Метррологическое исследование. метрология Реферат готово. Реферат по дисциплине Метрология, стандартизация и сертификация По теме Метрология в квантовых технологиях
 Скачать 35.06 Kb.
|
|
АКАДЕМИЯ ФСО РОССИИ Кафедра технической эксплуатации РЕФЕРАТ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» По теме «Метрология в квантовых технологиях» Подготовил: к-т Андреев Е.А. Группа 171 Проверил: п/п-к Ремезов Ю.А. Оценка ______ Орел 2019 Оглавление Введение……………………………………………………………………....3 Развитие квантовой метрологии……………………………………………..4 Эталоны основных единиц физических величин…………………………...6 Длина……………………………………………………………..…6 Время………………………………………………………………..7 Развитие эталонов………………………………………………………….....8 Результаты в области измерений…………………………………...……10 Заключение………………………………………………………….………12 Список литературы……………………………………………………….13 Введение Квантовая метрология — это раздел метрологии, в котором решается проблема создания эталонов и прецизионных средств измерений на основе стабильных квантовых явлений и фундаментальных физических констант (ФФК). Основная задача метрологии как науки об измерениях — дать возможность измерять все используемые учеными и практиками величины с требуемой точностью. Для этого необходимо создать систему эталонов, т. е. исходных средств измерений, обеспечивающих воспроизведение, хранение и передачу размера единиц физических величин другим средствам измерений. Очевидно, что первичный эталон должен обладать, возможно, наивысшей стабильностью и точностью, при этом число промежуточных звеньев между ним и потребителем желательно уменьшить, надо обеспечить наименьшую потерю точности при спуске по этажам метрологической пирамиды. К теоретической метрологии относятся исследования общего характера, связанные с выполнением измерений и обеспечением единства измерений. Последнее охватывает теорию единиц и систем единиц физических величин, теорию воспроизведения единиц и исходных средств измерений (эталонов), теорию передачи размеров величин. Для решения актуальных метрологических задач и создания современной эталонной базы в число основных понятий вводятся понятия и принципы квантовой физики, на основе которых разрабатываются так называемые естественные эталоны единиц физических величин. Квантовая метрология — перспективный раздел метрологии, связанный с исследованиями и практическими применениями макроскопических квантовых явлений. Напомним, что в международной системе СИ такие единицы, как метр и секунда, уже базируются на использовании ФФК и квантовой физики (эталон частоты). Основные достоинства таких эталонов: — значения естественных эталонных мер однозначно фиксируются законами природы вне всякой связи с человеком и его деятельностью; — универсальность, доступность и относительно высокая стабильность. Ими может воспользоваться любой человек, обладающий определенными навыками и имеющий в своем распоряжении соответствующие технические приспособления. Развитие квантовой метрологии В большинстве своем достижения достигнутые метрологией за последние годы связаны с развитием квантовой метрологии. Правда, это утверждение нуждается в комментариях, которые будут сделаны ниже. Однако проблема повышения точности эталонов и даже пересмотра системы единиц СИ остается актуальной. Еще с большей остротой стоит задача повышения чувствительности и точности измерений физических величин с целью более достоверной и ранней диагностики и требований обеспечения качества продукции, что заставляет шире использовать новые физические явления. И здесь как раз просматривается перспективность макроскопических явлений квантовой физики. Из изложенного выше следует, что квантовая метрология базируется на возможностях квантовой физики и уточненных значениях фундаментальных физических констант. Это позволяет повышать точность эталонов основных и производных единиц СИ и является мощной базой развития прецизионного приборостроения. Квантовая метрология обладает столь большим потенциалом, что нуждается в пристальном внимании специалистов. Некоторые ее разделы, особенно, связанные с криоэлектроникой, бурно развиваются за рубежом и в результате уже создана широкая гамма серийных прецизионных измерительных преобразователей, устройств и систем. Они перестали быть "экзотикой" и все шире и эффективнее применяются. Погрешности воспроизведения основных единиц системы СИ: — криоэлектроника позволяет кардинально снизить уровень тепловых шумов и соответственно повысить чувствительность измерительные преобразователей и устройств до уровня входной энергии сигнала менее 50h, где h — постоянная Планка; — в криоэлектронике устраняется "тирания межсоединений", а, следовательно, и потери по быстродействию и на тепловыделение в межсоединениях; — достижения современных технологий, включая нанотехнологию, позволяют создавать различные чипы и матрицы из сверхпроводящих квантовых интерференционные устройств — сквидов (от англ. SQUID — Superconducting Quantum Interference Device) — с весьма высокой степенью концентрации, сверхбольшим быстродействием и уникально низким потреблением энергии; — уже получены решения по сочленению криоэлектроники с полупроводниковой электроникой и просматриваются перспективы создания устройств функциональной электроники, позволяющих с большой скоростью обрабатывать большие массивы информации; — прогресс в создании замкнутых криосистем и повышение их надежности снижают барьеры к их практическому применению; — достижения в области высокотемпературной сверхпроводимости хотя и медленно, но неуклонно растут; — эффекты, наблюдаемые в условиях сверхпроводимости, позволяют уточнять численные значения ФФК, повышать их стабильность, расширять и углублять наши познания в физике. К сожалению, большинство отечественных школ по криоэлектронике распались. Это относится и к мощной школе профессора К. К. Лихарева в МГУ. Далее кратко рассмотрим эталоны величин системы СИ, такие как длина и время, на точность которых повлияла квантовая метрология, а затем измерительные преобразователи и устройства, позволяющие решить многие измерительные задачи. Эталоны основных единиц физических величин Длина В соответствии с Резолюцией 1 XVII ГКМВ 1983 г., метр определен как длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с. Гелий-неоновый лазер в инфракрасном диапазоне (0 = 3,39 мкм), стабилизированный молекулами метана, был реализован еще в 1972 г. Заметим, что в методе стабилизированного лазера в качестве стандарта выбирается линия излучения молекулы, а гелий-неоновый лазер обеспечивает только большую интенсивность излучения. Появились лазерные устройства с длиной когерентности более 50 км, позволившие осуществить точные замеры больших расстояний. Сам метр определяют косвенными методами. Для этого пришлось создать так называемые радиооптические мосты. Во ВНИИФТРИ (Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений) были проведены высокоточные абсолютные измерения частот лазеров в оптическом (инфракрасном) диапазоне. С этой целью была предложена и реализована схема переноса эталонных частот от цезиевого стандарта в оптическую область спектра. Это сложные комплексы, состоявшие до последнего времени из ряда последовательно расположенных радиотехнических генераторов и лазеров с умножителями частоты между ними. Они позволяют определять значения частот стабилизированных лазеров с погрешностями, сравнимыми с погрешностью цезиевых реперов частоты. Один из радиооптических мостов был создан в России во ВНИИФТРИ. Время Определение секунды с 1967 г. связано с числом колебаний цезиевого атомного стандарта частоты. Цезий обладает рядом достоинств: — сравнительно низкая температура плавления цезия позволяет получить узкую резонансную линию; — атомы цезия весьма эффективно детектируются с помощью раскаленной вольфрамовой проволочки; — доплеровское уширение наблюдаемой частотной линии практически отсутствует. Указанные достоинства в совокупности с новыми решениями привели к снижению погрешности. К таким решениям следует отнести следующие: • Создание усовершенствованной установки (Эссен и Саткли), в которой на каждом конце атомно-лучевой трубки расположены и печь, и детектор. Реверсируя направление распространения пучка через резонаторы путем попеременного включения различных пар "печь - детектор" (это переключение оказалось возможным осуществлять с довольно большой скоростью), удалось подтвердить существование асимметрии, которая далее корректировалась. • Низкочастотная модуляция радиочастоты осуществляет "сканирование" характеристик детектора вблизи пика. При этом можно добиться совпадения средней частоты эталона с частотой пика линии с помощью следящей системы; в результате получается генератор, работающий в непрерывном режиме на частоте, стабилизированной по цезиевому пучку. Источники погрешностей тщательно изучаются. Развитие эталонов Государственные эталоны продолжают развиваться и совершенствоваться в направлении повышения точности воспроизведения ими единиц физических величин. Именно на уровне предельной точности измерений физических величин, обеспечиваемой государственными эталонами, достигается прогресс научных исследований в области естественных наук, в том числе геодезии и астрономии. Развитие эталонов обусловлено также ростом требований к метрологическому обеспечению ведущих отраслей промышленности, космической и атомной техники, военного дела, энергетики, связи. Все это требует создания принципиально новых методов измерения и аппаратуры на основе использования современных достижений естественных наук, научного приборостроения, промышленности. Если раньше образцом точности и надежности считали астрономические явления, то сейчас это квантовые явления. Применение для метрологических целей макрофизических квантовых эффектов и наиболее устойчивых природных явлений открыло широкие перспективы для создания естественных эталонов, исключающих всякую возможность их утраты. К макроскопическим квантовым эффектам, имеющим важное метрологическое значение, относятся: квантовые вихревые нити в сверхтекучем гелии, незатухающие токи в сверхпроводниках, квантование магнитного потока в многосвязном сверхпроводнике, замораживание потока в сверхпроводящем кольце – эффекты Мейснера и Джозефсона, квантование холловского сопротивления в сильных магнитных полях при низких температурах, эффект Казимира и др. Особенно важное значение в совершенствовании эталонов единиц физических величин, а в будущем рабочих эталонов 0-го разряда и прецизионных средств измерений, имеют квантовые эффекты Джозефсона и Холла. Эффект Джозефсона широко применяется при создании быстродействующих ЭВМ, высокочувствительных магнитометров, а в метрологии его используют для создания эталона единицы напряжения – вольта и единицы силы постоянного электрического тока – ампера. В джозефсоновской схеме, предназначенной для воспроизведения постоянного напряжения с номиналом 1 В, содержится (2-3)*103 туннельных переходов. Схема, рассчитанная на воспроизведение напряжения с номиналом 10 В, уже содержит (2-3)104 туннельных переходов и является дорогостоящим уникальным прибором. Схемы такого типа изготавливаются в четырех-пяти лабораториях мира в единичных экземплярах. В апреле 2001 г. комплекс, создающий эталон единицы напряжения третьего поколения, утвержден Госстандартом России, ему присвоен номер ГЭТ 13-01. В состав комплекса входят: Мера напряжения для воспроизведения вольта, состоящая из криогенных преобразователей частоты в напряжении на основе эффекта Джозефсона и аппаратуры для синтеза частоты облучения криогенных преобразователей, включая стандарт частоты и времени, синтезатор и генератор СВЧдиапазона; Аппаратура для контроля условий измерений и неизменности воспроизводимого размера единицы; Аппаратура для передачи размера единицы. Интегральная джозефсоновская микросхема на основе ниобия, в которой реализованы последние достижения современной технологии, позволяет соединить последовательно десятки тысяч переходов Джозефсона. Рабочая температура микросхемы составляет 4 К и обеспечивается путем погружения зонда с микросхемой в среду жидкого гелия. Результаты в области измерений Достигнута одна из самых высоких точностей для эталонов, построенных с использованием аппаратуры третьего поколения. Результаты сличения эталона вольта ВНИММ им. Д.И. Менделеева с эталоном вольта Международного бюро мер и весов (МБМВ) и физико-технического института (ФТИ) Германии. Результаты международных сличений свидетельствуют о том, что метрологические характеристики ГЭТ 13-01 находятся на уровне лучших мировых аналогов. Следует предвидеть принципиальный характер замены многих современных эталонов квантовыми. Если удастся создать эталон массы на основе возможностей ядерной физики, то, очевидно, значительная часть эталонов будет представляться «вечными» мерами. До сих пор эталоном единицы массы является макроскопический объект. Повышение точности определения числа Авогадро позволяет перейти к естественной единице – массе протона или какого-либо другого ядра. Ряд национальных метрологических институтов проводит большую работу по созданию эталона, связанного с естественными или фундаментальными константами Например, в PTB ведутся два проекта из этой области: один связан с определением килограмма через число Авогадро, а другой – с привязкой к массе золота. Необходимо определить и взвесить атомы золота и достичь погрешности менее 5∙10-8. Стоимость проекта составит около 5 млн долларов США. Анализ методов и средств воспроизведения единиц физических величин в связи с успехами в вопросах реализации естественных эталонов показал, что основополагающая роль в реализации квантовых эффектов принадлежит фундаментальным физическим постоянным: квант действия h, квант электрического заряда е, скорость света в вакууме с и др. Становится вполне обоснованной перспектива разработки системы естественных эталонов, позволяющих вычислять размеры всех воспроизводимых единиц через фундаментальные физические константы, поставлены общие вопросы оптимизации выбора системы основных единиц. При этом имеется в виду, что каждая последующая система единиц физических величин должна обеспечивать возможность более точного воспроизведения основных и производных единиц и быть связанной с единицами предыдущей системы однозначными количественными соотношениями. Предлагается система четырех основных единиц*, основанная на фундаментальных физических константах: УИЦ – единица скорости, равная 1/299 792 458 части скорости распространения в вакууме плоской электромагнитной волны; секунда – в соответствии с существующим определением; вольт – разность потенциалов, соответствующая возбуждению 4,83594∙1014 Гц на туннельном контакте Джозефсона; ампер – ток в квантовом элементе Холла, который вызывает увеличение напряжения Холла на 6453 В. Тогда определение единицы массы, килограмма, будет следующим: масса, кинетическая энергия которой при движении с единичной скоростью (1 уиц) эквивалентна электрической энергии 0,5 В*А/с. Заключение 1. Высокая степень неизменности, а также способность воспроизводить единицу физической величины независимо от внешних условий, места и времени позволяет рассматривать квантовые эталоны как «вечные меры». 2. Благодаря внедрению легко воспроизводимых эталонов единиц физических величин, метрологическое обеспечение рабочих средств измерений позволит перейти от централизованного способа, привязанного к государственным эталонам, к децентрализованному. Это обеспечит повышение точности измерений и экономию значительных средств и времени, затрачиваемых на поверку в соответствии с «многоэтажной» поверочной схемой. 3. На основе использования фундаментальных физических констант возможна реализация концепции системы взаимосвязанных эталонов единиц физических величин и перспективность совершенствования системы единиц. Список литературы 1) Современная система эталонов единиц электрических величин на основе фундаментальных физических констант и стабильных физических эффектов, М., 1977; 2) Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1981; 3) Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1980; 4) С о h е n Е. R., Taylor В. N., The 1986 adjustment of the fundamental physical constants, "Revs Mod. Phys.", 1987, v. 59, p. 1121; 5) Краснополин И. Я., Пудалов В.М., Семенчинский С. Г., Физический репер сопротивления на основе квантового эффекта Холла, "Приборы и техн. эксперимента", 1987, № 6, с. 5. В. М. Пудалов. |