玻尔兹曼常量 我国玻尔兹曼常数kB定义研究获新突破
国际计量委员会(CIPM)建议采用自然基本常数——玻尔兹曼常数(kB)来定义热力学温度单位开尔文(K)。准确绝对地测量玻尔兹曼常数,使其不确定度达到新定义可以接受的水平,是国际计量界面临的极大挑战。近期,中国计量科学研究院的科研人员在该常数重新定义方面获得了重大突破。2010年12月28日,该课题通过了科技部和国家质检总局组织的专家验收。
该课题组在国际上首次建立了定程圆柱声学法的玻尔兹曼常数测量装置,新获得的玻尔兹曼常数=1.3806515×10-23J·K-1,相对标准不确定度达到4.1×10-6,与国际科技基本常数委员会(CODATA)2006年公布值的相对偏差小于1×10-6,成为目前国际计量界已获得的4个(美、英、法和中国)最高准确度的测量结果之一。
这对于我国参与温度单位开尔文的重新定义与国际温标赋值、紧跟国际温度计量的发展趋势具有里程碑意义。
在国家“十一五”科技支撑计划重点项目“以量子物理为基础的现代计量基准研究”的支持下,中国计量科学研究院于2007年起开展了此方面研究。
据课题负责人张金涛研究员介绍,课题组在国际上首次建立定程圆柱声学共鸣法玻尔兹曼常数测量系统,该方法独立于欧美国家计量院采用的球形或准球形声学共鸣法,受到国际温度计量界的广泛关注。
在此基础上,课题组解决了众多关键技术难题,实现了多方面创新:在国际上首次采用压电陶瓷传感器替换电容式麦克风用于声学共鸣频率测量,将测量信噪比提高了一个数量级;在国际上首次建立了完整的圆柱坐标系下,声学共鸣频率测量非理想因素的扰动量化分析理论体系;在国际上首次建立了激光双波长干涉法圆柱声学共鸣腔体长度绝对测量系统。
据了解,在研究过程中,课题组建成了我国尖端的基准声学温度计实验室和研究梯队,预计在3年内可将玻尔兹曼常数测量的不确定度降低为1.8×10-6以下。所掌握的声学共鸣、微波和激光干涉等前沿技术理论经验,对于高温热力学温度准确测量、流体物性准确测量、温室气体排放计量、核电反应堆等特殊环境温度的可靠测量、空间站和航母编队温度开尔文单位可靠准确复现等领域的研究与应用,都具有重要意义。
