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Verbesserte Präzisionsbestimmung der Boltzmann-Konstanten in der PTB

18.05.2015

Abb. 1: Die weltweit genauesten Kolbenmanometer im Druckbereich bis 7 MPa sind in der Boltzmann-Kabine der PTB verglichen worden.

Abb. 2: Kondensatorsysteme mit zugehörigen Druckgefäßen zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Helium.

Bei der Bestimmung der Boltzmann-Konstanten k, die für die Neudefinition der SI-Basiseinheit Kelvin erforderlich ist, setzen viele Forschergruppen die akustische Gasthermometrie (Schallmessungen) ein, die auch die bisher genauesten Werte liefert. Die PTB hat einen alternativen, komplett unabhängigen Weg eingeschlagen, um systematische Fehlerquellen auszuschalten und damit die Neudefinition auf eine solide Basis zu stellen: Hier kommt die Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie (DCGT) zum Einsatz. Die Methode beruht auf der Dichtebestimmung des Messgases Helium mit Hilfe der Dielektrizitätskonstanten. Praktisch messen die Forscher, inwieweit das Gas die Kapazität eines speziellen, hochstabilen Messkondensators ändert. Aus Experimenten am Tripelpunkt des Wassers bei unterschiedlichen Gasdrücken (Isothermenmessungen) kann k mittels fundamentaler Zusammenhänge bestimmt werden. Jetzt ist es gelungen, die relative Unsicherheit der Bestimmung von k auf 4 ⋅ 10-6 zu verringern.

Diese Aufgabe stellt extreme Anforderungen an die Kapazitäts-, Druck- und Temperaturmesstechnik und konnte nur durch eine enge Kooperation mit mehreren anderen PTB-Arbeitsgruppen und der Industrie realisiert werden. Beispielsweise muss die Druckmessung bei 7 MPa mit Kolbenmanometern bis auf ein Millionstel (ppm) genau erfolgen, die Kapazitätsmessung gar auf ein Milliardstel. Für die notwendige Temperaturstabilität sorgt ein großer Badthermostat, der in Zusammenarbeit mit dem nationalen Metrologieinstitut Italiens hergestellt und optimiert wurde.

Ausführliche Vergleiche zwischen Kolbenmanometern unterschiedlicher effektiver Querschnittsfläche haben nun kombiniert mit dimensionellen Daten dazu geführt, dass die PTB Drücke bis 7 MPa mit der weltweit einzigartig niedrigen relativen Unsicherheit von 1 ppm messen kann. Diese Verbesserung führte zu einer relativen Standardunsicherheit des mit dem DCGT erhaltenen Wertes der Boltzmann-Konstante von 4 ppm. DCGT und Rauschthermometer sind damit nach dem akustischen Gasthermometer die genauesten Methoden zur Bestimmung dieser Fundamentalkontante, deren Festlegung im Jahr 2018 die Basis für die Neudefinition der Temperatureinheit Kelvin bilden wird.

Ansprechpartner:

C. Gaiser, 7.43, E-Mail: Opens window for sending emailChristof.Gaiser(at)ptb.de