Спосіб отримання кванта температури на основі фундаментальних сталих речовин і створення еталону температури та пристрій для його реалізації

Реферат: Галузь застосування. Спосіб належить до методів і техніки термометрії, стандартизації та сертифікації теплотехнічних, енергетичних та інших видів вимірювань, де здійснюються також контроль температури. Суть способу. Завдяки розроблення способу отримання кванта температури, побудованого на основі фундаментальних сталих речовини, які визначаються глибинними властивостями матерії, вперше з'являється можливість квантувати температуру, що в свою чергу дає змогу створити еталон температури як технічний засіб. Останній може використовуватись для прямого градуювання технічних термометрів, тобто в області термометрії, стандартизації та сертифікації теплотехнічних та енергетичних вимірювань, а також в автоматиці й інформаційновимірювальній техніці, у сфері високоточних вимірювань температури у промислових та лабораторних умовах, включаючи умови віддаленого доступу, до прикладу, у інформаційновимірювальних підсистемах кібер-фізичних систем. Таким чином, створюється винятково на основі фундаментальних сталих речовини перший еталон температури, як фізичної величини системи одиниць СІ і водночас останньої з ряду 7 основних одиниць зазначеної системи (кг, м, секунда, ампер, моль, кандела, кельвін), для якої ще не здійснено квантування. Тобто, створюється еталон температури, що є незалежним від будь-яких додатково введених чи вимірюваних коефіцієнтів або величин, що вимагають додаткових вимірювань та визначень. Технічний результат досягається за рахунок використання саме фундаментальних сталих речовини, що, з одного боку, є незмінними, оскільки визначаються глибинними властивостями UA 115601 C2 (12) UA 115601 C2 матерії, а, з іншого боку, значення цих сталих встановлені іншими декількома релевантними способами з високою точністю, знаючи які можна апріорі встановити значення кванта температури і, тим самим, отримати каліброване значення приросту температури у заздалегідь визначених умовах вимірювання. Це дає змогу підвищити точність і надійність температурних вимірювань завдяки створенню першого у світі еталону температури нового покоління - еталону на основі фундаментальних сталих речовини. UA 115601 C2 Спосіб належить до області термометрії і може знайти застосування у всіх галузях науки і техніки, промисловості, де застосовуються вимірювання температури. Відомий спосіб визначення фіксованого значення температури на основі фундаментальних 5 , сталих речовини або одиниці температури TP ( TP  1416 808(33)  1032 К - температура Планка), отриманого за результатами розгляду гравітації у Всесвіті, в момент його створення, коли гравітаційні сили стають порівнюваними за значеннями із силами інших фундаментальних взаємодій [Томилин К.А. Планковские величины // 100 лет квантовой теории. История. Физика. Философия: Труды международной конференции. - М.: НИА-Природа, 2002. - С. 105-113]. Дана температура визначена через фундаментальні сталі речовини: 10 15 20 25 30 35 40 45 50 TP  hc 5 2 2Gk B , де h - стала Планка, c - швидкість світла у вакуумі, G - гравітаційна стала, k B - стала Больцмана. Проте температура Планка не може служити квантом температури, оскільки це найвища температура, що була виражена вченим теоретично і не може бути створена, досягнута та поміряна. Найбільш близьким є спосіб отримання кванту фізичної величини на основі фундаментальних сталих речовини та створення її еталону, в якому використовують явище розсіювання електронів на фононах на границях надпровідника, що формує суть квантового ефекту Клітцинга, який зокрема полягає у тому, що у надпровідному об'єкті, до прикладу в карбоновій нанотрубці, електрони провідності розсіюються винятково на фононах атомів її контактів з підвідними дротами [B. Jeckelmann, B. Jeanneret. The Quantum Hall Effect as an Electrical Resistance Standard, Seminaire Poincare, 2, 2004, pp. 39-51, http://www.bourbaphy.fr/jeanneret.pdf], формуючи при цьому квант електричного опору (англ. inverse of conductance quantum), рівний 12906,403 Ом або його подвійне значення - сталу Клітцинга, рівну 25812,806 Ом. Останнє визначається винятково виразом RKl  h / e 2 через дві фундаментальні константи речовини - h (стала Планка) та e (заряд електрона). Проте, даний чи будь-який подібний спосіб досі не застосовувався до отримання кванту температури; його досі не виражено через фундаментальні сталі речовини. Відповідно, не створено еталон температури, побудований на згаданому кванті. В основу винаходу поставлена задача створити спосіб отримання кванту температури, як останньої неквантованої основної фізичної величини системи СІ і тому не прив'язаної до фундаментальних сталих речовини, що визначаються глибинними властивостями матерії, незалежними від її виду та стану. Завдяки цьому з'являється змога сформувати принципово нову, більш сучасну і, головне, безумовно об'єктивну шкалу температури на підставі розроблення еталону температури нового типу. Подібні еталони вже розроблено для всіх інших основних одиниць системи СІ, а також для таких неосновних електричних одиниць, як одиниця електричної напруги (В) та одиниця електричного опору (Ом). В останньому використовується явище квантового розсіювання електронів на фононах на границях надпровідника, що формує суть ефекту Клітцинга. Поставлена задача вирішується тим, що у способі отримання кванту фізичної величини на основі фундаментальних сталих речовини та створення її еталону, в якому застосовують явище квантового розсіювання електронів на фононах на границях надпровідника, що формує суть 11 K на 1 електрон за ефекту Клітцинга, для отримання кванту температури розміром 3.2  10 секунду, використовується фіксоване і регульоване значення тепловиділення в зоні контактів надпровідника з елементами нормальної електропровідності шляхом подачі до контактів регульованої та фіксованої кількості електронів в одиницю часу та вимірювання усередненого значення приросту температури 2-х згаданих контактів, що дає змогу завдяки цьому отримати її калібрований відлік у вигляді кванту або сукупності квантів температури та створити нового типу еталон температури, як фізичної величини. При цьому, зміна температури і сам розмір її кванту визначається завдяки фіксованому (регульованому) значенню тепловиділення в зоні контактів надпровідника з елементами нормальної електропровідності шляхом подачі до контактів фіксованої (регульованої) кількості електронів в одиницю часу та вимірювання усередненого значення приросту температури цих контактів. Конкретніше, в основу запропонованого способу отримання кванту температури на основі фундаментальних сталих речовини покладено розсіювання електричної енергії I R  U / R на електричному опорі номіналом, рівним 25812,807 557±0,0040 Ом (опір Клітцинга 2 2 RKl  h / e 2 ): 1 UA 115601 C2 3 E  U2 t / RKl  I2RKl t  N k B T 2 , (1) завдяки протіканню електронного струму, генерованого стабільним у часі джерелом живлення, що розсіюється на контактах цього елемента з підвідними дротами. При цьому, електричний струм формується в одиницю часу N електронами провідності, кожен з яких 3 5 передає енергію 2 kBT атомам речовини. Можна оцінити зміну температури T контактів, підставляючи у (1) значення струму отримуючи: l Q Ne  t t ( t - період часу), що проходить через них, і Ne 2 h t  N 3 k T B 2 t 2 e2 10 (2) Звідси, стрибок температури T при пропусканні струму I через даний електричний опір (охолодження тут апріорі вважаємо нехтуючи незначним) визначається як: T  15 2hN 2hI  ,K 3k B t 3k B e . (3) При відомій кількості електронів в одиницю часу, пропущених через даний опір, можна привести результуюче значення приросту температури до одного електрона, який розсіюється на фононах атомів контактів за одиницю часу. Такий приріст температури, названий приведеним квантом температури, визначається винятково фундаментальними сталими речовини ( h і k B ) і становить: T t 1s.  TUR  N1 20 2h 3k B K  11 K   s.   1s.  3.19949342 10   . (4) Він не залежить від виду і стану речовини, від наявності реперних точок шкали температур. Непевність його визначення задається сумою 2 непевностей: сталої Планка і сталої Больцмана, значення яких приведені у [P.J. Mohr, B.N. Taylor, D.B. Newell, The 2010 CODAТА Recommended 8 25 30 35 40 45 50 Values of Fundamental Physical Constants, 2011] та рівна 59,2  10 . Поставлена задача також вирішується тим, що в запропонованому способі отримання кванту фізичної величини та створення її еталону на основі фундаментальних сталих речовини, для подачі регульованої та фіксованої кількості електронів в одиницю часу використовують електронну помпу або ж еквівалентний електронний вузол з каліброваним відліком кількості поданих електронів за одиницю часу, а для вимірювання температури контактів надпровідного елементу використовується достатньо чутливий метод, що не вносить істотної методичної похибки, причому пропускання струму та вимірювання приросту температури здійснюють почергово. Сучасні методи роботи з атомними силовими мікроскопами, де вивчають переходи електронів з кантилевера до матриці при розмиканні контакту, а також низка інших методів, дають змогу точно, з похибкою до 1 електрона в секунду, визначати кількість електронів. Одночасно для вимірювання температури та її приросту в зоні контактів нами пропонується будь-який метод, що не вносить істотної методичної похибки. Це може бути контактний або безконтактний метод, робота якого базується на перетворенні зміни температури бажано в електричний сигнал. Крім того, для того, щоб усунути можливу негативну дію струму пропускання, вимірювання здійснюють в режимі відключення джерела живлення. Тобто, робота за даним способом може проводитися в циклічному режимі: дисипація електричної енергії вимірювання її наслідків. Поставлена задача додатково вирішується тим, що в запропонованому способі отримання кванту фізичної величини на основі фундаментальних сталих речовини та створення її еталону, як надпровідний елемент використовують карбонову нанотрубку, а для вимірювання температури застосовують термоелектричний метод з використанням П-подібної термопари з достатньою за значенням абсолютною термоерс, де поперечним електродом служить згадана нанотрубка, а поздовжні електроди виготовлені із 2-х різних металів. Карбонова нанотрубка може бути виготовлена у напівпровідному та надпровідному станах, залежно від її хіральності. У способі використовується лише трубка у надпровідному стані. Конкретно, використання ж термоелектричного методу для вимірювання температури та її приросту в зоні контактів не вимагає додаткових конструктивних елементів, адже ті самі підвідні електроди, що формують контакти з центральним надпровідним елементом, служать електродами П-подібної термопари. Це мінімізує методичну похибку. Причому вихідна напруга термопари визначається добутком 2 UA 115601 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 отриманого кванту/квантів температури та її чутливості; при виконанні цих 2-х електродів із різних металів, наприклад із міді та константану, отримуємо стандартну термопару з достатньою чутливістю. Запропонований спосіб можна реалізувати шляхом створення еталону температури на базі використання приведеного кванту температури, отриманого на основі фундаментальних сталих речовини. Задача його створення зумовлена наступним. Існуючі у міжнародних лабораторіях еталони температури будуються на основі сукупності реперних точок, що служать для калібрування термометрів, як технічних інструментів реалізації шкали температур (МТПШ-90) [Я.Т. Луцик та інші. Енциклопедія термометрії, вид-во НУ "Львівська політехніка", 2003]. Вони вважаються недостатньо точними і складними. Особливо складними вважаються первинні термометри, які не застосовуються для практичних вимірювань; вони замінюються простішими, але менше точними технічними термометрами, що не відтворюють термодинамічну температуру і вносять низку власних їм притаманних похибок. Крім того, основна реперна точка МТПШ залежить від ізотопного складу води, її чистоти (тиск, вміст -7 солей, наявність забруднень тощо), що створює непевність її визначення порядку 10 . Найближчим аналогом, або прототипом пристрою, можна вважати еталон електричної напруги на основі фундаментальних сталих речовини (на основі сукупності спаїв Джозефсона) [РТВ, Berlin, Germany, Josephson Effects and Josephson Voltage Standards. Division 2, http://www.ptb.de/cms/en/ptb/fachabteilungen/abt2/abt2-josephson.html]. На даний момент в галузі електричних вимірювань вже створено еталон електричної напруги на основі фундаментальних сталих речовини: на основі спаю Джозефсона: у точній метрології ефект Джозефсона забезпечує відтворюване перетворення частоти і напруги. Оскільки частота визначається найточніше з усіх фізичних величин, для чого застосовують цезієвий еталон часу, то ефект Джозефсона вважається найкращим для створення еталону Вольта [Practical realization of units for electrical quantities (SI brochure, Appendix 2). BIPM, 20 Feb. 2007]. Проте, вказаний прототип не спроможний, сам-по-собі, сформувати квант температури, оскільки він є еталоном напруги. Лише при під'єднанні його, як джерела, до резистора певного номіналу він забезпечить якесь, апріорі невідоме нагрівання цього опору, причому по всій його довжині. Це зумовлено як розподіленістю опору у просторі, так і його залежністю від температури, складу, тощо. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення згаданого пристрою для отримання кванту фізичної величини на основі фундаментальних сталих речовини й створення її еталону, що містить блок генерування електронів та блок розсіювання електронів на фононах. Тут пропускання струму від блока генерування електронів через електричний опір блока розсіювання призводить до нагрівання останнього, що може бути покладено в основу практичної реалізації винаходу по створенню еталона температури, за умови її вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для отримання кванту температури на основі фундаментальних сталих речовини й створення її еталону, який складається з блока генерування електронів та блока розсіювання електронів на фононах, згідно з винаходом додатково містить блок вимірювання температури, а блок генерування електронів виконано у вигляді електронної помпи, блок розсіювання електронів на фононах виконано у вигляді мікросхеми з надпровідною; нанотрубкою, установленою між виготовленими із різних електропровідних матеріалів 2-ма електродами, до яких підводиться живлення від блока генерування електронів. Це дає змогу за рахунок розсіювання невеликої, чітко визначеної кількості електронів в одиницю часу на точно каліброваному номіналу електричного опору, за рахунок використання робочого еталону електричного опору (на основі ефекту Клітцинга) [A.J.M. Giesbers et al., Quantum Resistance Metrology in Graphene, Applied Physics Letters, Vol. 93. 2008, 222109, 3 p.] досягнути каліброваного приросту температури зони електричних контактів підвідних дротів зі згаданим еталоном. На фіг. 1 представлена блок-схема пропонованого пристрою - еталону температури на основі фундаментальних сталих речовини, а на фіг. 2 - конструкція польового транзистора, як основного вузла даного пристрою, де: 1 - еталон електричної напруги (масив спаїв Джозефсона); 2 - еталон часу (цезієвий годинник); 3 - еталон електричного опору (польовий транзистор з надпровідною карбоновою нанотрубкою у якості бази: англ. - CNT FET); 4 - засіб вимірювання каліброваного приросту температури. "Стік (source) - база (CNT) - витік (drain)" транзистора, нанесеного на підкладку із кремнієвої пластини (silicon), покритої двоокисом кремнію (silicon dioxide), формують П-подібну термопару, призначену вимірювати приріст температури стосовно її ж холодного спаю; приріст утворюється при пропусканні струму від джерела живлення, коли електрони провідності ефективно 3 UA 115601 C2 5 10 15 20 25 30 35 розсіюються лише на контактах "стік - нанотрубка" та "нанотрубка - витік", пролітаючи без розсіювання через надпровідну трубку. Оскільки опір контактів відомий за ефектом Клітцинга, а кількість електронів в одиницю часі - відома за ефектом Джозефсона, то тепловий ефект від дисипації електронів визначає розмір приросту температури, що вимірюється сформованою термопарою. Пристрій працює таким чином. З допомогою масиву спаїв Джозефсона 1 (фіг. 1), який може працювати у режимі постійного струму, подається фіксована кількість електронів в одиницю часу завдяки цезієвому годиннику: 2 (фіксований в одиницях електронів за одну секунду струм) на польовий транзистор 3 (фіг. 2). Значний опір внутрішньо транзисторних контактів призводить до розсіювання на них електричної енергії у вигляді тепла. Останнє призводить до нагрівання контактів, що водночас служать здвоєним гарячим спаєм П-подібної термопари. Остання включена також до складу засобу 4 вимірювання каліброваного приросту температури, що практично вимірює приріст температур зазначеного спаю стосовно холодного спаю, який формують вивідні від стоку та витоку електричні дроти у зовнішній зоні транзистора, віддаленій від гарячого спаю. Найкращим вважається імпульсний режим роботи пристрою, що може забезпечити масив спаїв Джозефсона 1. Тут на 1-му етапі, коли подається постійний струм, здійснюється нагрів гарячого спаю, проте не проводиться вимірювання. На 2-му етапі, коли струм не подається, ці самі елементи транзистора, що в даний момент формують термопару, використовуються для вимірювання перевищення температури її гарячого спаю над температурою холодного спаю, або ж приросту температури, зумовленого дисипацією електронів провідності. Оскільки блок генерування електронів пристрою виконано із елементів, побудованих на квантових ефектах, то він забезпечує подачу електронів у дискретному режимі, контрольованому з похибкою до 1-го електрона за одиницю часу. При цьому, елементи, побудовані на квантових ефектах, виконано у вигляді сукупності спаїв Джозефсона (еталон електричної напруги) з підключеним високоточним годинником (еталон часу), до прикладу з цезієвим годинником. Тут синтезована напруга відрізняється винятковою точністю, оскільки визначається через відому послідовність імпульсів, їх тактову частоту і фундаментальні фізичні сталі речовини. Таким чином, спосіб отримання кванту температури, як останньої з основних величин системи СІ, на основі фундаментальних сталих речовини та створення еталону температури на принципово новій базі, дають змогу кардинальнозмінити термометрію в галузі температурних вимірювань і завершити переведення основних фізичних величин системи СІ на новий якісний рівень, де всі фізичні величини визначаються на принципово нових фундаментальних засадах об'єктивної реальності існування матерії у Всесвіті. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 1. Спосіб отримання кванта фізичної величини на основі фундаментальних сталих речовини та створення її еталону, в якому використовують явище квантового розсіювання електронів на фононах на границях надпровідника, що формує суть ефекту Клітцинга, який відрізняється -11 тим, що для отримання кванта температури розміром 3,210 K на 1 електрон за секунду використовується дисиповане тепло, яке зумовлює нагрівання речовини у місці його виділення, що дає змогу завдяки вимірюванню температури отримати засіб для її каліброваного відліку у вигляді кванта або сукупності квантів температури та створити еталон температури як фізичної величини, забезпечують фіксоване і регульоване значення тепловиділення в зоні контактів надпровідника з елементами нормальної електропровідності шляхом подачі до контактів регульованої та фіксованої кількості електронів в одиницю часу та вимірювання усередненого значення приросту температури 2-х згаданих контактів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для подачі регульованої та фіксованої кількості електронів в одиницю часу використовують електронну помпу або ж еквівалентний електронний вузол з каліброваним відліком кількості поданих електронів за одиницю часу, а для вимірювання температури контактів надпровідного елемента використовується достатньо чутливий метод, що не вносить істотної методичної похибки, причому пропускання струму та вимірювання приросту температури здійснюють почергово. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що як надпровідний елемент використовують карбонову нанотрубку, а для вимірювання температури застосовують термоелектричний метод з використанням П-подібної термопари з достатньою абсолютною термоерс, де поперечним 4 UA 115601 C2 5 10 15 20 електродом служить згадана нанотрубка, а поздовжні електроди виготовлені із 2-х різних електропровідних матеріалів. 4. Пристрій для отримання кванта температури й створення її еталону на основі фундаментальних сталих речовини, що складається з блока генерування електронів та блока розсіювання електронів на фононах, який відрізняється тим, що додатково містить блок вимірювання температури, а блок генерування електронів виконано у вигляді електронної помпи, блок розсіювання електронів на фононах виконано у вигляді мікросхеми з надпровідною нанотрубкою, установленою між виготовленими із різних електропровідних матеріалів 2-ма електродами, до яких підводиться живлення від блока генерування електронів. 5. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що блок розсіювання електронів на фононах виконано на польовому транзисторі з карбоновою нанотрубкою як базою, а чутливим елементом блока вимірювання температури служать стік, база та витік даного транзистора, що разом формують П-подібну термопару, що працює, як і блок генерування електронів, в імпульсному режимі, причому у протифазі з блоком генерування електронів. 6. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що блок генерування електронів виконано із елементів, побудованих на квантових ефектах, що забезпечують подачу електронів у дискретному режимі, контрольованому з похибкою до 1-го електрона за одиницю часу. 7. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що елементи, побудовані на квантових ефектах, виконано у вигляді сукупності спаїв Джозефсона (еталон напруги) з підключеним високоточним годинником (еталон часу), до прикладу з цезієвим годинником. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5