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Bestimmung der Boltzmann-Konstante abgeschlossen

30.03.2017

Der PTB ist eine unabhängige Messung der Boltzmann- Konstante k gelungen. Damit ist eine wesentliche Bedingung des Konsultativ-Komitees für Thermometrie (CCT) erfüllt, und der Weg für die Neudefinition des Kelvins über die Festlegung der Boltzmann-Konstante ist frei. Die abschließenden Messungen von k mit dem Dielektrizitätskonstanten- Gasthermometer besitzen eine relative Messunsicherheit von 1,9 ppm. Dies ist im Vergleich zur Messunsicherheit von 15 ppm zu Beginn des Projekts im Jahre 2007 eine beachtliche Reduktion um einen Faktor 8.

Mit der alternativen Messmethode, dem akustischen Gasthermometer, wurde k schon vor etwa 30 Jahren mit einer relativen Messunsicherheit von 1,8 ppm bestimmt. Im letzten Jahrzehnt konnte diese Methode nun an verschiedenen metrologischen Instituten verfeinert werden, wobei das genaueste Ergebnis eine um den Faktor zwei reduzierte Messunsicherheit hat. Mit diesen Ergebnissen wird die erste Bedingung des CCT für die Neudefinition erreicht, einen gemittelten Wert für die Boltzmann- Konstante mit einer Unsicherheit unter 1 ppm zu erhalten.

Die PTB hatte sich schon zu Beginn des Projektes vor über 10 Jahren zur metrologischen Absicherung das Ziel gesetzt, die Ergebnisse der akustischen Gasthermometrie durch eine unabhängige Methode mit vergleichbarer Messunsicherheit zu überprüfen. Sie setzt die Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie ein, die auf der In-situ-Bestimmung der Dichte des Messgases Helium beruht. Hierzu wird ausgenutzt, dass das Gas die Kapazität eines Kondensators ändert. Auf diesem Weg waren einige fundamentale Hürden zu nehmen. Die Unsicherheit der Druckmessung bei Drücken bis 7 MPa musste um einen Faktor 4 auf eine weltweit einmalige relative Messunsicherheit von 1 ppm reduziert werden. Die Messung der Kapazitätsänderungen erfordert sogar relative Unsicherheiten von einigen Milliardsteln. Darüber hinaus müssen die Materialparameter für die Kondensatoren bei den hohen Drücken an der Grenze des Messbaren bestimmt und eine Gasreinheit besser als 99,99999 % gewährleistet werden. Dies konnte nur durch verschiedene Kooperationen innerhalb der PTB und eine breite internationale Zusammenarbeit bewerkstelligt werden.