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噪声,温度和新版国际单位制
 
噪声,温度和新版国际单位制
发布时间:2017/6/14 10:09:50 点击次数:

2018年即将对国际单位制(SI)进行重新定义,全世界都在为此努力。最近,NIST对其约翰逊噪声测温系统进行了重大改善,这对于确定SI再定义所需的一个关键物理常量起到了重大作用。现在,这套新改进的约翰逊噪声测温系统的不确定度是之前系统的十分之一。

  NIST盖瑟斯堡分院的约翰逊噪声测温(Johnson Noise Thermometry, JNT)项目负责人韦斯顿·图(Weston Tew)说:“这是噪声测温领域中电子学和系统的新时代,过去我们曾经用过其他系统,但现在已经步入第三代技术。”

  该系统的升级对Tew和其同事寻找玻尔兹曼常数(k)的最精确值有很大帮助,这个常数表达的是系统的内部能量与其温度的关系,并将用于重新定义开尔文,即热力学温度的国际单位。这个测量值决定了k与另一个自然基本不变量的比率:普朗克常数(h),这是能量与频率的关系常数。

  迄今为止对玻尔兹曼常数最权威的测量是用声学温度计完成的,这些声学温度计利用的是气体中的声速与热力学温度的关系。不过,非常有必要将测量值与通过不同物理现象和不同技术所获得的类似的不确定度进行比较。正因如此,在SI的再定义中就要用到JNT。

  电阻器中电荷载体(主要是电子)的随机热运动会导致电压的微小波动,即约翰逊噪声,这与温度成正比。电压波动的幅度越大,温度就越高。

  JNT测量颇具挑战性。与系统中的其他噪声源相比,热电压噪声信号是非常微弱的——对于室温下100欧姆的电阻器,相当于频率每平方根的纳伏级(10-9 V)。 然而,可以利用NIST的这台系统测量k值,平均一天的测量不确定度达到1.2×10-5

  关键的使能技术就是NIST的博尔德实验室开发的创新技术:量化电压噪声源(QVNS)。 QVNS可以精确控制所产生的电压波动,基本上相当于热电压噪声。但QVNS信号绝对不是随机的。它使用约瑟夫森结阵列,即以量子精度运转的超导电路。它可以设置成任何需要值,以匹配任何温度下任何电阻器的热电压噪声,其输出为完全量化的整数单位h/2e,其中e是电子的电荷。因此可作为一种可计算的噪声源参考。

  NIST的JNT仪器可以在两种模式下操作。在绝对测量模式下,将QVNS的噪声功率设定为平衡热激发约翰逊噪声源的噪声功率,结果是热力学温度与任何定点参考值无关。在相对测量模式下,该过程会在另一温度和另一合成噪声功率下重复进行,结果是产生一个热力学温度比。这两种方法与传统的JNT方法相比,在灵活性和功能性上都具有重大的进步。

  “我们是在产生噪声,或者说伪噪声,”Tew说,“可以用数字代码生成器来设计约瑟夫森结,这样可以输出非常快的脉冲。这看上去实际就是噪声,但从另外的角度来看它又具有确定性,因为它就是在一遍又一遍地重复一个已知的模式。但从时域的角度来看它就是随机并嘈杂的。”

  调整该噪声信号,直到其与有限温度下任何导体中存在的热约翰逊噪声的幅度完全匹配。

  NIST的JNT研究在NIST马里兰州分院和科罗拉多州分院的三个不同地点进行。这是世界上唯一测量k与h比值的实验。由于h值的测量不确定度很低,因此这个实验能够更精确地测量k值。

  在实验中,QVNS的输出与水三相点下电阻器的约翰逊噪声相匹配。热噪声振幅与玻尔兹曼常数乘以温度成比例,目前是精确已知的。 QVNS噪声振幅由普朗克常数的倍数来确定,其测量不确定度为1.2×10-8因此,k值和h值都是这些测量值的比率。

  在JNT实验过程中,需要使用同一装置将这两个信号都放大约50,000倍,然后将两者进行比较。NIST改进的这套电子装置有助于使该过程的误差最小化。“它的优点是,当使用相同的方式以及相同的仪器放大信号和伪噪声时,可以消除很多系统误差,”Tew说,“你可以将所有外部噪声平均掉,剩下的则是真正需要测量的噪声。”

  该功能可用于测量国际温标范围内固定点的绝对温度。

  NIST传感器研究部门负责人杰拉德•弗雷泽(Gerald Fraser)说:“我们非常期待这项研究的结果,如果一切都按计划进行,NIST的JNT测量结果将可用于进行声学测温测量结果的稳健独立检测,在重新定义的国际单位制中,玻尔兹曼常数的量值将被固定,而这显然需要知道声学测温值。”

  现今,开尔文是依据水三相点定义的,目前是一个精确的固定值273.16K。在即将重新定义的开尔文中,玻尔兹曼常数值将会是一个精确的定值, 而三相点温度也将通过实验被确定。

  1990年的国际温标及其配套文件规定了许多固定的参考点,从不到1毫开尔文至1350K以上。JNT的一个重要作用是为国际温标中数个固定参考点提供温度计的绝对基准测量值——尤其是500K至1000K之间。这要高于通常使用声学测温法所测量的范围,并且与用辐射计测量的范围有重叠。


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