Российские ученые создают отечественную модель весов Киббла. Это высокоточный прибор, который должен стать эталоном массы — килограмма. Физики изготовили две магнитные системы и определили основные подходы, которые позволят создать весы Киббла с точностными характеристиками, не уступающими лучшим мировым образцам. Над созданием весов Киббла работают ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) с коллегами из Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (Екатеринбург). Статья с описанием проведенных исследований и их результатов опубликована в журнале «Измерительная техника».
В УрФУ исследования проводятся под руководством научного сотрудника отдела магнетизма твердых тел Алексея Волегова. Фото: Илья Сафаров
Разработкой и усовершенствованием весов Киббла, помимо России, занимаются США, Канада, Франция, Италия, Швейцария, Великобритания, Турция, Китай, Южная Корея. Создание российского варианта эталонного килограмма — вопрос не только престижа, но и безопасности. Во-первых, простое заимствование прибора чревато зависимостью от страны-поставщика. Во-вторых, обладание собственным эталоном массы важно для таких сфер, как наука и торговля. В-третьих, процесс создания весов стимулирует развитие национальных технологий.
В весах Киббла масса груза определяется в магнитном поле. Основная проблема в том, что, как только в режиме взвешивания груза на катушку подают электрический ток, меняется само магнитное поле. В том числе для решения этой проблемы российские специалисты разработали две магнитные системы. Одна из них соответствует «классическому» образцу, принятому в мире: включает в себя два постоянных магнита, выполненные из металлических порошков, а остальная, большая часть магнитной системы, состоит из магнитомягких материалов.
«Магниты — материалы с линейной текстурой, хрупкие и неоднородные. Тогда как нам необходимо радиальное и очень однородное распределение магнитного поля в так называемом зазоре — воздушном пространстве, в котором перемещается катушка. Для этого мы использовали магнитомягкие элементы, которые и создают необходимую конфигурацию магнитного поля», — объясняет участник исследовательской группы, старший научный сотрудник Отдела магнетизма твердых тел УрФУ Алексей Волегов.
Усовершенствования стали первым этапом решения проблемы. Во второй магнитной системе, которую изготовили уральские специалисты, постоянные магниты расположены гораздо ближе к воздушному зазору магнитной системы. Это снизило зависимость магнитного поля от силы электрического тока в ней.
«Перед тем как сконструировать и собрать первую магнитную систему, мы рассчитали ее параметры с помощью метода конечных элементов. А после сборки тщательно измерили распределение магнитного поля в ней, то, как катушка с проволокой движется в системе, какие электродвижущие силы при этом возникают, как сила электрического тока, пропускаемого через катушку, влияет на изменение поля и потокосцепления, то есть суммарного магнитного потока, пронизывающего все витки катушки», — рассказывает Алексей Волегов.
Для сканирования магнитного поля в системе ученые изготовили специальную установку и проводили измерения в течение двух месяцев по 10-12 часов в сутки.
«Благодаря этому сейчас мы четко знаем сильные стороны созданных систем и их недостатки, то, насколько механически точно можно в наших условиях воспроизвести магнитную систему для российского варианта весов Киббла. Испытания системы на макетах весов Киббла в петербургском ВНИИ метрологии показали, что мы движемся в верном направлении», — резюмирует Алексей Волегов.
Следующий этап работы — улучшить однородность магнитного поля и усовершенствовать измерительную систему. И в том, и в другом случае ученые хорошо представляют способы выполнения стоящих перед ними задач.
Отметим, над созданием весов Киббла работают ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) с коллегами из Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (Екатеринбург). Общее руководство и финансирование проекта осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Исследования проводятся по заказу Всероссийского НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева (Санкт-Петербург). Петербуржцы отвечают за разработку концепции, механики и алгоритмов работы весов, задача УрФУ и УНИИМ — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» — создать электромагнитную систему.
Справка
Современная система мер создана в 1875 году, когда 17 стран, в том числе Российская империя, заключили в Париже Метрическую конвенцию. С тех пор физические «подлинники» метра и килограмма хранятся в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в пригороде Парижа — Севре, а странам-участницам конвенции были предоставлены точные копии эталонов.
В 1960 году утверждена Международная система единиц, в которую вошли шесть основных величин: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Спустя десятилетие к ним добавили количество вещества. Посредством этих единиц по соответствующим физическим законам стали определять все остальные величины. Уже в то время из-за возросших требований к точности измерений метрологи стали переходить от физических воплощений (артефактов) эталонов к их выражению через квантовые законы и фундаментальные физические константы. К примеру, за метр приняли расстояние, проходимое электромагнитным излучением за 1 / 299 792 458 м/с.
В конце XX века выяснилось, что решение было верным. Проверки национальных копий эталона килограмма показали, что за прошедший век их массы в сравнении с главным, «севрским» килограммом изменились на ±50 микрограммов: сказались диффузии и испарения вещества, загрязнения в моменты, когда эталоны извлекались из вакуума. Риску деформаций подвержен и «царь-килограмм» — цилиндр, изготовленный из платино-иридиевого сплава. Вместе с тем новые требования к точности и универсальности единиц измерения (особенно в науке) вызвали идею связать их с неизменными фундаментальными константами.
В 2018 году была утверждена, а в 2019-м вступила в силу новая версия Международной системы единиц. В соответствии с ней килограмм выражается через постоянную Планка. Измерения производятся с помощью сверхточного и очень сложного прибора, названного весами Киббла — по имени британского физика, метролога и изобретателя Брайана Киббла, создавшего установку в 1975 году.
По прогнозам специалистов, реализация проекта по созданию российских весов Киббла займет не менее пяти лет. Уральский федеральный университет, участвующий в проекте, — один из немногих российских вузов, занимающийся разработкой магнитных систем, это направление развивается в УрФУ на протяжении полувека.
Информация предоставлена пресс-службой Уральского федерального университета
Источник фото: urfu.ru
