基于氦氣電學(xué)測量的壓力測量新方法

作為溫度單位開爾文重新定義工作的研究成果，德國物理技術(shù)研究院（PTB）的科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出一種全新的基于自然常數(shù)的壓力測量方法。它可以用于測試PTB最精準(zhǔn)的壓力表，檢查范圍從之前的10萬帕斯卡增加到目前最高700萬帕斯卡。這種方法首次在機(jī)械和電壓力測量之間進(jìn)行比對，相對不確定度小于五百萬分之一。此外，新測量方法還提供了研究氦的獨(dú)特機(jī)會，氦是基礎(chǔ)物理學(xué)中的重要模型體系。這一研究結(jié)果發(fā)表在最近一期的《自然物理》中。

活塞壓力計是通過確定作用在活塞上的重力來精確測量活塞下方的氣體壓力，在某些壓力范圍內(nèi)，即使最好的活塞壓力表也無法達(dá)到計量學(xué)家所希望的精準(zhǔn)度，因此長期以來研究人員一直在努力研發(fā)新的壓力測量方法。PTB研制的新測量方法原理是通過電容測量進(jìn)行氦氣密度測定，主要測量電極之間的氣體在多大程度上改變了高穩(wěn)定特殊電容器的容量。

PTB的研究人員在介電常數(shù)氣體溫度計上進(jìn)行電容測量。

早在1998年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科研人員就提出使用電學(xué)測量法（容量測量法）對氦氣的氣體特性進(jìn)行理論計算來測量壓力。然而，實(shí)現(xiàn)這一想法是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。精確電容測量和高穩(wěn)定電容器以及基于自然常數(shù)的理論計算一直未達(dá)到必要的水平。此外，與經(jīng)典活塞壓力計也沒有實(shí)現(xiàn)充分的比對。

PTB新研發(fā)的高精度活塞壓力計

在過去十年中，PTB逐漸克服了相關(guān)實(shí)驗(yàn)障礙，借助重新定義溫度單位開爾文的研究，最終把經(jīng)典活塞壓力測量和容量測量均提升至世界一流水平。首次實(shí)現(xiàn)700萬帕斯卡壓力，是正常壓力的七十倍，相對不確定度小于五百萬分之一。同時，與經(jīng)典活塞壓力計進(jìn)行了比對，這也是機(jī)械壓力測量和電壓力測量之間的首次比對。

容量測量法為高精度壓力校準(zhǔn)提供了第二種方法。一方面，該方法以及與經(jīng)典壓力標(biāo)準(zhǔn)的直接比對提供了驗(yàn)證氦的理論計算可能性。另一方面，還可以用于測量其他氣體，促進(jìn)氣體計量學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。