NIST表示，測量結(jié)果將有助于重新定義國際溫度單位開爾文，有助于開發(fā)出更先進(jìn)的工業(yè)溫度計(jì)。
對需要精確特定溫度的工業(yè)制造領(lǐng)域而言，精確的溫度測量至關(guān)重要，從煉鋼到核動(dòng)力堆都需要精確的溫度計(jì)，既不會(huì)遭到輻射破壞且不需要頻繁地人工更換。
據(jù)NIST研究團(tuán)隊(duì)主管Samuel Benz介紹，目前定義的開爾文測量值比定義單位質(zhì)量和電量的測量精度低100倍。公斤以十億分之一為單位，而開爾文只有百萬分之一。
圖：量子電壓噪聲源(QVNS)提供了基本準(zhǔn)確的電壓信號，能與電阻器中的電子產(chǎn)生的電壓噪聲進(jìn)行比較。測量電壓噪聲使研究人員能夠確定玻爾茲曼常數(shù)，其將系統(tǒng)的能量和溫度相關(guān)聯(lián)。(來源：Dan Schmidt/NIST)
明年底(2018)來自全球各國的代表將在法國舉行的國際度量衡大會(huì)(General Conference on Weights and Measures)上對是否重新界定國際單位系統(tǒng)(SI)進(jìn)行表決。在2019年實(shí)施時(shí)，新的SI將不再依賴物理或物質(zhì)來定義測量單位。新的SI將基于自然常數(shù)，如玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)。
為了定義開爾文，科學(xué)家們在密封玻璃池中測量水的三相點(diǎn)。三相點(diǎn)是水、冰和水蒸氣的平衡溫度。這相當(dāng)于273.16 kelvins(攝氏0.01度或華氏32.0度)。開爾文定義為測量溫度值的1/273.16。
但這種方法仍有缺陷，隨著時(shí)間推移，水中的化學(xué)雜質(zhì)會(huì)緩慢降低池的溫度。由于存在不同的水同位素(即具有相同數(shù)量的質(zhì)子但不同數(shù)量的中子)，研究人員還必須進(jìn)行修正。而在高于或低于水三相點(diǎn)溫度下的測量本質(zhì)上不太精確。
目前國際計(jì)量局委員會(huì)正就用玻爾茲曼常數(shù)重新定義開爾文展開工作，研究人員表示，必須有一個(gè)相對不確定性低于百萬分之一的實(shí)驗(yàn)值，以及來自第二項(xiàng)技術(shù)中至少有一項(xiàng)測量的相對不確定度低于百萬分之三。
為此，研究人員一直在追求各種測量玻爾茲曼常數(shù)的方法。最準(zhǔn)確的方法是測量氣體的聲學(xué)性質(zhì)。1988年NIST的結(jié)果已優(yōu)于百萬分之二，而最近的測量數(shù)據(jù)已達(dá)到百萬分之一以下。世界各地的科學(xué)家們也已開發(fā)出多種技術(shù)，包括測量其他氣體性質(zhì)的技術(shù)。
其中一種完全不同的方法是不依賴普通氣體而依靠電氣測量的技術(shù)。該技術(shù)測量電阻器中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)──即“噪聲”的程度。這個(gè)“約翰遜噪聲”(Johnson noise)與電阻器中的電子溫度和玻爾茲曼常數(shù)成正比。過去，測量約翰遜噪聲的問題在于要以百萬分之幾精度測量微小電壓;而測量設(shè)備本身的約翰遜噪聲則讓這個(gè)問題更加嚴(yán)重。
為了解決這個(gè)問題，NIST的研究人員在1999年開發(fā)了一種“量子電壓噪聲源”(quantum voltage noise source，QVNS)作為約翰遜噪聲測溫(JNT)的參考電壓。由于其基于量子力學(xué)，QVNS使用稱為約瑟夫遜結(jié)的超導(dǎo)裝置來提供基本準(zhǔn)確的電壓信號。研究人員將QVNS信號與由電阻器中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓噪聲進(jìn)行比較。通過這種方式，研究人員可以準(zhǔn)確測量約翰遜噪聲和波爾茲曼常數(shù)。
2011年，該集團(tuán)開始使用這種技術(shù)公布玻爾茲曼常數(shù)的測量并逐步改進(jìn)。與2011年的測量相比，新的NIST測量結(jié)果更準(zhǔn)確2.5倍，相對不確定度約為百萬分之5。
研究人員稱其改良方法是改進(jìn)的方法是更好地屏蔽實(shí)驗(yàn)區(qū)的雜散電噪聲和升級到電子設(shè)備。他們進(jìn)行了仔細(xì)的“互相關(guān)”分析，對約翰遜噪聲和量子電壓噪聲源進(jìn)行了兩組測量，以排除測量中的其他噪聲源。其他因素包括增加較大約翰遜噪聲源的電阻器尺寸，以及在兩組測量的不同測量通道間設(shè)置更好的屏蔽。
NIST也向中國國家計(jì)量研究所提供了玻爾茲曼測量相關(guān)技術(shù)。由于與噪聲源的良好隔離，這項(xiàng)測量的相對不確定度為百萬分之2.8，能滿足重新定義的開爾文的第二個(gè)要求。另外，德國也在開發(fā)約翰遜噪聲測溫儀。
NIST的約翰遜噪聲溫度計(jì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Horst Rogalla表示：“在確定新的波爾茲曼常數(shù)值時(shí)，所有數(shù)據(jù)都會(huì)將被納入。最重要的是重新定義開爾文的條件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。”
除了新的SI，基于約翰遜溫度測量儀器的設(shè)備或可直接應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，包括核反應(yīng)堆。
“目前我們正在用它來定義開爾文，但之后我們會(huì)利用它作為一個(gè)高效的溫度計(jì)，”Rogalla說。
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