Эталонная независимость

С этого понедельника все единицы СИ оказались «отвязаны» от материальных носителей и отныне определяются через фундаментальные физические константы. Эти изменения коснулись единицы измерения массы — килограмма, который теперь будет определяться через постоянную Планка. С помощью специального оборудования можно будет получать собственный эталон килограмма, а цилиндр из платины и иридия, хранящийся в штаб-квартире Международного бюро мер и весов под Парижем, утратил свое значение. У России своих инструментов для таких измерений пока нет. Редакция N + 1 обратилась к хранителю государственного эталона Виктору Снегову, сотруднику Всероссийского научно-исследовательского института метрологии имени Менделеева, чтобы узнать, сможет ли наша страна обзавестись суверенным стандартом единицы массы.

Начиная с 20 мая 2019 года — со Всемирного дня метрологии — официально вступают в силу решения прошедшей в ноябре 2018 года в Париже 26-й Генеральной конференции по мерам и весам. Формально на этой встрече ученые приняли решении о переопределении четырех единиц: килограмма, ампера, кельвина и моля — через фундаментальные физические константы.

Значения соответствующих постоянных фиксируются. Другими словами, теперь константы стали действительно константами.

Значение постоянной Больцмана фиксируется и равна 1,380649 × 10^-23 Дж × K^-1 (джоулей на кельвин), число Авогадро — 6,02214076 × 10²³ моль^-1, заряд электрона — 1,602 176 634 × 10^-19 кулона, постоянная Планка — 6,62607015 × 10^-34 килограмма на квадратный метр за секунду. Ранее, когда метр был переопределен через скорость света, так же была зафиксирована и скорость света в вакууме.

«Плывущий» эталон

На деле же глобальные изменения коснулись в основном килограмма. Ампер и кельвин уже давно в большинстве метрологических организаций был реализован через утвержденные в ноябре определения. А моль в прошлом году просто был законно отвязан от единицы массы.

До реформы килограмма дела обстояли с точностью до наоборот. Была фиксирована единица массы. Вернее сказать, был создан объект — платино-иридиевый цилиндр, масса которого и звалась одним килограммом.

Конечно, такая «фиксация» весьма условна — материальный объект претерпевал изменения за годы своей службы метрологам. Однако отследить эти изменения практически было невозможно, потому что, живя в пределах своего определения, килограмм не меняется, пока существует этот цилиндр. Ведь единица массы, как было сказано выше, — это масса цилиндра.

Но долго так продолжаться не могло, ведь основывать мировую стандартизацию на «плывущих» величинах — дело опасное. К примеру, расхождения точных копий международного эталона килограмма составили десятки микрограммов, что дает неконтролируемую неточность в восьмой значащей цифре. К слову, фиксированное значение постоянной Планка содержит девять значащих цифр — то есть оно на два порядка точнее.

Ввиду вышеупомянутых причин изменение определения килограмма обсуждалось очень давно. Основным условием для принятия нового килограмма было следующее: требовалось провести как минимум три эксперимента с весами Киббла (то есть определить килограмм через постоянную Планка), два из которых должны были иметь сходимость между собой 2 × 10^-8. И еще обязательно было провести один эксперимент, основанный на другом принципе — через постоянную Авогадро. И расхождение с результатом этого эксперимента не должно было превышать 5 × 10^-8 в относительных единицах.

Пока требуемая точность не была достигнута, решение о новом определении килограмма не принимали.

Ватт-весы и постоянная Планка

Изначально весы Киббла были спроектированы как раз для точного измерения постоянной Планка. Именно на подобной установке получили ныне фиксированное значение.

Весы Киббла зовутся весами именно потому, что в них гравитационная сила уравновешивается электромагнитной. А свое второе название — ватт-весы — они получили благодаря основному уравнению, описывающему принцип действия. В нем приравниваются условно «механическая» и «электрическая» мощность, а обе части выражения имеют размерность ватт.

Технически установка состоит из нескольких основных элементов: «корзинки» для массивного объекта, катушки, интерферометра и гравиметра. Для дополнительного повышения точности измерение проводится в двух режимах: взвешивания и движения. Таким образом удается избавится от неопределенности измерения величины плотности магнитного потока.

Благодаря фундаментальным и инженерным достижениям квантовой электроники, напряжение и сопротивление (а через них и ток) могут измеряться и/или воспроизводиться с точностью до миллионных долей.

«Главное требование к весам Киббла — наивысшая механическая точность. Необходимо, чтобы система имела не шесть степеней свободы, а только одну, чтобы вектор напряженности магнитного поля точно совпадал по направлению с вектором силы тяготения. Кроме того, достаточно жесткие требования предъявляются к постоянным магнитам — поле, которое они продуцируют, должно быть очень стабильным и очень однородным», — рассказал N + 1 хранитель государственного эталона Виктор Снегов.

Снегов также отметил: «Раньше в весах Киббла использовались сверхпроводящие магниты — это были достаточно дорогие, сложные в обслуживании и громоздкие установки, для них требовалась, например, криогенная система с жидким гелием. Однако потом был найден сплав кобальта с самарием, который обеспечивал достаточно хорошие показатели. Теперь в установках используются постоянные магниты и весы из трехметровых стали практически настольными».

Что касается двух других важных технических элементов, то гравиметр необходим для измерения точного значения ускорения свободного падения (g) в месте, где находится масса, а интерферометр — для определения скорости движения катушки в режиме движения ватт-весов.

Кремний вместо платины

Для ученых XIX века принципиальной была химическая устойчивость эталона единицы массы, отсюда и выбор в пользу иридия и платины. Для сегодняшних нужд этого уже недостаточно. Сегодня при другом подходе — реализации килограмма через число Авогадро — важны высокая химическая чистота и структурная «известность» эталона.

И здесь на помощь исследователям пришел кремний — его структура хорошо известна, и его можно синтезировать с большой химической чистотой.

Идея измерения заключается в том, что материал заданной структуры и с определенными размерами содержит известное число известных атомов. Соответственно, через число Авогадро и подконтрольный ему моль можно понять, каким надо сделать шар, чтобы его масса очень точно соответствовала килограмму. И не просто точно, но и с возможностью воспроизвести этот процесс в будущем (пусть и за очень большие деньги).

Таким образом, появилась возможность не носиться с каким-то определенным материальным объектом — необходимый эталон можно будет сколько угодно раз изготавливать заново. Создание каждой кремниевой сферы на сегодня обходится в сумму больше трех миллионов долларов.

Цена независимости

Международный коллектив поработал хорошо: необходимая точность была достигнута и килограмм переопределен.

«Россия в переопределении единицы массы никак, к сожалению, не участвовала. После принятия формального решения о переходе к новому эталону килограмма через фундаментальную физическую константу, постоянную Планка, страны, у которых есть соответствующая аппаратура, получили «независимость»: теперь им не надо сверяться с парижским эталоном килограмма, они сами могут получать эталонное значение с помощью весов Киббла», — рассказал Снегов.

Такими «независимыми» странами стали США, Швейцария, Великобритания, Канада, Китай, Германия. России тоже хотелось бы иметь такие возможности, но у нас нет своих весов Киббла.

Снегов добавляет: «Стоимость проекта по созданию таких весов в Германии составляла порядка 150 миллионов евро, и им потребовалось три года. Мы можем поступить проще, например купить за рубежом коммерческие весы Киббла — они на порядок менее точные, на 2 × 10^-7. Этого достаточно для практических целей тех стран, которые не претендуют на наивысшую точность».

«Для нас это может стать основой для первого этапа, дальше мы можем эти весы доработать. Стоимость их порядка 10 миллионов евро. В теории в России могут сделать подходящие магниты — в Уральском метрологическом институте, во ВНИИМе тоже занимаются магнитными материалами. Но механическую основу установки все-таки проще будет купить», — рассуждает ученый.

«У нас уже есть два коммерческих предложения от швейцарской фирмы Mettler-Toledo и германской Sartorius. Они нам предлагают взять готовый механический узел, а дальше мы его будем дорабатывать и настраивать, добавлять интерферометр, еще ряд вещей. Но основу мы должны будем закупать, этой технологии у нас просто нет», — продолжает Снегов.

Также хранитель килограмма поделился оценками отечественного проекта: для получения «независимости» потребуется около 1,2 миллиарда рублей и примерно пять лет. Если созданная аппаратура успешно пройдет все мировые сличения и докажет способность воспроизводить единицу массы с необходимой точностью, нашим метрологам больше не придется никуда обращаться вообще — будем сами с килограммом.

«Пока, в течение ближайших десяти лет, мы можем использовать старый эталон, в том же режиме, что был раньше. Через десять лет нам потребуется поверка — именно для этого мы приобрели за границей вакуумный компаратор, поскольку новые правила требуют именно вакуумного взвешивания, тогда как раньше сравнивали в воздухе», — говорит Снегов.

В Росстандарте нам сообщили, что разработанная ведомством программа развития высокотехнологичной промышленности в условиях состоявшегося переопределения системы СИ (часть которой — проект по созданию своих весов Киббла) в настоящий момент согласуется с Минпромторгом России.

Екатерина Жданова