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Bislang genaueste Massebestimmung einer 1-kg-Siliziumkugel für das Avogadro-Projekt in der PTB

28.09.2010

Die Masse der 28Si-Kugel AVO28-S8 konnte im Vakuum mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 6,5 · 10-9 bestimmt werden.

1-kg-Siliziumkugeln werden im Rahmen eines internationalen Projektes zur Neubestimmung der Avogadro-Konstanten und als Primärnormale der Festkörperdichte eingesetzt. Auf Grund ihrer im Vergleich zu Kilogrammprototypen und Stahlnormalen deutlich geringeren Dichte kann ihre Masse gegenwärtig nicht – wie im internationalen Avogadro-Projekt angestrebt – mit Standardunsicherheiten kleiner als 10 µg (relativ < 1 · 10-8) in Luft bestimmt werden. Massebestimmungen im Vakuum (< 0,1 Pa) wurden bislang durch einen relativ großen Unsicherheitsbeitrag der Sorptionskorrektion beeinträchtigt. Mit dem Einsatz von No matching tab handler could be found for link handler key record:tt_news:1719. (PtIr 10) konnte dieser Einfluss um mehr als 80 % gegenüber bisherigen Werten verringert werden. Die Sorptionskörper dienen hierbei als Transfernormale für den Wechsel zwischen Luft und Vakuum.

Die Referenzmasse für den Masseanschluss der Sorptionskörper und die Massebestimmung der 28Si-Kugel AVO28-S8 in Luft bildete das Kilogrammprototyp Nr. 70 (Bild 1). Zusätzlich wurden Luftauftriebeskörper zur Bestimmung der Luftdichte während der Vergleichsmessungen in Luft verwendet. Den aus vier Luft- und zwei Vakuum-Zyklen bestehenden Messverlauf zeigt Bild 2. Dargestellt sind die aus mindestens drei Wägeserien zu sechs ABBA-Wägezyklen berechneten Mittelwerte. Die Standardunsicherheit (k = 1) der Massebestimmung in Luft beträgt 12 µg, wobei die größten Beiträge zur Gesamtunsicherheit aus der Luftdichtebestimmung (9 µg) und der Masse des Kilogrammprototyps (6 µg) resultieren. Für die Massebestimmung unter Vakuumbedingungen konnte eine Standardmessunsicherheit von 6,5 µg erreicht werden, die sich im Wesentlichen aus den Unsicherheitsbeiträgen des Kilogrammprototyps (6 µg) und der mit Hilfe der Pt-Ir-Sorptionskörper ermittelten Sorptionskorrektion (1 µg) zusammensetzt. Die Massedifferenz zwischen der ersten und der zweiten Vakuummessung beträgt -0,8 µg und zwischen der ersten und letzten Messung in Luft -1,7 µg. Die Massedifferenzen zwischen den in Luft und in Vakuum bestimmten Kugelmassen sind kleiner als 2,5 µg. Dieser Wert spricht für ungewöhnlich kleine Sorptionseffekte auf der Kugeloberfläche und die hohe Oberflächenqualität der AVO28-S8.

Blick in den Wägeraum während der Massebestimmung der &amp;lt;sup&amp;gt;28&amp;lt;/sup&amp;gt;Si-Kugel AVO28-S8 (1) mit Kilogrammprototyp Nr. 70 (2), Platin-Iridium-Sorptionskörpern (3, 5) und Luftauftriebskörpern (4, 6)

Bild 1: Blick in den Wägeraum während der Massebestimmung der 28Si-Kugel AVO28-S8 (1) mit Kilogrammprototyp Nr. 70 (2), Platin-Iridium-Sorptionskörpern (3, 5) und Luftauftriebskörpern (4, 6)

Massebestimmung der &amp;lt;sup&amp;gt;28&amp;lt;/sup&amp;gt;Si-Kugel AVO28-S8: Messergebnisse in Luft und Vakuum (angegebene Unsicherheitsbereiche entsprechen den jeweiligen Standardunsicherheiten &amp;lt;i&amp;gt;u&amp;lt;/i&amp;gt;(&amp;lt;i&amp;gt;k&amp;lt;/i&amp;gt; = 1), Masseangaben in Luft ohne Korrektion der Sorptionsschichten auf der Kugeloberfläche)

Bild 2: Massebestimmung der 28Si-Kugel AVO28-S8: Messergebnisse in Luft und Vakuum (angegebene Unsicherheitsbereiche entsprechen den jeweiligen Standardunsicherheiten u(k = 1), Masseangaben in Luft ohne Korrektion der Sorptionsschichten auf der Kugeloberfläche)

Ansprechpartner:

Michael Borys, FB 1.1, AG 1.11, E-Mail: michael.borys@ptb.de