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量子级温度测量将重新定义温度标准

时间:2017-07-11 作者:R. Colin Johnson 阅读:
对于电子工程师来说,以国际单位制(SI)的标准来测量温度,在测量晶粒热点、增加测量的准确性与加速测量流程方面特别有帮助…
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忘掉克式(Kelvin)、华氏(Fahrenheit)和摄氏(Celsius)等温度,更别提摄氏百分刻度法(centigrade)了。美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology;NIST)表示,国际单位制(SI)具备量子等级的准确性,是最新的测量指标,将会在2019年前淘汰掉依照牛顿力学所建立的克式、华氏和摄氏温标。JF6EETC-电子工程专辑

该机构还开发了一款采用波兹曼常数(Boltzmann constant)以国际单位制(SI)测量温度的固态设备。JF6EETC-电子工程专辑

改以国际单位制的标准来测量温度,对于电子工程师来说,在测量晶粒热点、增加测量的准确性与加速测量流程上应该特别有帮助。举例来说,Kelvin温度只能用昂贵的传统仪器来测量到百万分之一(ppm),而使用国际单位制则可利用较便宜的电子仪器测量到百万分之一。JF6EETC-电子工程专辑

温度的测量是一件很棘手的事,因为它取决于使用的材料,而且测量时若是与主要温标单位(central degrees unit)差距太高:273.15K = 32℉ = .01℃,测量结果会变得较不准确。现在,主要温标单位被制定为水结冻的温度,但是这种方式会因为水质不纯,加上无法避免且无法确认的重水(水中含有一个中子)含量而使导致不精确的测量结果。JF6EETC-电子工程专辑

现在的工程师在使用传统仪器和设备测量温度时,必须考虑材质的种类与温度,以弥补不精确的测量状况。
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NIST的量子电压信号源采用来自电阻中电子的电压噪声,实现更准确的测量 (来源:NIST)JF6EETC-电子工程专辑

国际单位制透过电子运动(琼森噪声/热噪声)的量子测量,以避免测量不准确的情况,并将容易取得的波兹曼常数(分子平均动能)的量子测量值标准化。未来两年内,全世界每个实验室计划开始使用国际单位制进行量子级准确度的温度测量。JF6EETC-电子工程专辑

NIST的设备并不昂贵,它采用的是量子电压噪声源(QVNS)技术,测量电阻中电子的电压噪声。此设备提供一个可靠的波兹曼常数参考测量数据,用于确定任何物质的国际单位制温度。JF6EETC-电子工程专辑

国际单位制是全世界所有人的努力成果,NIST仅提供一个简单的QVNS原型设计,利用量子电压噪声源测出波兹曼常数的参考测量数据。已经有人透过此设备而以便宜的做法、材料与实验室设备完成量测。多年来,世界各地每一个测量单位几乎能透过他们开发出的设备而准确地校准测量值。
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NIST设备中的芯片提供超精确的Boltzmann常数,让使用SI测量单位的温度数易于执行 (来源:NIST)JF6EETC-电子工程专辑

2018年11月在法国凡尔赛举行的国际度量衡大会(General Conference on Weights and Measures)中,全世界的代表将会投票决定是否要重新定义温度标准。毫无疑问地,国际单位制将取代Kelvin作为国际温度标准,但NIST不等到投票结果出炉,就已经准备好其设备的详细资料了。
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NIST物理学家Samuel Benz手持新的固态设备仪器(左),以及传统的机仪器(右),用于测量波兹曼常数。JF6EETC-电子工程专辑

IST研究员Nathan Flowers-Jacobs在《EE Times》的访谈中谈到:“在定义波兹曼常数后,一个成功的琼森噪声测温系统(Johnson noise thermometry,JNT)将可使用机架式系统达到50ppm以下的温度测量,温度范围介于100K到1,000K之间。由于此系统是依照波兹曼常数与量子现象定义的,因此它具有自我校准的功能。关于如何成功实现JNT系统的其他要求,将会告知NIST以外的使用者。”JF6EETC-电子工程专辑

Flowers-Jacobs说:“缩小琼森噪声测温系统、不使用液态冷冻剂,并且使其易于使用,还需要靠多年的计划才能实现。因此,我们希望五年内它能在NIST以外的地方被使用。”JF6EETC-电子工程专辑

NIST科学家Horst Rogalla为琼森噪声测温法计划的主持人,中国计量科学研究院(National Institute of Metrology in China)也参与此项计划。JF6EETC-电子工程专辑

关于所有细节,可参照付费文章“以琼森噪声测温法为基准的波兹曼常数判定”(A Boltzmann constant determination based on Johnson noise thermometry) ,或是免费文章“透过琼森噪声测温法而改进的波兹曼常数电子测量”(Improved electronic measurement of the Boltzmann constant by Johnson noise thermometry)与“采取琼森噪声测温法进行的波兹曼常数电子测量中的光谱模型选择”(Spectral model selection in the electronic measurement of the Boltzmann constant by Johnson noise thermometry) 。JF6EETC-电子工程专辑

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载JF6EETC-电子工程专辑

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R. Colin Johnson
EETimes前瞻技术编辑。R. Colin Johnson自1986年以来一直担任EE Times的技术编辑,负责下一代电子技术。 他是《Cognizers – Neural Networks and Machines that Think》一书的作者,是SlashDot.Org的综合编辑,并且是他还因对先进技术和国际问题的报道,获得了“Kyoto Prize Journalism Fellow”的荣誉。
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