Định nghĩa kilogram - Phần 4 | Thư Viện Vật Lý

Cân Watt mới của NIST

NIST đã cho hoạt động các cân watt có cấu hình đa dạng kể từ đầu thập niên 1980, không bao lâu sau khi dụng cụ lần đầu tiên được nêu ý tưởng bởi Bryan Kibble tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia (NPL) ở Anh, và hiện đang hoàn tất công việc trên thiết bị thế hệ thứ tư của nó, NIST-4.

Phiên bản trước đây, NIST-3, chế tạo từ năm 1999. Nó cao khoảng 6 mét, được chứa trong một nhà gỗ “phi từ tính”, và sử dụng một nam châm siêu dẫn được làm lạnh bằng helium lỏng. NIST-3 đã mang lại cho NIST phép đo mới nhất của hằng số Planck, công bố hồi đầu năm 2014.

NIST-4, sẽ bắt đầu hoạt động trọn vẹn vào đầu năm 2015, được chế tạo trên một thiết kế hơi khác dự tính khai thác lợi thế của công nghệ tiên tiến để đáp ứng các yêu cầu đo lường chính xác trước khi định nghĩa lại kilogram.

Đồng thời, NIST-4 sẽ trở thành chuẩn khối lượng chính thức của nước Mĩ – vai trò hiện nay được giữ bởi K-20, nguyên mẫu kilogram quốc gia của NIST. Các nhà khoa học NIST lường trước rằng cân watt mới sẽ có thể hiện thực hóa đơn vị của khối lượng với sai số 3 phần 10⁸.

Nhỏ hơn, sâu hơn, và nhanh hơn

NIST-4 được giữ trong phức hợp Phòng thí nghiệm Đo lường Cao cấp được che chắn hoàn toàn, được điều khiển môi trường của NIST, nằm sâu dưới lòng đất.

Toàn bộ đơn vị cao khoảng 2,5 mét và được chứa trong một bình chân không kim loại. (Các phép đo được tiến hành trong chân không để loại trừ các tác dụng của lực nổi trong không khí, lực có giá trị đáng kể khi đòi hỏi độ chính xác như mong muốn.) Giống như tiền thân của nó, NIST-4 sử dụng một bánh xe cân bằng quay trên một ngạnh dao cực kì cứng. Hai phía bánh xe được treo bởi hai sợi cáp làm bằng nhiều sợi dây mảnh.

Ở một phía của bánh xe, dây cáp nâng cấu trúc chứa đĩa cân cho khối lượng thử cũng như cuộn dây bên dưới nó. Ở phía bên kia là khối lượng đối trọng và động cơ tạo ra chuyển động khi vận hành trong mode vận tốc.

Một số thiết kế khác – ví dụ cân watt được sử dụng trước đây tại NPL và hiện đang được điều hành bởi Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada – sử dụng một đòn cân nằm ngang.

Một ưu điểm của cấu hình bánh xe là nó cho phép các sợi cáp nâng làm di chuyển cuộn dây chính xác theo phương thẳng đứng, nhờ đó tránh được chuyển động lệch ngang mà một cuộn dây treo lơ lửng dưới một cân đòn có thể phải chịu.

Để thu được sai số mục tiêu của họ nhằm hiện thực hóa đơn vị đo khối lượng, bất kì lực hay moment quay nào không chính xác theo phương thẳng đứng đều phải được giảm thiểu dưới mức 3 phần tỉ.

NIST-4

Các bộ phận của NIST-4. 1 – Bánh xe cân bằng là nét đặc trưng của NIST-4. Các cân watt khác sử dụng một đòn cân. Bánh xe nhôm cân bằng trên một ngạnh dao làm bằng kim loại rất cứng và có thể quay đến 10 độ. 2 – Nhóm vật nặng và cuộn dây treo bằng dây cáp gắn với bánh xe với một dải dây sợi mảnh. Cấu hình đó làm giảm thiểu mọi sai lệch khỏi chuyển động chính xác theo phương thẳng đứng. 3 – “Con nhện” ba chân giữ khối lượng thử cùng khay đựng của nó và – thông qua ba thanh thẳng đứng màu đen – giữ cuộn dây treo. Khi hoạt động, ba bộ phận phải được canh chính xác thẳng đứng là: khối lượng thử, tâm cuộn dây, và tâm từ trường. 4 – Cuộn dây nằm hoàn toàn trong từ trường 0,55 T tạo ra bởi một hệ thống nam châm vĩnh cửu nặng 1 tấn, và chuyển động lên xuống trong mode cân nặng lẫn mode vận tốc. 5 – Hệ thống nam châm vĩnh cửu đặt tại đế của thiết bị và do đó không được nhìn thấy khi bạn nhìn cân watt từ một bên sang. Nó được chế tạo riêng cho NIST-4 với các nam châm làm bằng saramium và cobalt trong vỏ bọc bằng sắt. 6 – Treo ở phía bên kia bánh xe và khối lượng thử cùng cuộn dây là khối lượng đối trọng và động cơ điện tạo ra chuyển động khi cân watt hoạt động trong mode vận tốc.

Cuộn dây và từ trường

Cuộn dây chuyển động, được sử dụng trong mode cân nặng lẫn mode vận tốc, nhẹ hơn và nhỏ hơn bộ phận tương ứng ở NIST-3. Cuộn dây NIST-3 có đường kính 70 cm, gồm 2478 vòng dây, và cân nặng xấp xỉ 23 kg. Cuộn dây NIST-4 cân nặng 4 kg, có đường kính 43 cm, và chỉ gồm khoảng 1000 vòng dây – nhưng vẫn cần đến chừng 1,4 km dây quấn.

Không giống như NIST-3, thiết bị mới sử dụng một hệ thống nam châm vĩnh cửu nặng 1000 kg, được chế tạo riêng theo yêu cầu. Nó tạo ra một từ trường 0,55 T (mạnh xấp xỉ 10.000 lần từ trường Trái đất) để cuộn dây nằm gọn trong đó. Các bộ phận được làm bằng sắt và một hợp kim của samarium và cobalt. Vì cuộn dây được đặt bên trong bọc kín này, nên nó hoàn toàn được che chắn khỏi từ trường địa phương, thành ra không cần dùng đến phòng thí nghiệm phi từ tính.

Sự canh thẳng hàng là quan trọng. Khối tâm của khối lượng thử phải được canh thẳng hàng thẳng đứng chính xác hoàn hảo với tâm cuộn dây, tức là vị trí của tâm từ trường xuyên tâm.

Cấu hình nam châm vĩnh cửu cho phép thiết bị mới nhỏ gọn hơn nhiều. Cái cân ngắn hơn, nên nó dễ hoạt động và canh thẳng hơn. Và vị trí bố trí mới của nó cho phép nó dễ dàng truy xuất các phòng thí nghiệm điện áp và điện trở tại NIST, nơi các giá trị quốc gia cho ohm và volt được hiện thực hóa. Sự thân thiện đó là yếu tố quan trọng cho thí nghiệm cân watt vì nó hoạt động dựa trên hai phép đo ấy.