Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

NIST wspiera kwantowe pomiary temperatury

ghost666 08 Jul 2017 19:19 4686 5
  • NIST wspiera kwantowe pomiary temperatury
    Zapomnijcie o Kelwinach czy stopniach Celsjusza albo Fahrenheita. Naukowcy postulują wprowadzenia nowej, opartej na fizyce kwantowej, jednostki temperatury którą nazwano SI, za skrótową nazwą międzynarodowego systemu miar. Jednostka ta ma być nowym dodatkiem do układu metrycznego i zastąpić oparte na klasycznych jednostkach miary temperatury już w 2019 roku, jak postuluje amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) z Boulder w stanie Kolorado. Naukowcy z NIST opracowali specjalny termometr, mogący mierzyć z kwantową dokładnością wykorzystując do tego stałą Boltzmanna.

    Zmiana jednostek ma być niezwykle pomocna dla elektroników, którzy muszą mierzyć gorące rejony układów scalonych. Zaproponowana metoda miałaby przyśpieszyć pomiar temperatury przy jednoczesnym zwiększeniu dokładności. Obecnie jesteśmy w stanie zmierzyć temperaturę z dokładnością jednej milionowej Kelwina. Nowa metoda ma umożliwić pomiar z dokładnością jednej miliardowej przy wykorzystaniu niedrogiego sprzętu elektronicznego.

    Temperatura jest dosyć trudną w mierzeniu wartością, jako że jej odbiór mocno zależy od materiałów dla jakiej się ją mierzy. Dodatkowo staje się on coraz mniej precyzyjny, gdy oddalamy się od "środka" naszej skali temperatury, czyli 273,15 K / 32°F/0,01°C. Obecnie centralnym punktem jest zamarzanie wody w warunkach normalnych, ale system metryczny jest pełen niedokładności, a samo ustalenie temperatury zamarzania wody nie jest pozbawione problemów - zależy od zanieczyszczeń w wodzie i szeregu innych czynników, takich jak na przykład zawartość ciężkiej wody - z deuterem zamiast wodoru. Obecnie, inżynierowie gdy muszą precyzyjnie mierzyć temperaturę stoją przed nie lada wyzwaniem, gdyż podczas pomiaru konieczne jest np. uwzględnienie materiału z jakiego zrobiony jest mierzony przedmiot, oraz w jakim zakresie mierzy się temperaturę, gdyż różne zakresy wymagają rozmaitych metod kompensacji pomiaru z uwagi na niedoskonałości dzisiejszych systemów pomiarowych.

    Nowa jednostka SI w elegancki sposób unika tych wszystkich niedoskonałości, opierając swój pomiar na efektach kwantowych. Dokładniej mówiąc na kwantowym ruchu elektronów, tzw. szumie Johnsona w próbce materiału. Dzięki temu standaryzacja jest łatwa, bo pomiar wykorzystuje jedynie stałą Boltzmanna, gdyż efektywnie mierzy średnią kinetyczną energię cząstek w materiale. Każde liczące się laboratorium metrologiczne na świecie dąży w kierunku wykorzystania SI do kwantowo dokładnych pomiarów temperatury już w ciągu dwóch najbliższych lat.

    Niedrogi system skonstruowany przez NIST składa się z kwantowego źródła szumu napięciowego (QVNS) które wykorzystuje się do pomiaru temperatury. Wystarczy teraz precyzyjnie zmierzyć napięcie szumu w tej próbce, aby w standardowy i prosty sposób oszacować temperaturę danego ciała ba podstawie kwantowego szumu elektronów w oporniku (bo tym de facto jest źródło). Dodatkowo system ten pozwala na wyznaczenie stałej Boltzmanna w niebywałą dokładnością.

    Nowa jednostka nie jest wynikiem prac tylko i wyłącznie naukowców z NIST, bo nad opracowaniem samej metody pomiaru jak i urządzenia pracowało wspólnie wiele grup na świecie. NIST wyprodukował jedynie pierwszy na świecie prototyp niedrogiego QVNSa, który pozwala na pomiar stałej Boltzmanna. Z wykorzystaniem tego elementu możliwy jest precyzyjny pomiar temperatury w wielu laboratoriach na świecie.



    NIST wspiera kwantowe pomiary temperatury


    Reprezentanci wielu instytucji na całym świecie będą głosować nad zmianą definicji temperatury w układzie jednostek SI w listopadzie przyszłego roku, na konferencji poświęconej układowi wag i miar, która odbędzie się w Wersalu we Francji. Nie ma wątpliwości, że Kelwin zastąpiony zostanie nową jednostką kwantową. NIST nie czeka nawet na wyniki głosowania i już teraz udostępnia dokumentację systemu do pomiaru temperatury z wykorzystaniem efektów kwantowych.

    NIST wspiera kwantowe pomiary temperatury
    Naukowiec z NIST, Samuel Benz, trzymający w rękach dwa urządzenia do pomiaru stałej Boltzmanna - nowe, oparte na technologii ciała stałego i półprzewodnikach (po lewej) i stare, mechaniczny (po prawej).


    "Po zdefiniowaniu stałej Boltzmanna, system termometrii oparty na szumie Johnsona pozwoli na pomiar z dokładnością około 50 milionowych w zakresie temperatur od 100 K do 1000 K wykorzystując do tego prosty system pomiarowy. A dzięki temu, że pomiar wykorzystuje jedynie stałą Boltzmana i efekty kwantowe jest efektywnie samo-kalibrujący się. Jednakże, aby układ ten stał się realnym sukcesem, konieczna jest popularyzacja tego rozwiązania i masowe wykorzystanie go poza NIST" komentuje badacz z NIST, Nathan Flowers-Jacobs.

    "Zmniejszanie systemu pomiaru szumu Johnsona, eliminacja konieczności korzystania ciekłych czynników kriogenicznych i uczynienie go bardziej przyjaznym w użytkowaniu to cele na wiele lat. Dlatego też mamy nadzieję, że w ciągu najbliższych pięciu lat systemy tego typu zaczną z powodzeniem być używane poza NIST, aby móc przyspieszyć ich rozwój" komentował Flowers-Jacobs.

    Szefem projektu w NNIST był Horst Rogalla. System rozwijany był we współpracy z Narodowym Instytutem Metrologii z Chin.

    Dokładniejsze detale znaleźć można w publikacji zatytułowanej "Wyznaczanie stałej Boltzmanna na podstawie pomiaru szumu Johnsona", która ukazała się w czasopiśmie Metrologia, dostępnym tutaj.

    Źródło: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1331971&

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11100 posts with rating 9413, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • #2
    tmf
    Moderator of Microcontroller designs
    ghost666 wrote:
    Zapomnijcie o Kelwinach czy stopniach Celsjusza albo Fahrenheita. Naukowcy postulują wprowadzenia nowej, opartej na fizyce kwantowej, jednostki temperatury którą nazwano SI, za skrótową nazwą międzynarodowego systemu miar. Jednostka ta ma być nowym dodatkiem do układu metrycznego i zastąpić oparte na klasycznych jednostkach miary temperatury już w 2019 roku, jak postuluje amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) z Boulder w stanie Kolorado.


    Raczej nie zapomnijcie. Nie chodzi o wprowadzenie nowej jednostki, lecze nowej definicji jednostki, w tym przypadku Kelvina. Zamiast definicji opartej o punkt potrójny wody będzie definicja oparta o stałą Boltzmana. I tyle. Niestety poziom czasopism, nawet technicznych jest co raz niższy i stąd takie sensacyjne teksty.
    Warto też zajrzeć do informacji na stronie NIST:
    https://www.nist.gov/news-events/news/2016/11/noise-temperature-and-new-si

    new SI to nie nowa jednostka temperatury, tylko skrót myślowy - chodzi o nowy układ SI, a konkretnie nowe definicje jednostek w tym układzie, które proponuje się wprowadzić w 2018 r. mające zastąpić definicje archaiczne.
  • #3
    User removed account
    Level 1  
  • #4
    krzysiek_krm
    Level 40  
    odalladoalla wrote:
    To są mrzonki wąskiej grupy "jajogłowych" potrzebne do wyciągania kolejnych "grantów"- od czasu do czasu trzeba przestawić "meble by wyglądało iż mamy nowy pokój".

    Nie byłbym aż tak pryncypialny.
    Postęp w dość dużym stopniu zależy również od badań podstawowych.
    Gdyby ci jajogłowi nie prowadzili na przestrzeni dziejów różnych pozornie bezsensownych badań, możliwe, że nadal jeździłbyś wozem drabiniastym, a komunikowałbyś się za pomocą sygnałów dymnych.
  • #5
    User removed account
    Level 1  
  • #6
    krzysiek_krm
    Level 40  
    Trochę nie rozumiem tego propagowania odwiecznego dylematu: myć ręce czy nogi, trzeba robić jedno i drugie.
    Jedni niech sobie rozpędzają w akceleratorach co tam uważają za stosowne, inni mogą się zajmować aspektami praktycznymi.