BẮT ĐẦU GIAI ĐOẠN SAO TRUYỀN MỚI

CỦA KILÔGAM

S Davidson¹ and M Stock²

Published 12 April 2021 Metrologia, Volume 58, Number 3

1 National Physical Laboratory NPL, Hampton Road, Teddington, Middlesex TW11 0LW, United Kingdom

2 Bureau International des Poids et Mesures BIPM, Pavillon de Breteuil, 92312 S`evres CEDEX, France

Tóm tắt

Sau khi hoàn thành so sánh chủ chốt thể hiện kilôgam lần thứ nhất, CCM.M-K8.2019, việc sao truyền phối hợp quốc tế của kilôgam đã đi vào giai đoạn mới từ 1/2/2021. Liên kết chuẩn đo lường đơn vị khối lượng tới hằng số Planck hiện nay sẽ được tiến hành với “giá trị đồng thuận” của kilôgam. Bài báo này cung cấp số liệu cơ bản của các giai đoạn sao truyền kilôgam, mô tả việc xác định giá trị đồng thuận và tầm quan trọng của nó đối với liên kết chuẩn đo lường khối lượng.

1. Giới thiệu

Định nghĩa mới của kilôgam dựa vào trị số cố định của hằng số Planck có hiệu lực từ 20/5/2019. Về nguyên tắc, nó tạo điều kiện để mọi Viện đo lường quốc gia có thể thể hiện kilôgam [1]. Ở thời điểm viết bài báo này, có hai kỹ thuật cho phép thể hiện kilôgam từ định nghĩa của nó đủ chính xác thể hiện đơn vị khối lượng : cân Kibble hoặc cân joule [2,3] và kỹ thuật mật độ tinh thể tia-X (XRCD) [4]. Trị số sau cùng của hằng số Planck đã được xác định vào năm 2017 qua sự chỉnh lý đặc biệt của Nhóm công tác CODATA về các hằng số cơ bản [5]. Tập hợp tám dữ liệu riêng biệt từ cân Kible và phương pháp XRCD đã không hài hòa ở mức độ không đảm bảo chuẩn tương ứng của chúng. Bằng xuy luận, điều này có nghĩa là sự thể hiện kilôgam được thực hiện bằng các thực nghiệm khác nhau là không hài hòa, có sự khác nhau lên tới 70 µg, nghĩa là phép đo khối lượng toàn cầu dựa trên những sự thể hiện này là không tương đương. Vì vậy, tại phiên họp thứ 16 năm 2017, Ủy ban tư vấn về khối lượng và các đại lượng liên quan (CCM) đã khuyến nghị một đợt sao truyền phối hợp quốc tế từ những NMI có các thực nghiệm thể hiện và BIPM, thay vì sử dụng những thể hiện độc lập của riêng họ [6]. Việc sao truyền cần dựa vào một giá trị gọi là đồng thuận như là một cơ sở chung để đảm bảo tính liên tục, sự ổn định và tương đương tạm thời của đơn vị khối lượng SI. Việc hài hòa này sẽ giữ nguyên vị trí cho đến khi sự phân tán của các giá trị từ những thực nghiệm thể hiện trở nên tương thích với các độ không đảm bảo riêng của nó. Sử dụng giá trị đồng thuận tạo điều kiện thuận lợi chuyển tiếp nhẹ nhàng liên kết chuẩn xuất phát từ nguyên mẫu quốc tế của kilôgam (IPK) tới việc sử dụng các thực nghiệm thể hiện riêng biệt để thể hiện và sao truyền khi trở nên khả thi.

Chi tiết của sự chuyển tiếp này đã được Nhóm công tác của CCM phát triển và công bố. Sự chuyển tiếp qua bốn giai đoạn :

* Giai đoạn 0 : liên kết chuẩn tới IPK, m_IPK ≡ 1 kg, trước khi sửa đổi SI vào ngày 20/5/2019;

* Giai đoạn 1 : liên kết chuẩn tới hằng số Plank theo mối liên hệ đã biết của nó với IPK, m_IPK ≡ 1 kg, u(m_IPK) = 10 µg, từ 20/5/2019 cho đến khi CCM phê duyệt giá trị đồng thuận có được từ so sánh chủ chốt lần thứ nhất các thực nghiệm thể hiện;

* Giai đoạn 2 : sao truyền từ giá trị đồng thuận, cho đến khi CCM quyết định việc sao truyền từ giá trị đồng thuận là không cần thiết nữa;

* Giai đoạn 3 : sao truyền bằng các thể hiện riêng biệt.

Sau khi hoàn thành đầy đủ so sánh chủ chốt lần thứ nhất các thực nghiệm thể hiện của kilôgam, giá trị đồng thuận đầu tiên đã được tính toán và áp dụng như chúng tôi mô tả, nó đánh dấu sự bắt đầu giai đoạn 2 của việc sao truyền kilôgam.

2. So sánh chủ chốt lần thứ nhất các thể hiện của kilôgam, CCM.M-K8.2019

So sánh chủ chốt lần thứ nhất các thể hiện của kilôgam, CCM.M-K8.2019 đã hoàn thành và kết quả đã được công bố [8]. Mục đích của so sánh này là để xác định mức độ hài hòa giữa các thực nghiệm thể hiện kilôgam của các NMI khác nhau và cung cấp thông tin về việc tính toán giá trị đồng thuận CCM đầu tiên. CCM khởi động CCM.M-K8.2019 ngay sau khi định nghĩa mới của kilôgam có hiệu lực.

BIPM đã được chọn là phòng thí nghiệm mẫu (the pilot laboratory) như đã làm trong một nghiên cứu thí điểm tương tự của CCM năm 2016 [9]. Bảy viện : BIPM, KRISS (Hàn Quốc), NIM (Trung Quốc), NITS (Hoa Kỳ), NMIJ (Nhật Bản), NRC (Canada) và PTB (CHLB Đức) tham gia đã sử dụng các thể hiện dựa trên cơ sở cân Kibble, cân joule và kỹ thuật-XRCD. Mỗi Viện tham gia xác định khối lượng của một hoặc hai chuẩn 1 kg trong chân không bằng thực nghiệm thể hiện của Viện. Tại BIPM tất cả các chuẩn khối lượng được so sánh với một chuẩn quy chiếu bằng thiết bị so sánh khối lượng trong chân không. Các phép cân này cùng với những giá trị khối lượng do các Viện tham gia xác định cho phép so sánh sự nhất quán của các thể hiện riêng biệt. Phép kiểm tra chi-bình phương (the chi-squared test) về tính nhất quán sử dụng tiêu chí giới hạn 95% đã được thông qua, dù hai kết quả có độ không đảm bảo nhỏ nhất không hài hòa với nhau (hình 1 và bảng 1, [8]). Giá trị quy chiếu của so sánh chủ chốt (KCRV) (được tính như là trung bình có trọng số của các kết quả tham gia) đối với chuẩn khối lượng 1 kg lệch - 0,019 mg so với giá trị dựa trên cơ sở đơn vị khối lượng được duy trì ở BIPM, giá trị này có thể liên kết tới hằng số Plank thông qua IPK, được thể hiện là h(IPK) trong hình 1.

Hình 1. Sự khác biệt ∆m_i giữa các giá trị khối lượng được quy cho chuẩn khối lượng 1 kg sử dụng thực nghiệm thể hiện của NMI tham gia và giá trị quy chiếu của so sánh chủ chốt (KCRV) được tính như là trung bình có trọng số. Các vạch kẻ độ không đảm bảo thể hiện độ không đảm bảo mở rộng. h(IPK) thể hiện giá trị dựa trên cơ sở các chuẩn công tác của BIPM có thể liên kết tới hằng số Plank h thông qua IPK.

Bảng 1. Độ lệch ∆m_i của các kết quả NMI so với KCRV, độ không đảm bảo chuẩn liên quan u(∆m_i) và độ không đảm bảo mở rộng với k = 2, U(∆m_i). Sự khác nhau giữa giá trị khối lượng dựa trên cơ sở chuẩn công tác của BIPM có thể liên kết tới hằng số Plank thông qua IPK hiển thị dưới dạng h(IPK) và KCRV cũng được cho.  

3. Xác định giá trị đồng thuận

Như mô tả trong [7], giá trị đồng thuận đã được tính toán như là trung bình số học của ba tập hợp dữ liệu (không tính đến bất kỳ mối tương quan tiềm năng nào giữa ba tập hợp dữ liệu) :

+ Dữ liệu có thể liên kết trực tiếp tới IPK, được sử dụng lần cuối vào năm 2014 [10];

+ Dữ liệu hiện có từ nghiên cứu thí điểm của CCM năm 2016 về các thực nghiệm thể hiện [9] (hiệu chỉnh 2017 của CODATA đã hiệu chính 17.10^-9 đối với sự dịch chuyển của h [5] và hiệu chính 4 µg đối với đơn vị khối lượng duy trì ở BIPM);   

+ KCRV của so sánh chủ chốt CCM lần thứ nhất, CCM.M-K8.2019 [8].

CCM đã quyết định độ không đảm bảo chuẩn của giá trị đồng thuận là 20 µg. Giá trị này dựa trên cơ sở độ không đảm bảo đặc trưng của các thực nghiệm thể hiện “trưởng thành”, độ không đảm bảo mục tiêu của các thực nghiệm thể hiện tân tiến hơn được dự báo cho khoảng 10 năm tới và cho việc thiết lập những kỳ vọng về độ không đảm bảo tương lai của các thí nghiệm riêng lẻ [7].

Tất cả ba tập hợp dữ liệu có thể được liên kết dựa trên giả thiết là đơn vị khối lượng duy trì ở BIPM đã ổn định (trong phạm vi độ không đảm bảo nào đó) từ năm 2014, do các chuẩn công tác của BIPM có liên quan đến cả ba chiến dịch. Giá trị đồng thuận được xác định như là sự dịch chuyển so với đơn vị khối lượng duy trì ở BIPM, nó đại diện cho khối lượng của IPK (bằng 1 kg ở giai đoạn 0 và 1). Nó hoạt động như là một thực nghiệm thể hiện thay thế và độ không đảm bảo của nó phản ánh độ không đảm bảo đặc trưng cho nhóm thực nghiệm.

Các giá trị và độ không đảm bảo của ba nhóm tham gia vào việc xác định giá trị đồng thuận được cho trong bảng 2. Các độ không đảm bảo được cho chỉ để thông tin vì chúng không được dùng để tính giá trị trung bình số học. Giá trị sau cùng được xác định vào tháng 12 năm 2020 là -2 µg tương ứng với đơn vị khối lượng duy trì ở BIPM. Điều này có nghĩa là :

• Khối lượng của IPK dựa trên cơ sở giá trị đồng thuận là 1 kg - 2 µg, và
• Khối lượng của mọi chuẩn khối lượng quốc gia dựa trên cơ sở giá trị đồng thuận thấp hơn khối lượng dựa trên cơ sở IPK của nó là 2 µg.

Bảng 2. Các giá trị và độ không đảm bảo của ba thành phần tham gia xác định giá trị đồng thuận năm 2020, được thể hiện như là độ lệch so với đơn vị khối lượng duy trì ở BIPM. Giá trị quy chiếu của nghiên cứu thí điểm năm 2016 đã được hiệu chính như giải thích ở trên.

4. Các hoạt động cần thiết

Giá trị đồng thuận đã có hiệu lực từ ngày 01/2/2021. Vì sự thay đổi giuwaxcacs giá trị khối lượng dựa trên cơ sở liên kết chuẩn trong quá khứ tới hằng số Planck h thông qua mối quan hệ đã biết của nó với IPK (pha 1), và các giá trị mới dựa trên cơ sở giá trị đồng thuận (pha 2) là nhỏ so với độ không đảm bảo nên không cần phải hiệu chỉnh thang khối lượng quốc tế. Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh CMC của các NMI có thể là cần thiết vì cần tính tới đô không đảm bảo trong giá trị đồng thuận. Các hiệu chỉnh dự kiến đã được nhóm nhiệm vụ đặc biệt của nhóm công tác CMC về khối lượng tính toán và đã được luân chuyển tới các NMI bị ảnh hưởng để phê duyệt.

5. Những bước tiếp theo

Những quyết định trong tương lai về giá trị đồng thuận sẽ dựa vào ba giá trị mới nhất của các so sánh chủ chốt thực nghiệm thể hiện. Những so sánh này dự kiến diễn ra hai năm một lần và sự tương thích của các giá trị sẽ được xem xét theo lịch trình này. Phương pháp xác định giá trị đồng thuận này đã được ấn định để cung cấp sự ổn định theo thời gian và hy vọng là các giá trị đồng thuận liên tiếp sẽ không thay đổi nhiều hơn độ không đảm bảo đã được ấn định cho nó là 20 μg. Vào thời điểm mà CCM xác định kết quả của một số lượng vừa đủ các thực nghiệm thể hiện riêng biệt là nhất quán, có tính đến độ không đảm bảo của kết quả, các thể hiện riêng biệt sẽ có thể cung cấp sự liên kết chuẩn trực tiếp tới đơn vị khối lượng SI. CMC của những thể hiện này sẽ được đánh giá theo các quá trình CIPM MRA tiêu chuẩn dựa vào mức độ tương đương giữa các thể hiện độc lập và KCRV. Tiêu chuẩn để chuyển đổi từ sao truyền phối hợp quốc tế thông qua giá trị đồng thuận sang sao truyền từ những thể hiện cục bộ được trình bày trong [7].          

Tài liệu tham khảo

[1] Stock M, Davidson S, Fang H, Milton M, de Mirand´es E, Richard P and Sutton C 2017 Maintaining and disseminating the kilogram following its redefinition Metrologia 54 S99–107

[2] Robinson I A and Schlamminger S 2016 The watt or Kibble balance: a technique for implementing the new SI definition of the unit of mass Metrologia 53 A46–74

[3] Li Z et al 2017 The first determination of the Planck constant with the joule balance NIM-2 Metrologia 54 763–74

[4] Fujii K et al 2016 Realization of the kilogram by the XRCD method Metrologia 53 A19–45

[5] Newell D B et al 2018 The CODATA 2017 values of h, e, k, and NA for the revision of the SI Metrologia 55 L13–16

[6] 2017 Report of the 16th meeting of the CCM Recommendation G1 (2017) for a new definition of the kilogram in 2018, available on the BIPM web site: www.bipm.org

[7] CCM 2019 Detailed note on the dissemination process after the redefinition of the kilogram CCM, available on the BIPM web site: www.bipm.org

[8] Stock M et al 2019 Report on the CCM key comparison of kilogram realizations CCM.M-K8.2019 Metrologia 57 07030

[9] Stock M et al 2018 A comparison of future realizations of the kilogram Metrologia 55 T1–7

[10] Stock M, Barat P, Davis R S, Picard A and Milton M J T 2015 Calibration campaign against the international prototype of the kilogram in anticipation of the redefinition of the kilogram part I: comparison of the international prototype with its official copies Metrologia 52 310–16

                                                                                                                                                            Ban BT