NIST:s Patrick Abbott med en av de två mindre saldona, används för vakuum-till-luft-studier. Kredit:National Institute of Standards and Technology
När kilogrammet, världens grundläggande massaenhet, får en ny definition 2018, det kommer inte att baseras på en fysisk artefakt utan en konstant av naturen. Dock, forskare kommer fortfarande att behöva "inse" den nya definitionen, eller översätta det till ett fysiskt objekt, att göra det möjligt att distribuera den nya standarden till de laboratorier och industrier som behöver den. Av de två metoderna som är stora utmanare för denna realiseringsprocess - wattbalanser och kiselsfärer - kräver båda känsliga mätningar i vakuum.
Men de flesta dagliga massmätningarna sker i vanlig luft. Detta innebär att för att sprida det nya kilot, forskare måste hitta pålitliga sätt att jämföra en massa mätt i vakuum med en mätt i luft.
Världens nationella metrologiska institut (NMI) utvecklar var och en protokoll att använda i sina egna länder. Men någon måste kontrollera för att se till att deras olika metoder fungerar bra och får jämförbara resultat.
Så International Bureau of Weights and Measures (BIPM), en mellanstatlig organisation som har vårdnaden om den nuvarande officiella kilogramstandarden, bad några NMI:er att utföra en torrkörning av sina föreslagna spridningsmetoder, som en del av en pilotstudie för att säkerställa att planerna för distribution av den nya definitionen är genomförbara. NIST avslutade precis sin torrkörning den här månaden.
"För denna pilotstudie, varje NMI har gjort en primär insikt av ett kilo med antingen en wattbalans eller kiselsfär, "säger Patrick Abbott från Mass and Force Group i NIST:s fysiska mätlaboratorium." Tanken var:Hur väl kan vi ta den primära insikten och vidarebefordra den? "
Nuvarande, den amerikanska massnormen är en plommonstor cylinder av platina-iridium kallad K20, som regelbundet kalibreras mot världens nuvarande definition för kilogrammet - International Prototype Kilogram (IPK), inrymt på BIPM:s högkvarter i Paris. Efter omdefiniering, K20 kommer att ersättas av en ny amerikansk standard:NIST-4 watt-balansen.
En närbild av insidan av den lilla apparaten som används för vakuum-till-luft-studier. En kilogram standard (vänster) är redo att jämföras med en stapel skivor (höger). De två föremålen har samma nominella massa, består av samma material, och har ungefär samma form-men det högra objektet har en större total ytarea. Genom att mäta hur standardernas massa förändras i förhållande till varandra i både luft och i vakuum, forskare kan beräkna hur ett objekts massa förändras med exponering för luft. Kredit:National Institute of Standards and Technology
NIST -personal började pilotstudien med att kalibrera en provmassa, tillverkad av platina-iridium, i deras wattbalans. Men nästa steg - att överföra kalibreringen till massor i luft - var lite knepigt. Luft innehåller vatten och andra föroreningar som adsorberas av ytorna på massorna som används i kalibreringsprocessen. Så en massa uppmätt i luft blir något tyngre än samma massa mätt i vakuum. Den tjatiga frågan för metrologer är, med hur mycket?
NIST -forskare har förberett ett par sätt att övervinna detta problem. Det första handlar om ett rumstort dubbeldäckare som använder magnetisk svävning för att flyta en massa i luften, att balansera den mot en massa i vakuum, och gör en direkt jämförelse av de två. Så småningom, detta instrument - kallat Magnetic Suspension Mass Comparator - kommer att vara den föredragna metoden för att sprida kilogrammet. Men det håller fortfarande på att konstrueras och testas, så det användes inte i torrloppet.
Den andra metoden innebär att man använder en uppsättning mindre instrument vid NIST. Dessa balanser kan jämföra massorna av två objekt åt gången i antingen vanlig luft eller i vakuum. Innan torrkörningen, NIST -personal använde en av dessa apparater för att utföra en studie som mäter exakt hur mycket massa som läggs till ett föremål när det går från vakuum till luft, baserat på dess material och ytans släthet.
Med denna information, NIST -forskarna tog massan som hade kalibrerats med hjälp av wattbalansen, tog bort det från vakuum, och jämförde det - i luften - med ett par arbetsstandarder i rostfritt stål, av den typ som kan användas för att kalibrera kundernas vikter. Teamet tillämpade de korrigeringar som det samlade från sina adsorptionsstudier för att göra hoppet från vakuum till luft.
För att ansluta dessa fynd till den nuvarande massdefinitionen, laget mätte också alla dessa testmassor mot en av de officiella amerikanska massstandarderna, vars definition är knuten till IPK.
Abbott säger att han förväntar sig att BIPM kommer att vara redo att dela resultat från pilotstudien i början av nästa år. Andra deltagande NMI inkluderar National Research Council of Canada (NRC Canada) och Frankrikes Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE), var och en har sin egen wattbalans, liksom National Metrology Institute of Germany (PTB) och National Metrology Institute of Japan (NMIJ), som använder kiselsfärer.
