В России создают эталонный килограмм

11:31, 24 января 2022

Разработки уральских ученых позволят получить измерительную систему мирового уровня

В УрФУ исследования проводятся под руководством научного сотрудника отдела магнетизма твердых тел Алексея Волегова. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского федерального университета с коллегами из Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» трудятся над созданием электромагнитной системы отечественной модели весов Киббла. Это высокоточный прибор, который должен стать эталоном массы — килограмма. Уральские ученые определили основные подходы, которые позволят создать весы Киббла с точностными характеристиками, не уступающими лучшим мировым образцам. Статья с описанием проведенных исследований и их результатов опубликована в журнале «Измерительная техника».

Разработкой и усовершенствованием весов Киббла, помимо России, занимаются Великобритания, США, Канада, Франция, Италия, Швейцария, 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.

Масса груза, установленного на весы Киббла, с предельной тщательностью определяется в магнитном поле магнитной системы весов. Проблема в том, что как только на катушку с проволокой, прикрепленную к чаше с грузом и находящуюся в магнитном поле, подают электрический ток, меняется само магнитное поле. В том числе над решением этой основополагающей проблемы работают специалисты УрФУ и УНИИМ.

Коллеги изготовили две магнитные системы. Одна из них соответствует «классическому» образцу, принятому в мире: она включает в себя два постоянных магнита, выполненные из металлических порошков, а остальная, большая часть магнитной системы, состоит из магнитомягких материалов (катушка изготавливается из немагнитного материала, чтобы без приложения тока магнитное поле магнитной системы воздействовало на нее как можно меньше).

«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 старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Алексей Волегов.

Усовершенствования стали первым этапом решения проблемы. Во второй магнитной системе, изготовленной специалистами УрФУ и УНИИМ, 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 измерительную 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 работ посвящен улучшению однородности магнитного поля и усовершенствованию измерительной системы. И в том, и в другом случае ученые хорошо представляют способы выполнения стоящих перед ними задач.

Отметим, общее руководство и финансирование проекта осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстанадарт). Исследования проводятся по заказу Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург). Петербуржцы в данном проекте отвечают за разработку концепции, механики и алгоритмов работы весов.

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. Так, 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, составляющую 6,62607015·10−34 Дж/с. 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. История сотрудничества университета с Уральским научно-исследовательским институтом метрологии насчитывает более 40 лет.