Катушка в магнитном поле может удерживать груз за счёт электрического тока. На этом равновесии построены ватт-весы, для которых петербургский ВНИИМ имени Менделеева разработал и исследовал макеты основных систем будущего эталона массы.

Килограмм без вечного цилиндра

Металлическая гиря кажется надёжным хранителем единицы массы: её можно убрать под колпак и доставать для сравнений. Но даже поверхность стойкого платиноиридиевого сплава собирает загрязнения. Очистка требует особой процедуры, а массы прототипов со временем расходятся. Пока международный прототип по определению оставался ровно килограммом, заметить его собственное изменение можно было лишь через сравнение с другими гирями.

С 20 мая 2019 года килограмм перестал зависеть от единственного изготовленного человеком предмета. Его определение связано с фиксированным значением постоянной Планка. Ватт-весы, которые также называют весами Киббла, позволяют связать массу с этой константой через электрические измерения. Сохранять приходится воспроизводимую измерительную процедуру, а не неизменность поверхности одного цилиндра.

Петербургская сборка эталона

ВНИИМ стал основной площадкой создания российского прототипа. Здесь изготовили и исследовали макеты электромагнитной и электроизмерительной систем, а также части механической системы. В общий проект вошли магнитная система, весовая ячейка и макет оптического прибора, регистрирующего линейные и угловые перемещения.

Сообщение института о завершении аванпроекта датировано 28 декабря 2021 года. Это этап выбора и проверки технических решений для дальнейшего проектирования установки. Оптическую измерительную систему исследовал ВНИИОФИ, возможности квантового гравиметра на холодных атомах — ВНИИФТРИ. Петербургскому комплексу нужны сразу несколько согласованных измерений: электрических величин, движения и ускорения свободного падения.

Два режима одной катушки

Равновесие груза и электромагнитной силы — лишь часть опыта. Если ограничиться им, придётся чрезвычайно точно знать магнитное поле и параметры провода катушки. Второй режим позволяет исключить их общий множитель из расчёта.

  1. В режиме взвешивания груз тянет вниз. Через катушку в магнитном поле пропускают ток и подбирают его до равновесия, затем записывают значение.
  2. В режиме движения груз снимают, подачу тока прекращают. Катушку перемещают в магнитном поле, измеряя скорость и возникающее напряжение.
  3. Результаты объединяют. Магнитный множитель сокращается, и массу рассчитывают по току, напряжению, скорости и местному ускорению свободного падения.

Связь записывают как mgv = UI: слева стоят масса, ускорение свободного падения и скорость, справа — напряжение и ток. Обе стороны имеют размерность мощности, отсюда название «ватт-весы». Однако значения получают в разных режимах работы прибора.

Где прячется погрешность

Сокращение магнитного множителя требует согласованности двух опытов. В режиме взвешивания ток катушки создаёт собственное магнитное поле и способен немного менять состояние магнитопровода. В режиме движения этого тока нет. Исследования магнитных систем ватт-весов рассматривают такую разницу как источник систематического смещения: она зависит от конструкции зазора и свойств материала магнитопровода. Это общая задача метода, которую учитывают при проектировании подобных установок.

Свою ошибку может внести и оптика. Лазерный интерферометр определяет перемещение по изменению интерференционного сигнала. Несовершенство поляризационных элементов, разная чувствительность детекторов и различие усиления каналов искажают результат. Поэтому вместе с оптической схемой разрабатывают цифровую компенсацию её нелинейности.

В статье разработчиков оптической системы в журнале «Автометрия» за 2022 год указан ориентир: для относительной неопределённости воспроизведения массы порядка 10⁻⁸ погрешность измерения перемещений должна быть не хуже 200 пикометров. Для исследованного макета интерферометра авторы получили размах ошибки не более 0,2 нанометра. Это характеристика оптического узла, а не точность всего будущего эталона.

От эталона к микровесам

У петербургского института уже есть отдельная работа по передаче единицы массы другим средствам измерений. По сообщению ВНИИМ от 30 декабря 2020 года, модернизация государственного первичного эталона ГЭТ 3 уменьшила погрешность передачи единицы в десять раз — с 6·10⁻⁹ до 6·10⁻¹⁰ килограмма. Тогда же специалисты освоили вакуумное взвешивание.

Ватт-весы должны изменить основу воспроизведения килограмма в этом комплексе. Передача размера единицы остаётся самостоятельной задачей. Среди её практических применений — калибровка микровесов с погрешностью менее миллиграмма, которыми пользуются в фармацевтической и химической промышленности, а также в экологических исследованиях.