Redefinice soustavy jednotek SI. Martin Hudlička Český metrologický institut Odd. primární metrologie vf elektrických veličin

Redefinice soustavy jednotek SI Martin Hudlička Český metrologický institut Odd. primární metrologie vf elektrických veličin mhudlicka@cmi.cz 1 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019

Obsah Historie soustavy SI Potřeba změny SI jednotek Přípravy na změnu mol kilogram ampér kelvin Důsledky pro uživatele Měření vf elektrických veličin 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 2

Historie soustavy SI různé měřicí systémy používané už tisíce let, některé z nich v čase přetrvaly a navázaly na ně další systémy většinou odvozeny z rozměrů lidského těla (často rozměry aktuálního vládce) Babylonský systém (příklad jednotky délky) zdroj: Wikipedia 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 3

Historie soustavy SI Egyptský systém měření délky, objemu, hmotnosti, času bronzový standard objemu standard hmotnosti zdroj: Wikipedia 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 4

Historie soustavy SI mnoho jiných oficiálních měřicích systémů velkých civilizací (starověké Řecko, Řím,...), některé systémy převzaty Anglický systém používaný v Anglii do roku 1826, velké množství jednotek pro různé obory měření objem (drachma, čajová lžička, pinta, galon,...) délka (palec, stopa, yard, míle, dlaň,...) hmotnost (zrno, libra, kámen, unce,...) imperiální systém (po 1824) používaný v Britském impériu a zemích v britské sféře vlivu zdroj: D. Pisano, Flickr 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 5

Historie soustavy SI angloamerický měrný systém (customary units) po nezávislosti USA, založen na Anglickém systému, ale existují významné rozdíly příklad: objemové jednotky 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 6

Historie soustavy SI hlavní problém mnoho jednotek, konverze mezi jednotkami často jiná než desítková zdroj: METAS loket stopa dlaň 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 7

Historie soustavy SI metrický systém vyvíjen od 1791 komisí francouzské Akademie věd (použití desítkového systému a systému předpon pro vyjádření násobků), přidalo se mnoho zemí, prototypy metru a kilogramu vlastněny francouzskou vládou 1875 Metrická konvence, 17 zemí (pouze metr a kilogram), byla vyrobena sada 30 prototypů metru a 40 prototypů kilogramu zhotovených z 90% Pt a 10% Ir zdroj: Wikipedia 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 8

Historie soustavy SI kilogram = hmotnost 1 litru vody (atmosférický tlak, teplota 3,98 C) metr = vzdálenost mezi dvěma značkami na Pt-Ir tyči (původně ~1670 založen na kyvadle, od ~1790 definován jako 1/10 000 000 vzdálenosti mezi severním pólem a rovníkem procházející Paříží) definice metru nedokonalá (nepravidelný tvar země) zdroj: PTB muzeum 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 9

Historie soustavy SI Generální konference pro míry a váhy (ve francouzštině Conférence générale des poids et mesures CGPM), založená 1875, sjednotila mnoho mezinárodních organizací s cílem zřídit definice a standardy pro nový systém 1921 snahy začlenit i další fyzikální veličiny (zvláště elektrické) do Metrické konvence ~1945 ve světě používáno mnoho různých měřicích systémů (modifikace metrického systému, angloamerický systém, imperiální systém,...) nutnost změny 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 10

Historie soustavy SI 1960 11. zasedání CGPM; přijato 16 usnesení, systém pojmenován Mezinárodní soustava jednotek (Le Système International d'unités, SI) metr, kilogram, sekunda, ampér, stupeň Kelvina, kandela základní jednotky odvozeny z neměnných konstant přírody (např. rychlost světla ve vakuu), trojného bodu vody a jednoho fyzického artefaktu (kilogram) odvozené jednotky - vyjádřeny pomocí základních nebo jiných odvozených jednotek (1 Pa = kg m -1 s -2, 1 Ω = kg m 2 s 3 A 2 atd.) 1971 k šesti základním jednotkám přidána jednotka mol 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 11

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): kilogram (hmotnost) Kilogram je jednotkou hmotnosti; je ekvivalentní hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu. 1 mezinárodní prototyp (Paříž) 6 sesterských kopií (Paříž) 10 pracovních kopií (Saint-Cloud, Francie) národní prototypy (cca 69 ks v různých zemích) porovnání s mezinár. prototypem cca každých 40 let 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 12

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): metr (délka) Metr je dráha, kterou světlo ve vakuu urazí za časový interval 1/299 792 458 sekundy. realizace třemi způsoby měřením času, který světlo potřebuje na překonání určité vzdálenosti použití vlnové délky záření, jehož kmitočet je změřen použitím vlnové délky primárního standardu laseru stabilizovaného k jednomu z přechodů vybraných prvků 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 13

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): metr (délka) Česká republika kvantový standard délky založený na He-Ne laseru ( = 633 nm, = 612 nm a = 543.5 nm) stabilizovaného k hyperjemnému přechodu atomu jódu zdroj: ČMI 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 14

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): sekunda (čas) Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídající přechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami atomu césia 133 Cs v základním stavu při teplotě 0 K. ČR Ústav fotoniky a elektroniky, AV ČR soustava dvou komerčních cesiových hodin HP 5071A (rel. stabilita ~5 10-13 vůči ideální realizaci) zdroj: AV ČR, ÚFE 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 15

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): sekunda (čas) - atomy vyzařují a absorbují elektromagnet. vlnění - přechody mezi dvěma energet. stavy -> foton je vyzářen nebo pohlcen s kmitočtem f 0 = (E 2 E 1 )/h - atomy jsou vybuzeny do jednoho z energet. stavů, zaznamenává se vybuzení druhého stavu - f 0 ~ 9.2 GHz pro césium - definice zavedena již v roce 1960, dosud platná zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 16

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): ampér (elektrický proud) Ampér je stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi stálou sílu o velikosti 2 10 7 newtonu na 1 metr délky vodiče. zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 17

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): ampér (elektrický proud) přímá realizace proudové váhy (Ampère, ~1900) Lorentzova síla působí mezi pohyblivou (modrá) a pevnou (červená) cívkou, kompenzována gravitační silou rel. nejistota ~5 ppm, závislé na přesnosti kg nerovnoměrné rozložení elektrického proudu ve vodičích a magnetického pole v prostoru kolem cívek NIST, 1912 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 18

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): ampér (elektrický proud) nepřímá realizace Ohmův zákon I = U/R, Josephsonův jev a kvantový Hallův jev umožňují velmi přesnou a stabilní realizaci jednotek [volt] a [Ω] není součástí SI, není považováno za realizaci -> viz později kvantová SI 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 19

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): kelvin (termodynamická teplota) Kelvin je definován jako 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody. 2005: Definice je platná pro vodu s isotopickým složením definovaným přesně následujícím poměrem: 0,00015576 molu 2 H na jeden mol 1 H, 0,0003799 molu 17 O na jeden mol 16 O a 0,0020052 molu 18 O na jeden mol 16 O. 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 20

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): kelvin (termodynamická teplota) přímá realizace (t [ C] = T 273,15) trojný bod vody ČR teplotní stupnice 196 C až +1048.6 C (trojné body a body tání H 2 0, N, Hg, Cu,...) zdroj: ČMI 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 21

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): mol (látkové množství) Jeden mol libovolné látky obsahuje tolik elementárních částic jako 0,012 kg atomu uhlíku 12 C. Těmito částicemi můžou být atomy, molekuly, ionty a další částice, nebo skupiny takových částic. předmětem kritiky již od zavedení v roce 1971, jde spíše o parametrickou veličinu úzce spjatá s Avogadrovou konstantou N A https://www.bipm.org/utils/en/pdf/siapp2_mol_en.pdf 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 22

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): kandela (svítivost) Kandela je svítivost světelného zdroje, který v daném směru emituje (vyzařuje) monochromatické záření o kmitočtu 540 10 12 hertzů a jehož zářivost (zářivá intenzita) v tomto směru činí 1/683 wattů na jeden steradián. zdroj: PTB - historicky zářová intenzita I porovnávána s definovaným zdrojem záření (svíčka, později speciální lampy) pomocí detektoru (lidské oko) - předpoklad vyzařování do jednoho směru a úzkého svazku záření 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 23

Historie soustavy SI definice jednotek SI (před 2019): kandela (svítivost) dnešní přímá realizace: uzavřená dutina v tepelné rovnováze (černé těleso) a absolutní kryogenní radiometr pro různé vlnové délky v oboru viditelného/uv/ir spektra. zdroj: ČMI 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 24

Historie soustavy SI Metrická konvence ve světě 60 členských států 42 přidružených zemí 4 mezinárodní organizace metrický systém oficiálně přijat prakticky v celém světě (ačkoliv ze zvyku jsou stále používány paralelně i starší jednotky) výjimky: USA, Myanmar, Libérie zdroj: Wikipedia (pozn.: USA jedním z prvních signatářů Metrické konvence v roce 1875, ale stále SI jednotky oficiálně nepoužívají!!!) 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 25

Potřeba změny SI jednotek hlavní motivace pro změnu definice SI jednotek prototypy kilogramu během času mění svou hmotnost (~desítky μg relativně k hodnotě z roku 1889; kontaminace (+) a čištění (-) prototypů) ampér je definován pomocí idealizovaného a nereálného měřicího uspořádání kelvin, trojný bod vody ovlivněn nečistotami a isotopickým složením; teplota není aditivní veličinou a pro rozšíření stupnice jsou potřeba další definice zdroj: Wikipedia 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 27

Potřeba změny SI jednotek současná SI: hodnoty základních konstant specifikovány; naše nejlepší měřicí schopnosti se odrážejí v těchto hodnotách nová SI: sedm základních jednotek definováno pomocí určení sedmi definujících konstant, které tyto jednotky obsahují 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 28

Potřeba změny SI jednotek veličiny zvolené pro definující konstanty byly měřitelné s vysokou přesností už ve staré SI soustavě (rel. nejistota měření ideálně menší než 10 8 ) definice sekundy pomocí cesiového normálu byla zachována (současné césiové normály dosahují rel. nejistoty ~10 16, optické atomové hodiny až 10 18, nicméně žádný ze současných principů se neukázal jako výrazně lepší, než ostatní) zdroj: NPL 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 29

Potřeba změny SI jednotek revize SI si neklade za cíl být pro každodenní použití milník v historii lidstva od starověku až po 18. a 19. století byly měřicí jednotky používány regionálně číselné hodnoty sedmi konstant spjatých se základními jednotkami definující konstanty budou specifikovány na pevný počet desetinných míst sedm základních jednotek (s, m, kg, A, K, cd, mol) bude nově definováno nepřímo číselné hodnoty konstant se mohou stále měnit, pokud se v budoucnu zpřesní experimenty i Marťan by měl rozumět definici kilogramu, pokud rozumí kvantové fyzice 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 30

Potřeba změny SI jednotek nová kvantová SI https://www.bipm.org/utils/common/pdf/cgpm-2018/26th-cgpm-resolutions.pdf 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 31

Potřeba změny SI jednotek nová kvantová SI https://www.bipm.org/utils/common/pdf/cgpm-2018/26th-cgpm-resolutions.pdf 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 32

Přípravy na změnu jak realizovat nové SI jednotky? pro sekundu a metr (a odvozené jednotky ohm a volt) extrémně přesné měřicí procedury již existují (césiové atomové hodiny, šíření světla a kvantový Hallův jev/josephsonův jev), návaznost přímo na Δν Cs, c, h a e pro kilogram, mole, ampér a kelvin bylo nutné vyvinout měřicí postupy srovnatelné přesnosti CODATA pokytuje soubor mezinárodně doporučených hodnot fyzikálních konstant; požadované relativní nejistoty měření pomocí různých experimentů musí být konzistentní a srovnatelné 20. květen 2019 implementace nové soustavy jednotek SI (světový den metrologie) 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 34

Přípravy na změnu - mol snahy určit Avogadrovu konstantu pomocí křemíku (3 isotopy) cca od roku 2003 ve vysoce obohaceném křemíku 28 Si se vyskytují isotopy 29 Si a 30 Si jako nečistoty, jejichž podíl lze určit hmotnostní spektroskopií; pro experimenty použit cca 5 kg krystal Si 2011 rel. nejistota ~2 10-8 dosažena po překonání velmi náročných experimentálních problémů určení počtu atomů v Si kouli o hmotnosti 1 kg Avogadrova a Planckova konstanty určeny v jednom experimentu do roku 2018 byly požadovány alespoň 3 nezávislé experimenty zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 36

Přípravy na změnu - mol Avogadrova konstanta N A a Planckova konstanta h vztaženy přes molární Planckovu konstantu N A h = 3,9903127110(18) 10 10 Js/mol (rel. nejistota měření 4,5 10-10 ) M u = molární hmotnostní konstanta = konstanta jemné struktury R = Rydbergova konstanta A re = relativní atomová hmotnost elektronu Rydbergova konstanta, rychlost světla a konstanta jemné struktury jsou měřitelné s mnohem větší přesností, než Planckova konstanta 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 37

Přípravy na změnu - mol počet atomů v křemíkové kouli zdroj: PTB 1). počet atomů určen z objemu koule a rozměrů elementární krystalové mřížky 2). koule je zvážena a je určena hmotnost atomu křemíku Problémy: rušivý plášť z SiO 2 teplota krystalu musí být známá ±0.001 K (expanze mřížky) atomové hmotnosti 28 Si, 29 Si a 30 Si nutno svázat s 12 C, tedy referenční hodnotou pro atomové hmotnosti (Penningova past) 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 38

Přípravy na změnu - mol mezinárodní projekt Avogadro (2004 2011) - nečistoty: rentgenová interferometrie - oxidace povrchu: rentgenová fluorescenční analýza a mnoho jiných technik - objem koule: optická interferometrie používající kulové vlny (např. PTB Německo) nebo rovinné vlny (např. NMIJ Japonsko) - hmotnost koule: vážení ve vzduchu a ve vakuu s pomocí speciálních artefaktů odvozených od 1 kg prototypu - cena každé koule ~1 mil. zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 39

Přípravy na změnu - kilogram dvě odlišné metody pro realizaci kilogramu křemíková koule (první experimenty v PTB, Německo) viz realizace nového molu wattové váhy (první experimenty v NPL, Velká Británie, a NIST, USA), experimentální metoda spojuje elektrické veličiny, kilogram, metr a sekundu obě realizace dosahují rel. nejistoty měření v řádu ~2 10-8 zdroj: PTB, NIST 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 41

Přípravy na změnu - kilogram wattové váhy Brian Kibble (~1970) přišel s myšlenkou vylepšených proudových vah 1. fáze: síla působící na vodič protékaný proudem v magnetickém poli je porovnána se silou působící na závaží o známé hmotnosti 2. fáze: stejné uspořádání, vodičem v magnet. poli se pohybuje a na jeho svorkách se indukuje napětí porovnáním rovnic z obou fází (eliminována magn. indukce) je vytvořen vztah mezi elektrickým proudem, napětím, gravitačním zrychlením a rychlostí tyto veličiny lze měřit s mnohem větší přesností, než magnetickou indukci první experimenty NPL (UK), NIST (USA), později METAS (Švýcarsko) a další; stejný princip realizován různými experimentálními sestavami obrovské experimentální úsilí vedlo k dosažení rel. nejistoty ~2 10-8 odkaz B. Kibbleho (1938-2016) Kibbleovy váhy 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 42

Přípravy na změnu - kilogram 1. fáze: statický experiment (vážicí režim) Ampérův zákon v radiálním magnet. poli lze zjednodušit proud délka vodiče magnetický tok zdroj: BIPM 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 43

Přípravy na změnu - kilogram 2. fáze: dynamický experiment (režim pohybu) Faradayův zákon v radiálním magnet. poli lze zjednodušit ind. napětí magnetický tok rychlost délka vodiče obě strany rovnice jednotka [watt] zdroj: BIPM 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 44

Přípravy na změnu - kilogram elektrické kvantové jevy: U ~ h/e, R ~ h/e 2 f U = 2e n 1 h R = h n 2 e 2 n 1, n 2 = přirozená kvantová čísla f = kmitočet Josephsonova zařízení h = 4mgf f g f m nastavení n 1 = n 2 = 1 f g = mikrovlnný kmitočet napětí měřeného ve vážicím režimu f m = dtto v pohyblivém režimu wattové váhy umožňují měření Planckovy konstanty h M. Gläser, M. Borys, Rep. Prog. Phys. 72 (2009) 126101 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 45

Přípravy na změnu - kilogram příklad: wattové váhy v NIST (USA) - supravodivý magnet vytváří magnetické pole - Michelsonův interferometr určuje rychlost https://www.nist.gov/publications/details-1998-watt-balance-experiment-determining-planckconstant 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 46

Přípravy na změnu ampér ampér realizován dvěma způsoby Ohmův zákon I = U / R, proud I určen měřením R pomocí kvantového Hallova jevu a U pomocí Josephsonova jevu (vhodnější pro velké proudy pa μa) elektronický obvod, který měří elektrický proud počítáním elektronů, které projdou obvodem za určitý časový interval; návazné na elementární náboj e a kmitočet cesiového přechodu Δν Cs (vhodnější pro nízké proudy fa pa) 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 48

Přípravy na změnu ampér ampér realizovaný pomocí Ohmova zákona kvantový Hallův jev T = 0.35 K (helium) R H = 25812.807 Ω (a jeho celočíselné podíly) B ~18 T (n=1) B ~10 T (n=2) atd. zdroj: PTB zdroj: ČMI 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 49

Přípravy na změnu ampér ampér realizovaný pomocí Ohmova zákona Josephsonův jev slabě vázané supravodiče, tunelový přechod T = 3.6 K (helium) vnější magn. pole (střídavý proud) je přivedeno na strukturu, která vytváří přesné napěťové úrovně (převod U -> f ) zdroj: ČMI zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 50

Přípravy na změnu ampér reprodukovatelnost diskrétních úrovní napětí a odporu byla lepší než přesnost, s jakou bylo možné realizovat jednotku ampér -> v roce 1988 byly zavedeny konstanty K J-90 = 483 597,9 GHz/V a R K-90 = 25 812,807 Ω od 1990 ampér realizovaný pomocí QHE a JE nebyl považován za realizaci jednotky, ale pouze za reprodukci (bez návaznosti na SI) nová SI elegantní ošetření tohoto problému: 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 51

Přípravy na změnu ampér druhá realizace ampéru: nová definice založená na toku elektrického náboje -> potřeba elektronického obvodu, který je schopen měřit tok jednotlivých elektronů, I = n e f single-electron transport vyvíjen cca od 1980 - přidání elektronu do vodiče -> nutnost přivést energii - čím menší nábojový ostrůvek, tím víc energie je potřeba - nízké teploty (0,1 K pro 1 μm strukturu) -> Coulombova blokáda, tepelným působením již nelze přidat víc energie zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 52

Přípravy na změnu ampér elektrony polapeny (lokalizovány) pomocí potenciálových bariér z polovodičů s nanometrovými rozměry; potenciál. bariéry lze generovat kolmo ke směru toku proudu 1). tunelové přechody (tenká vrstva izolantu mezi dvěma vodiči) 2). kvantové tečky, potenciálové bariéry proměnné výšky v polovodičích zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 53

Přípravy na změnu ampér k přenosu jednotlivých elektronů kontrolovatelným způsobem jsou použity elektronové pumpy (single-electron pumps) zdroj: PTB proudy typicky < 100 pa - všechna tři napětí nulová -> nemohou procházet žádné elektrony - periodické střídání napětí na elektrodách -> elektrony se pohybují mezi ostrůvky - statistická fyzika některé tunelové přechody nejsou započítány pro f > 100 MHz -> existují sofistikovanější SET s kontrolovatelnými potenciálovými bariérami 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 54

Přípravy na změnu kelvin Maxwell-Boltzmannovo rozdělení rychlostí nitrogen molecules pravděpodobnostní rozdělení rychlostí částic v idealizovaných plynech veličinou charakteristickou pro toto rozdělení je mikroskopická termální energie kt stanovením Boltzmannovy konstanty k je kelvin svázán s jednotkou energie, joule mikroskopická termální energie kt není přímo měřitelná -> je nutné měřit některou z makroskopických veličin, které jsou s kt korelovány 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 56

Přípravy na změnu kelvin několik primárních principů teploměru (nevyžadují kalibraci) 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 57

Přípravy na změnu kelvin akustický plynový teploměr měří se teplotně závislá rychlost šíření zvuku v plynech; rychlost je úměrná (kbt) 1/2 měření rychlosti zvuku vzácných plynů v kulovém rezonátoru problémy: čistota měřicího plynu, extrapolace tlaku do nuly, umístění akustických vysílačů a přijímačů uvnitř rezonátoru M. Moldover, et al., Acoustic gas thermometry, Metrologia 51 (2014) R1 R19. zdroj: PTB 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 58

Přípravy na změnu kelvin plynový teploměr založený na měření permitivity při konstantní teplotě se určuje tlakově závislá hustota hélia, která je vztažena s jeho permitivitou (dielektrickou konstantou) polarizovatelnost hélia byla v posledních letech určena s rel. nejistotou <10-6 ; permitivita je měřena z relativní změny kapacity kondenzátoru, ze kterého je nejprve vyčerpán vzduch (vakuum) a poté je naplněn héliem (p = 7 MPa) problémy: deformace stěn kondenzátoru vlivem velkých změn tlaku zdroj: PTB C. Gaiser, et al., Dielectric-constant gas thermometry, Metrologia 52 (2015) 217 226. 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 59

Důsledky pro uživatele hlavní důsledky poslední artefakt (1 kilogram) bude nahrazen elektrická měření budou plně pokryta SI (přesný vztah mezi soustavami SI a CGS bude pro elektrické veličiny porušen; magnetické veličiny z CGS nebudou používány) trojný bod vody bude nově určován experimentálně mol nebude do budoucna svázán s hmotností (role 12 C končí) nová SI by měla platit alespoň dalších 100 let, pokud... nebudou vyvinuty výrazně přesnější atomové hodiny nebudou objeveny další nové kvantové jevy nebudou objeveny nové fyzikální teorie, které budou redukovat počet vzájemně nezávislých fyzikálních konstant 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 61

Důsledky pro uživatele důsledky pro běžné uživatele žádné, nejistoty hluboko pod možnostmi komerčních měřicích systémů důsledky pro studenty přepis částí učebnic důsledky pro vysoce přesná měření K J se změní o ~0.1 ppm změna napěťových referencí, K J = 2e/h R K se změní o ~0.02 ppm ovlivnění realizací QHR, R K = h/e 2 μ 0 a 0 budou určovány experimentálně Z 0 = μ 0 ε 0 μ 0 = 4 [1+2.0(2.3) 10-10 ] 10-7 H m -1 nejistota u r (μ 0 ) = u r ( ) protože μ 0 = α 2h ( = konst. jemné struktury) ce 2 nejistoty napětí a odporu <0.1 ppm budou návazné na SI jednotky 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 62

Důsledky pro uživatele změna SI elektrických veličin oproti definici z roku 1990 N. Zimmermann et al., The Redefinition of the SI: Impact on Calibration Services at NIST, NCSLI Measure J. Meas. Sci., vol. 10, no. 2, 2015 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 63

Důsledky pro uživatele elektrické veličiny v CGS μ 0 a 0 zde neexistují Ampérův zákon 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 64

Měření vf elektrických veličin intenzita elektrického pole optická excitace par atomů v uzavřené skleněné komoře (Rydbergův plyn) ~MHz až stovky GHz, citlivost ~0,01 mv/m, intenzity až kv/m 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 66

Měření vf elektrických veličin vf elektrický výkon, návaznost na kilogram a Planckovu konst. jedna ze slibných realizací návaznosti na SI je měření tlaku laserového záření (radiation pressure) 1 W až 23 W -> tlak záření cca 6.3 nn až 145.6 nn @15 GHz, teoreticky možné MHz až stovky GHz 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 67

Děkuji za pozornost 50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019