi:10.1088/0026-1394/51/2/S5.
  14. ^ Wood, B. M.; Sanchez, C. A.; Green, R. G.; Liard, J. O. (2017). "A summary of the Planck constant determinations using the NRC Kibble balance". Metrologia. 54 (3): 399–409. doi:10.1088/1681-7575/aa70bf.
  15. ^ Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). "CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006" (PDF). Reviews of Modern Physics. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008RvMP...80..633M. doi:10.1103/RevModPhys.80.633. Archived from the original (PDF) on 2017-10-01.
  16. ^ Robinson, Ian; Schlamminger, Stephan (2016). "The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass". Metrologia. 53 (5): A46–A74. doi:10.1088/0026-1394/53/5/A46.
  17. ^ Conover, Emily (June 3, 2019). "This tabletop device turns the quantum definition of a kilogram into a real mass". ScienceNews.
  18. ^ Cumpson, Peter J.; Hedley, John (2003). "Accurate analytical measurements in the atomic force microscope: a microfabricated spring constant standard potentially traceable to the SI". Nanotechnology. 14 (12): 1279–1288. doi:10.1088/0957-4484/14/12/009.
  19. ^ Portoles, Jose F.; Cumpson, Peter J. (2013). "A compact torsional reference device for easy, accurate and traceable AFM piconewton calibration". Nanotechnology. 24 (33): 335706. doi:10.1088/0957-4484/24/33/335706.

외부 링크