Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Darstellung des Kilogramm: Volumenbestimmung im Ringvergleich Masse CCM.M-K8.2021

14.11.2022

Im CCM (Consultative Committee for Mass and Related Quantities) war beschlossen worden, das Kilogramm nach Möglichkeit alle zwei Jahre durch nationale Metrologieinstitute darzustellen. Dies geschieht, je nach Institut, zurzeit durch Kibble- und Joule-Waagen bzw. mit Hilfe der Röntgen-Kristall-Dichtemethode (XRCD). Da bereits 2017 die acht Einreichungen zur Festlegung der Planck-Konstante statistisch nicht konsistent waren, wurde beschlossen, dass für die Weitergabe des Kilogramm jeweils ein "Konsenswert" ermittelt wird, bis eine ausreichende Übereinstimmung zwischen den Darstellungsarten erreicht sein wird [1]. Bei den Teilnehmern 2021 kam es – sicherlich Corona-bedingt – zu einigen Veränderungen, KRISS (Korea) nahm nicht mehr teil, dazu kamen Beiträge von LNE (Frankreich), METAS (Schweiz) und UME (Türkei) – diese nutzten alle Kibble-Waagen.

Für die Darstellung des Kilogramms in der PTB wurde das Volumen von zwei 28Si-Kugeln bestimmt. Gemäß XRCD wird die Masse einer Kugel durch die molare Masse und den Gitterparameter der verwendeten 28Si-Kristalle, sowie durch die Volumenbestimmung der aus dem jeweiligen Kristall gefertigten Kugel bestimmt. Vereinbarungsgemäß ist die Masse der Kugel nur die Masse des 28Si-Kerns – daher wird zusätzlich eine in den Arbeitsgruppen 1.11 und 7.22 durchgeführte, genaue Oberflächencharakterisierung mit XRF (x-ray fluorescence analysis) und XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) notwendig. Hiermit kann eine Korrektion der Oberflächenschicht-Masse (Oxid, Wasserschicht, mögliche kohlenwasserstoffhaltige Verunreinigungen) erfolgen. Weiterhin dienen diese Angaben der Modellierung des optischen Phasensprungs für die interferometrische Durchmesserbestimmung des 28Si-Kerns. Die beiden aus unterschiedlichen Kristallen gefertigten Kugeln der PTB (ø ≈ 93,7 mm, m ≈ 1,000 kg) sind die Avo28_S8c aus dem Avogadro-Projekt und die 28Sikg01a. Die interferometrischen Messungen waren stark durch Schwingungen durch externe Baumaßnahmen beeinträchtigt. Um diese Einflüsse zumindest zu einem Teil abzufangen, wurden beide Kugeln mehrfach und im Wechsel in beiden Kugelinterferometern gemessen, so dass der Messaufwand für diesen key-comparison-Beitrag deutlich erhöht war. Die durch Erschütterungen beeinträchtigten interferometrischen Einzelmessungen in Kugelinterferometer 1 und Kugelinterferometer 2 führten zu einer Standardabweichung, die die berechnete relative Messunsicherheit einer unter optimalen Bedingungen durchgeführten Messung von 7x10-9 übertraf. Daher musste die Messunsicherheit für beide Kugeln auf 10x10-9 erhöht werden. Für beide Kugeln wurde ein gegenüber 2019 leicht verringerter Messwert für das Kernvolumen ermittelt. Dies wurde zu einem Großteil durch die XPS/XRF-Messungen für eine erhöhte Oxidschichtdicke bestätigt. Selbst die erhöhte Messunsicherheit von 1x10-8 entspricht immer noch nur einem 1/6 nm.

Die Ergebnisse auch dieses key-comparison bestätigen die vorangegangenen Ergebnisse der PTB innerhalb einer Messunsicherheit (k=1) und manifestieren die Diskrepanz zu den Kibble-Balance-Werten des NRC, das mit einer ebenso geringen Messunsicherheit den ‚oberen‘ Wert für das Kilogramm vertritt.


Literatur

[1] CCM, 2019, “CCM detailed note on the dissemination process after the redefinition of the kilogram”, auf der BIPM website verfügbar: www.bipm.org

 

 

 

 

 

 

 

Contact

Address

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig