基于氦氣電學(xué)測量的壓力測量新方法

作為溫度單位開爾文重新定義工作的研究成果，德國物理技術(shù)研究院（PTB）的科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出一種全新的基于自然常數(shù)的壓力測量方法。它可以用于測試PTB最精準(zhǔn)的壓力表，檢查范圍從之前的10萬帕斯卡增加到目前最高700萬帕斯卡。這種方法首次在機(jī)械和電壓力測量之間進(jìn)行比對(duì)，相對(duì)不確定度小于五百萬分之一。此外，新測量方法還提供了研究氦的獨(dú)特機(jī)會(huì)，氦是基礎(chǔ)物理學(xué)中的重要模型體系。這一研究結(jié)果發(fā)表在最近一期的《自然物理》中。

活塞壓力計(jì)是通過確定作用在活塞上的重力來精確測量活塞下方的氣體壓力，在某些壓力范圍內(nèi)，即使最好的活塞壓力表也無法達(dá)到計(jì)量學(xué)家所希望的精準(zhǔn)度，因此長期以來研究人員一直在努力研發(fā)新的壓力測量方法。PTB研制的新測量方法原理是通過電容測量進(jìn)行氦氣密度測定，主要測量電極之間的氣體在多大程度上改變了高穩(wěn)定特殊電容器的容量。

PTB的研究人員在介電常數(shù)氣體溫度計(jì)上進(jìn)行電容測量。

早在1998年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科研人員就提出使用電學(xué)測量法（容量測量法）對(duì)氦氣的氣體特性進(jìn)行理論計(jì)算來測量壓力。然而，實(shí)現(xiàn)這一想法是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。精確電容測量和高穩(wěn)定電容器以及基于自然常數(shù)的理論計(jì)算一直未達(dá)到必要的水平。此外，與經(jīng)典活塞壓力計(jì)也沒有實(shí)現(xiàn)充分的比對(duì)。

PTB新研發(fā)的高精度活塞壓力計(jì)

在過去十年中，PTB逐漸克服了相關(guān)實(shí)驗(yàn)障礙，借助重新定義溫度單位開爾文的研究，最終把經(jīng)典活塞壓力測量和容量測量均提升至世界一流水平。首次實(shí)現(xiàn)700萬帕斯卡壓力，是正常壓力的七十倍，相對(duì)不確定度小于五百萬分之一。同時(shí)，與經(jīng)典活塞壓力計(jì)進(jìn)行了比對(duì)，這也是機(jī)械壓力測量和電壓力測量之間的首次比對(duì)。

容量測量法為高精度壓力校準(zhǔn)提供了第二種方法。一方面，該方法以及與經(jīng)典壓力標(biāo)準(zhǔn)的直接比對(duì)提供了驗(yàn)證氦的理論計(jì)算可能性。另一方面，還可以用于測量其他氣體，促進(jìn)氣體計(jì)量學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。