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Erste offizielle Vergleichsmessung der Realisierungen der neuen Definition des Kilogramm

12.04.2021

Die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat am 16. November 2018 eine Revision des Internationalen Einheitensystems (SI) beschlossen. Seit der Einführung des neuen SI am 20. Mai 2019 beziehen sich alle SI-Einheiten auf festgelegte Werte von sieben Naturkonstanten. Das Kilogramm wird in diesem neuen Einheitensystem von einem festgelegten Wert für die Planck-Konstante abgeleitet [1-4].

Um die internationale Vergleichbarkeit und zukünftige Anerkennung unterschiedlicher Realisierungen der Masseneinheit zu ermöglichen, wurde von dem Beratenden Komitee für Masse und verwandte Größen (Consultative Committee for Mass and Related Quantities, CCM) eine erste internationale Vergleichsmessung (Key Comparison CCM.M-K8) der Realisierungen der Neudefinition des Kilogramm unter Leitung des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) durchgeführt. Neben dem BIPM, das auch mit einer Kibble-Waage an der Vergleichsmessung teilgenommen hat, waren die folgenden sechs nationalen Metrologieinstitute vertreten: KRISS (Südkorea, Kibble-Waage), NIM (China, Joule-Waage), NIST (USA, Kibble-Waage), NMIJ (Japan, 28Si-Kugel), NRC (Kanada, Kibble-Waage), PTB (Deutschland, 28Si-Kugel). Jeder Teilnehmer bestimmte die Masse von ein oder zwei 1-kg-Transfernormalen im Vakuum mit Hilfe seines Realisierungsexperiments.

Die PTB verwendete ein Kilogrammprototyp aus Platin-Iridium und eine Siliziumkugel als Transfernormale. Die Masse dieser Transfernormale wurde im Vakuum im Vergleich zur Masse zweier 28Si-Kugeln mit den Bezeichnungen AVO28-S8c und Si28kg01a, die aus zwei unterschiedlichen 28Si-Einkristallen hergestellt und als Primärnormale der Masse [3] eingesetzt wurden, bestimmt. Die relativen Standardunsicherheiten (k = 1) der zwei Realisierungen der Definition des Kilogramm betrugen 1,6 · 10-8 (AVO28-S8c) und 1,4 · 10-8 (Si28kg01a). Für das jeweilige Transfernormal ergab sich eine relative Massedifferenz zwischen den Realisierungen (AVO28-S8c und Si28kg01a) von 9 · 10-9.

Im BIPM wurden alle Transfernormale der Teilnehmer im Vakuum mit einem Referenznormal verglichen. In Verbindung mit den von den Teilnehmern auf Grundlage ihrer Realisierung bestimmten Massewerten konnten die Differenzen zwischen den einzelnen Realisierungen und dem Referenzwert, der als gewichteter Mittelwert aus den Vergleichsmessungen der Transfernormale am BIPM berechnet wurde, ermittelt werden [5]. Bild 1 zeigt die Übereinstimmung der Ergebnisse der Teilnehmer mit dem Referenzwert. Der Chi-Quadrat-Test auf Konsistenz (Vertrauensbereich 95 %) wurde bestanden. Die Übereinstimmung der Ergebnisse der Experimente mit den kleinsten Messunsicherheiten (NIST, NMIJ, NRC, PTB) hat sich seit der letzten Bestimmung der Planck- und Avogadro-Konstanten zur Revision des Internationalen Einheitensystems (SI) 2018 verbessert [6]. Bild 1 zeigt auch die Differenz zwischen der am BIPM über das Internationale Kilogrammprototyp (IPK) bewahrten Rückführung der BIPM-Arbeitsnormale auf die Planck-Konstante, h(IPK), und dem Referenzwert. Die am BIPM bewahrte Rückführung der BIPM-Arbeitsnormale weicht um 19 µg von dem Referenzwert für die Realisierungsexperimente ab. Mit dem Abschluss dieser internationalen Vergleichsmessung von Realisierungen der neuen Definition des Kilogramm konnte auch der erste Konsenswert zur Weitergabe der Masseneinheit von der „CCM Task Group on the Phases for the Dissemination of the kilogram following redefinition“ (CCM-TGPfD-kg) bestimmt werden [5, 7-11]. Die nächste Vergleichsmessung der Realisierungsexperimente ist bereits geplant. Der offizielle Start wird voraussichtlich 2021/22 sein. 

 

Bild 1: Massedifferenzen zwischen den Ergebnissen der Teilnehmer, die den 1-kg-Transfernormalen auf Grundlage der jeweiligen Realisierungsexperimente zugeordnet wurden, und dem Referenzwert (KCRV), der als gewichteter Mittelwert aus den Vergleichsmessungen der Transfernormale am BIPM berechnet wurde. Zusätzlich wurde auch die Differenz zwischen der am BIPM über das Internationale Kilogrammprototyp (IPK) bewahrten Rückführung der BIPM-Arbeitsnormale auf die Planck-Konstante, h(IPK), und dem Referenzwert dargestellt. Die Unsicherheitsbereiche entsprechen den erweiterten Messunsicherheiten (k = 2) dieser Differenz [5].

 

Literatur:

[1] Resolutions of the 26th meeting of the General Conference of Weights and Measures (CGPM), Versailles, 13-16 November 2018, Opens external link in new windowLink

[2] PTB: Research on the new SI, Opens external link in new windowLink

[3] Bureau International des Poids et Mesures: The International System of Units (SI), 9th SI Brochure, 2019 – Appendix 2: Mise en pratique for the definition of the kilogram in the SI, Opens external link in new windowLink

[4] Bureau International des Poids et Mesures: The International System of Units (SI), 9th SI Brochure, 2019, Opens external link in new windowLink

[5] Stock, M. et al.: Report on the CCM key comparison of kilogram realizations CCM.M-K8.2019, Metrologia 57 (2020) Tech. Suppl. 07030, Opens external link in new windowLink

[6] Newell, D. B. et al.: The CODATA 2017 values of h, e, k, and NA for the revision of the SI, Metrologia 55 (2018) L13 Opens external link in new windowLink

[7] Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM): Report of the 16th meeting (18-19 May 2017) to the International Committee for Weights and Measures, Opens external link in new windowLink

[8] Consultative Committee for Mass and Related Quantities: CCM detailed note on the dissemination process after the redefinition of the kilogram, Approved at the 17th CCM meeting, 16-17 May 2019, Opens external link in new windowLink

[9] M. Stock, S. Davidson: Report on the Calculation of the CCM Consensus Value for the Kilogram 2020, Opens external link in new windowLink

[10] CCM Task Group on the Phases for the Dissemination of the kilogram following redefinition (CCM-TGPfD-kg): Calculation of the Consensus Value for the Kilogram 2020, Opens external link in new windowLink

[11] Bureau International des Poids et Mesures: Beginning a new phase of the dissemination of the kilogram, Opens external link in new windowLink

 

Ansprechpartner:

Borys, Michael, FB 1.1, E-Mail: Opens local program for sending emailmichael.borys(at)ptb.de