Современные технические средства эталонных комплексов

   При этом производится компенсация электрического заряда, образуемого на одной из пластин конденсатора измеряемым (калибруемым) током 1_х, зарядом, создаваемым на другой пластине конденсатора эталонным током 1_о. Таким образом, калибруемому источнику тока передается размер единицы эталонного источника тока.

   Из  сравнения погрешности воспроизведения  размера единицы ампера с помощью  «токовых весов» следует, что погрешность  воспроизведения ампера с помощью  нового эталона возросла более чем  на два порядка. Существенно уменьшилась и не исключенная систематическая погрешность.

   Что же касается эталона напряжения. Эффект Джозефсона возникает между двумя  сверхпроводниками, образующими туннельный контакт. Если два проводника (в обычном  состоянии) разделены окисной пленкой толщиной порядка 10^- см, то из-за туннельного эффекта электроны переходят из одного проводника в другой и между ними устанавливается электрическое равновесие ( разность потенциалов между проводниками равна нулю ). Если же к проводникам приложить извне разность потенциалов, то через туннельный контакт будет протекать электрический ток.

   Если  туннельный контакт образуется между  двумя сверхпроводниками, то возникает  эффект Джозефсона (стационарный или  нестационарный), открытый английским ученым Б. Джозефсоном в 1962 г. Туннельный контакт при этом часто называют джозефсоновским.

   Стационарный  эффект Джозефсона состоит в том, что при нулевой разности потенциалов  через туннельный контакт в сверхпроводнике  течет малый постоянный электрический  ток.

   Нестационарный эффект Джозефсона возникает в случае, когда к джозефсоновскому контакту прикладывается постоянное напряжение U. При этом через контакт будет протекать переменный ток 

   

 

где I₀ и - постоянные величины, характеризующие амплитуду силы электрического тока и начальную фазу, соответственно;

   е = 1,602 10^-19 Кл - заряд электрона с точностью до 3 - го знака после запятой );

   h = 6,626 10 Дж с - постоянная Планка. Джозефсоновский контакт, на котором поддерживается постоянная разность потенциалов, испускает электромагнитное излучение с частотой: 

   

 

где - круговая частота.

   Величина является постоянной Джозефсона.

   Нестационарный  эффект Джозефсона обратим: если джозефсоновский  контакт облучать электромагнитным полем с частотой ю, то на контакте напряжение будет ступенчатым образом изменяться в зависимости от частоты внешнего электромагнитного поля: 

   

 

где f- частота электромагнитного поля.

   При выполнении равенства  каждый раз при увеличении числа n на единицу будут наблюдаться резкие ступеньки. Интервал между последовательными ступеньками достигает 4.. .5 мВ.

   В метрологии эффект Джозефсона, нашел применение в качестве эталона единицы напряжения - вольта. Повышение точности эталона  вольта на эффекте Джозефсона выше 1*10⁸ оказалось возможным только при увеличении в 10³...10⁴ раз квантованного напряжения первичного преобразователя частота- напряжение (криозонда), который помещается в гелиевый сосуд, т.е. достижение значений квантованного напряжения (1...10)В. Этого удалось добиться путем применения интегральной микросхемы, содержащей одновременно до 10³.10⁴ последовательно соединенных туннельных джозефсоновских переходов. В схемах с 1000 джозефсоновских переходов получено напряжение около 1 В, а в схемах с 20000 переходов - около 12 В.

   В России государственный первичный эталон ЭДС и постоянного напряжения воспроизводит вольт с помощью  эффекта Джозефсона. Размер единицы  вольта передается вторичному эталону, в качестве которого применяется  группа термостатированных насыщенных нормальных элементов.

   Воспроизведение единицы сопротивления основано на эффекте Холла. Квантовый эффект Холла связан с использованием явления  сверхпроводимости. Если структуру  металлокисел-полупроводник (МОП- структура) охладить до температуры 4,2 К и поместить в сильное магнитное поле с индукцией (6.12) Тл, то на выходе МОП-структуры, называемой холловским контактом, электрическое сопротивление будет изменятся ступенчатым образом, в соответствии с записью

   rх = n (h /е2),

где h - постоянная Планка, Дж*с;

   е - заряд  электрона, Кл.

   Значение  холловского сопротивления rх=25812,807 Ом имеет погрешность измерений около 2*10^-7 .

   Эталон  индуктивности- 4 катушки (групповой  индуктивности).

   Образцовые  катушки индуктивности представляют собой пластмассовый или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолированной проволоки, концы которой укрепляются на зажимах. Использование каркаса из немагнитного материала обеспечивает независимость индуктивности от тока в катушке.

   Добротность катушки Q увеличивают, уменьшая её активное сопротивление г. Образцовые катушки изготовляют на следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн.

   Образцовая  катушка с переменной индуктивностью - вариометр состоит из двух частей - неподвижной и подвижной, могущей поворачиваться на угол около 180. Индуктивность вариометра зависит от положения подвижной части.

   Магазин индуктивностей состоит из набора катушек, а иногда, кроме того, и из вариометра. Погрешность этого магазина индуктивностей равна ±(0,3±0,5)%.

   Катушка взаимной индуктивности выполняются  аналогично катушкам индуктивности, но имеют две обмотки.

   Общий характер снижении точности измерений  большинства электрических параметров с частотой. Интерес и необходимость  в создании лучших эталонов индуктивности в последние годы, по-видимому, не очень велики. Существующие эталоны индуктивности имеют долговременную стабильность порядка 0 01 %, а имеющиеся мосты вполне соответствуют целям поверок и эксплуатации. Дальнейшие исследования могут касаться отыскания такой конфигурации индуктивности, которая обеспечила бы простой и точный расчет ее в зависимости от единственного размера, как это имеет место для конденсатора Томсона - Лэмпарда.

 

3 Эталонные комплексы,  построенные на оптических явлениях: эталоны силы света, координат цветности, преломления света, прозрачности

   Рассмотрим  эталон силы света.

   Все световые величины описывают видимое излучение (свет), т. е. электромагнитное излучение  с длиной волны в диапазоне 380 .... 760 нм. Их введение было обусловлено  практическими потребностями в характеристиках источников и приемников освещения, воспринимаемых человеческим глазом. В качестве основной световой единицы с давних пор выбрана единица силы света, характеризующая источники видимого излучения.

   В 1909 г. за единицу силы света была принята "международная свеча", осуществляемая на основе электрических ламп накаливания. Такие электрические эталонные лампы сохраняли световые единицы в течение многих лет с погрешностью 0,1%. Однако воспроизводимость их не могла быть высокой, так как зависела от конструкции и технологии изготовления.

   Наиболее  универсальным излучателем является абсолютно черное тело (полный излучатель). Его излучение и приняли в  качестве эталонного на IX ГКМВ (1948 г.), хотя уже в конце 30-х годов многие страны создали эталоны на основе абсолютного воспроизведения свечи в виде полного излучателя при температуре затвердевания платины. Температура, при которой должно находиться излучающее тело, играет важную роль по двум причинам. Во - первых, эта температура должна быть достаточно большой, так как при этом увеличивается яркость (и сила света) источника. Кроме того, наиболее приближающимся по составу излучения к солнечному свету является абсолютно черное тело при температуре около 6000 К. Во-вторых, температура излучающего тела должна фиксироваться с возможно большей точностью, так как интенсивность излучения резко зависит от температуры. Такую фиксацию температуры наилучшим образом реализуют реперные точки — фазовые состояния чистых веществ. Выбор в качестве такой температуры точки затвердевания платины (2042 К) обусловлен практическими соображениями: большую температуру трудно реализовать в лабораторных условиях при соблюдении требований высокой точности аппаратуры эталона.

   Размер  единицы силы света (свечи), определенной на IX ГКМВ и уточненной на 20 ГКМВ (1967 г.) с присвоением наименования "кандела", определялся (кроме температур излучателя) площадью поперечного сечения полного излучателя и отличался от прежнего размера "международной свечи" на 0,5%.

   В 1979 году на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение канделы, по которому она воспроизводится путем косвенных измерений.

   Световые  измерения имеют ту особенность, что в них очень большую  роль играет ощущение человека, воспринимающего световой поток посредством глаз. В связи с этим обычные энергетические характеристики являются не совсем удобными для описания результатов таких измерений. Между энергетическими и световыми величинами существует однозначная зависимость, и, строго говоря, для проведения измерений световых величин не требуется введения новой основной величины. Однако, учитывая исторически сложившееся к моменту возникновения системы СИ число основных единиц физических величин, а также значительное влияние на результаты световых измерений субъекта измерений - человека, было принято решение ввести единицу силы света - канделу. Кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*10 Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт *ср^-1 .

   Исследования  показали, что средний глаз человека имеет наибольшую

   чувствительность  при длине волны около 0,555 мкм, что соответствует частоте

   540*10 Гц. Эту зависимость чувствительности  глаза от длины волны излучения описывают абсолютной световой эффективностью, которая равна отношению светового потока (т.е. оцениваемой нашим глазом мощности излучения) к полному потоку излучения. Световая эффективность представляет собой величину, позволяющую переходить от энергетических величин к световым Она измеряется в люменах, деленных на ватт. При существующем определении канделы максимальной световой эффективности придано точное значение Км = 683 Лм/Вт, тем самым она введена в ранг фундаментальных констант. В связи с этим кандела определяется путем косвенных измерений и, следовательно, является производной физической величиной, формально оставаясь основной.

   Современный государственный эталон канделы  имеет диапазон номинальных значений 30 - 15000 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений - 1*10^-3 кд ; неисключенная систематическая погрешность составляет 2,5 *10^-3 кд.

   Колориметрические методы измерения цвета, базирующиеся на световых величинах, характеризуют  цвет тремя параметрами. Система  обозначения цвета, рекомендованная в 1931 и не отменённая, а только дополненная в 1964 году, основана на трёх нереальных цветах X, Y, Z . Такие цвета удобны тем, что отнесённые к ним кривые смешения (функции сложения) не имеют отрицательных значений. Большое количество ординат этих кривых и яркостные коэффициенты основных цветов L_X и L_Z оказываются равными нулю. Яркость цвета определяется одной координатой Y. Всё это облегчает расчет уравнения цвета и геометрическое его представление (рисунок 1). Цветность смеси излучений X, Y и Z, взятых в равных количествах, совпадает с цветностью равноэнергетического белого цвета

   

 

   Рисунок -1 Тетраэдр колориметрической системы МКО 1931 г. XYZ

 

    4 Эталонные комплексы, построенные  на ядерных эффектах: Джозефсона, Холла, интерференции, тонкой  структуры

   Эталон  Фабри-Перо является ключевым элементом  интерферометра Фабри-Перо - прибора  высокого спектрального разрешения. Его важным отличием от обычных дифракционных спектрографов является отсутствие элементов, разлагающих свет в спектр, и отсутствие щели. Интерферометр широко применяется для исследования источников самой различной яркости с эмиссионным (реже - с абсорбционным) спектром. Особенно эффективно использование интерферометра для одновременного получения спектров и измерения доплеровских скоростей большого количества областей протяженного источника (солнечная корона, газовая эмиссионная туманность, галактика).

   В отличие  от «классического» спектрографа, эталон Фабри -Перо не требует узкой щели, что позволяет более полно использовать световой поток от исследуемых источников. Этот прибор не разлагает свет на спектр; он только пропускает (или не пропускает) свет определённых длин волн, значения которых зависят от угла падения света на его пластины. Эталон работает на принципе многолучевой интерференции, которая происходит в воздушном промежутке между двумя зеркальными полупрозрачными пластинками.

   Устройство  эталона предельно просто. Воздушный  промежуток толщиной h (рисунок 2) ограничен стеклянными пластинами, несущими зеркала и . Зеркала полупрозрачны, так что часть света отражается от них, а часть проходит без отражения. При использовании для астрономических наблюдений эталон обычно ставится за фокальной плоскостью объектива, в выходном зрачке линзы, преобразующей расходящийся пучок от бесконечно удаленного точечного источника, в параллельный. Поэтому от каждой точки наблюдаемого протяженного источника на эталон падает параллельный пучок лучей, интерферирующих между собой в результате отражения от зеркальных поверхностей. Большое число интерферирующих лучей с медленно спадающей интенсивностью получается за счёт высокого коэффициента отражения зеркальных слоев.