키블 저울
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
키블 저울은 1975년 브라이언 키블이 자기회전비율 측정을 위해 제안한 원리를 바탕으로 개발된 장치이다. 암페어 저울의 단점을 보완하여 코일의 기하학적 형상에 따른 오차를 줄이고, 플랑크 상수를 이용해 질량을 정확하게 측정한다. 초기에는 영국 국립 물리 연구소에서 개발되었으며, 캐나다 국립 연구위원회와 여러 국제 연구 기관을 거쳐 지속적으로 개선되었다. 키블 저울은 킬로그램 재정의에 기여하고, 플랑크 상수 측정의 정확도를 높이는 등 과학 기술 발전에 중요한 역할을 한다.
더 읽어볼만한 페이지
| 키블 저울 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 측정 장치 |
| 개발 | 영국 국립 물리 연구소 |
| 발명가 | 브라이언 키블 |
| 개발 시기 | 1975년 |
| 목적 | |
| 용도 | 질량 측정 |
| 관련 단위 | 킬로그램 |
| 작동 원리 | |
| 원리 | 전자기력과 중력의 균형 |
| 측정 방식 | 전자기력을 사용하여 질량을 지탱 전자기력과 관련된 전기적 양 측정 |
| 특징 | |
| 장점 | 높은 정확도 기본 물리 상수와 연결 |
| 단점 | 복잡한 구조와 높은 비용 |
| 역사 | |
| 배경 | 킬로그램 정의의 변화 필요성 |
| 기존 정의 | 국제 킬로그램 원기에 의존 |
| 새로운 정의 | 플랑크 상수를 기반으로 정의 |
| 역할 | 새로운 킬로그램 정의 구현에 기여 |
| 활용 | |
| 활용 분야 | 정밀 과학 측정 질량 표준 확립 |
| 주요 사용 기관 | 국제 도량형국(BIPM) 각국 국가 측정 연구소 |
| 관련 인물 | |
| 관련 인물 | 브라이언 키블 |
| 기타 | |
| 이전 명칭 | 와트 저울 |
| 명칭 변경 이유 | 브라이언 키블을 기리기 위해 명칭 변경 |
| 참고 자료 | |
| 참고 | BBC 뉴스 - 킬로그램의 무게 감소 프로그램 억제 레고 와트 저울: 새로운 SI 기반 질량 정의를 시연하는 장치 |
2. 역사
키블 저울의 원리는 1975년 영국 국립 물리 연구소(NPL)의 브라이언 키블이 자기회전비율 측정을 위해 제안했다.[48] 암페어 저울 방식은 코일 치수 측정의 정확도에 따라 결과가 달라지는 큰 약점이 있었지만, 키블 저울은 코일의 기하학적 형상의 영향을 제거하는 교정 단계를 추가하여 부정확성의 주요 원인을 제거했다. 이 교정 단계는 1990년에 처음 수행되었다.[49]
1978년, NPL에서 이안 로빈슨, 레이 스미스와 함께 마크 I 키블 저울을 제작했고, 1988년까지 작동했다.[11][12][13] 1990년에는 브라이언 키블과 이안 로빈슨이 폰 클리칭 상수와 조셉슨 상수를 이용하여 원형 코일을 사용하고 진공 상태에서 작동하는 키블 마크 II 저울을 발명했다.[14] 브라이언 키블은 이안 로빈슨, 자넷 벨리스와 함께 마크 II 버전을 제작했으며, SI 질량 단위 재정의에 사용될 수 있을 정도로 정확한 측정을 가능하게 했다.[15]
키블 저울은 영국 국립 물리 연구소에서 시작되었으나, 2009년 캐나다 국립 연구위원회(NRC)로 이전되어 두 연구소의 과학자들이 장비 개선을 지속했다.[16] 이후, 미국 미국 국립표준기술연구소(NIST), 스위스 스위스 계측 학회(METAS), 국제도량형국(BIPM), 프랑스 국립 도량형 연구소(LNE) 등 여러 국가에서 키블 저울을 이용한 실험이 진행되고 있다.[53]
2. 1. 개발 배경
키블 저울에 사용된 원리는 1975년 국립 물리학 연구소 (NPL)의 브라이언 키블이 자기회전비율 측정을 위해 제안했다.[48]암페어 저울 방법의 가장 큰 약점은 코일 치수의 정확도에 따라 결과가 달라진다는 점이었다. 키블 저울 방법에서는 부정확성의 주요 원인인 코일의 기하학적 형상의 영향을 제거하는 교정 단계가 추가되었다. 이 교정 단계는 1990년부터 수행되었는데, 전기력 코일을 세기가 알려져 있는 자속 내에서 일정한 속도로 이동시킨다.[49]
키블 저울은 영국의 국립 물리학 연구소에서 기원하였는데, 2009년 캐나다 국립 연구위원회 (NRC)로 이전되었고, 두 연구소의 과학자들이 장비에 대한 개량을 지속했다.[50] 2014년 NRC 연구원은 플랑크 상수 값에 대하여 1.8-8의 정밀도로 발표하였는데 이는 당시로서는 가장 정밀한 측정 값이다.[51] 2017년 5월 발표된 NRC 연구원에 의한 최종 논문에서는, 9.1 ppb(십억분의 1)의 정밀도로 현재까지 가장 높은 정밀도의 플랑크 상수 측정치가 제시되었다.[52] 이외에도 미국 국립 표준 기술 연구소 (NIST), 스위스 베른의 스위스 계측 학회 (METAS), 파리 근교의 국제 도량형국(BIPM) 및 프랑스 트라프의 국립 도량형 연구소 (LNE)에서 키블 저울을 이용하여 실험을 하고 있다.[53]
2. 2. 초기 개발
키블 저울의 원리는 1975년 영국 국립 물리 연구소(NPL)의 브라이언 키블이 자기회전비율 측정을 위해 제안했다.[48] 1978년, NPL에서 이안 로빈슨, 레이 스미스와 함께 마크 I 와트 저울을 제작했다.[11][12] 이 저울은 1988년까지 작동했다.[13]암페어 저울 방식의 주요 약점은 결과가 코일의 치수를 측정하는 정확도에 의존한다는 것이다. 키블 저울은 코일의 기하학적 효과를 상쇄하기 위해 추가적인 교정 단계를 사용하여 불확실성의 주요 원인을 제거한다. 이 추가 단계는 알려진 속도로 알려진 자속을 통해 힘 코일을 이동시키는 것이다. 이는 전압 및 저항 교정에 전 세계적으로 사용되는 폰 클리칭 상수와 조셉슨 상수의 기존 값을 설정함으로써 가능했다. 이러한 원리를 사용하여 1990년 브라이언 키블과 이안 로빈슨은 원형 코일을 사용하고 진공 상태에서 작동하는 키블 마크 II 저울을 발명했다.[14] 브라이언 키블은 이안 로빈슨, 자넷 벨리스와 함께 이 마크 II 버전을 제작했다. 이 설계는 킬로그램인 SI 질량 단위의 재정의에 사용할 수 있을 정도로 정확한 측정을 가능하게 했다.[15]
국립물리연구소에서 시작된 키블 저울은 2009년 캐나다 국립연구 위원회(NRC)로 이전되었으며, 두 연구소의 과학자들이 이 기기를 계속 개선했다.[16] 2014년, NRC 연구원들은 당시 가장 정확한 플랑크 상수 측정을 발표했으며, 상대 불확실성은 1.8 이었다.[17] NRC 연구원들의 마지막 논문은 2017년 5월에 발표되었으며, 불확실성이 10억분의 9.1에 불과한 플랑크 상수 측정을 제시했는데, 이는 당시까지 가장 불확실성이 적은 측정이었다.[18] 다른 키블 저울 실험은 미국 국립표준기술연구소(NIST), 스위스 연방 계측국(METAS, 베른), 파리 근처의 국제도량형국(BIPM) 및 프랑스 국립 계량 및 시험 연구소(LNE, 트라페스)에서 수행된다.[19]
2. 3. 국제적 연구 협력
키블 저울의 원리는 1975년 영국 국립 물리 연구소(NPL)의 브라이언 키블이 자기회전비율 측정을 위해 제안했다.[48] 암페어 저울 방식의 가장 큰 약점은 코일 치수 측정의 정확도에 따라 결과가 달라진다는 점이었다. 키블 저울 방식에서는 코일의 기하학적 형상의 영향을 제거하는 교정 단계를 추가하여 부정확성의 주요 원인을 제거한다. 이 교정 단계는 1990년부터 수행되었는데, 전기력 코일을 세기가 알려져 있는 자속 내에서 일정한 속도로 이동시킨다.[49]키블 저울은 영국의 국립 물리학 연구소에서 시작되었으나, 2009년 캐나다 국립 연구위원회(NRC)로 이전되었고, 두 연구소의 과학자들이 장비 개선을 지속했다.[50] 2014년 NRC 연구원은 플랑크 상수 값에 대하여 1.8-8 의 정밀도로 발표하였는데, 이는 당시로서는 가장 정밀한 측정값이다.[51] 2017년 5월 발표된 NRC 연구원에 의한 최종 논문에서는, 9.1 ppb(십억분의 1)의 정밀도로 현재까지 가장 높은 정밀도의 플랑크 상수 측정치가 제시되었다.[52]
이외에도 미국 미국 국립표준기술연구소(NIST), 스위스 베른의 스위스 계측 학회(METAS), 파리 근교의 국제도량형국(BIPM) 및 프랑스 트라프의 국립 도량형 연구소(LNE)에서 키블 저울을 이용하여 실험을 하고 있다.[53]
2. 4. 대한민국에서의 연구
영국 국립 물리 연구소(NPL)의 B. P. 키블이 1975년에 와트 저울의 원리를 제안했다.[34] 와트 저울법은 전류 저울법의 주요 결점인 코일 형태 정밀도 의존 문제를 해결하기 위해 교정 단계를 추가하여 불확실도 원인을 제거했다. 이 교정 단계는 1990년에 실행되었다.[35]영국 국립 물리 연구소에서 제작된 와트 저울은 2009년 캐나다 국립 연구 기관(NRC)으로 이송되어 재가동 중이다.[36] 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST), 베른의 스위스 연방 계량·인증국(METAS), 파리 근교의 국제도량형국(BIPM), 트라프의 프랑스 국립 계량 시험소(LNE)에서도 와트 저울 실험이 진행되고 있다.[36][37] 2015년 현재, NRC의 와트 저울 NPL Mark II를 사용한 측정과 아보가드로 국제 프로젝트의 측정으로 플랑크 상수의 측정 정밀도에서 불확실도가 달성되었으며, 두 측정값은 상호 불확실도 범위 내에서 일치한다.[36]
3. 원리
자기장 강도 ''B'' 내에서 수직으로 전류 ''I''를 흘리는 길이 ''L''의 도선에는 이들 변수의 곱에 해당하는 로런츠 힘이 작용한다. 키블 저울에서는 이 힘이 표준 질량 ''m''의 무게 ''w''에 해당하도록 전류를 변화시킨다. 이러한 원리는 암페어 저울에서 유래되었다. 무게 ''w''는 질량 ''m''에 지역의 중력 가속도 ''g''를 곱한 값이다. 따라서 저울에서 전자기장에 의한 힘과 중력에 의한 힘이 평형상태를 이루면 아래 식이 성립한다.[1]
:
키블 저울은 자기장의 세기 ''B''와 도선의 길이 ''L''을 측정해야 하는 문제를 해결하기 위해 두 번째 교정 단계를 수행한다. 동일한 와이어 (실제로는 코일)를 속도 ''v''에서 위와 동일한 자기장 내부에서 통과시키면, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의하여 ''BLv''에 해당하는 전위차(전압) ''U''가 전선의 양단에 발생한다.
:
위의 방정식을 결합하면 알려지지 않은 곱 ''BL''이 제거되어, 아래와 같은 식을 얻을 수 있다.
:
따라서, ''U'', ''I'', ''g'' 및 ''v''를 정확하게 측정하면 ''m''에 대한 정확한 값을 얻을 수 있다. 이 방정식의 양변은 일률(power)의 차원을 가지며 국제단위계(SI)의 단위에서는 와트가 된다. 키블 저울의 원래 이름인 "와트 저울"은 여기에서 유래한다.[1]
3. 1. 무게 측정 모드
길이 L의 도선에 전류 I가 크기 B의 자기장 하에서 흐를 때, 도선에 걸리는 힘 (로렌츠 힘)의 크기는 BLI와 같다. 키블 저울에서는 이 힘이 질량 m의 시료에 걸리는 중력 f와 정확하게 균형을 이루도록 전류를 조정한다. f의 크기는 질량 m에 중력 가속도 g를 곱하면 얻을 수 있으므로, 다음과 같은 식이 성립한다.[1]
:
여기까지는 전류 저울의 원리와 같다.
키블 저울은 측정할 질량과 전선 코일이 저울의 한쪽에 매달리고, 반대쪽에는 균형 질량이 있도록 구성된다. 이 시스템은 "무게 측정"과 "이동"의 두 가지 모드를 번갈아 가며 작동한다. 전체 기계 서브 시스템은 공기 부력의 영향을 제거하기 위해 진공 챔버에서 작동한다.[20]
"무게 측정" 모드에서 시스템은 I와 v를 모두 측정한다. 시스템은 코일의 전류를 제어하여 코일을 일정한 속도 v로 자기장을 통과시킨다. 코일의 위치와 속도 측정 회로는 간섭계와 정밀 시계 입력을 사용하여 속도를 결정하고 이를 유지하는 데 필요한 전류를 제어한다. 필요한 전류는 조셉슨 접합 전압 표준과 적분 전압계를 포함하는 전류계를 사용하여 측정한다.
3. 2. 이동 모드
키블 저울은 자기장 세기 ''B''와 도선 길이 ''L''을 직접 측정해야 하는 문제를 해결하기 위해 두 번째 보정 단계인 '이동 모드'를 사용한다. 이 모드에서는 동일한 코일을 속도 ''v''로 동일한 자기장 내에서 통과시킨다. 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 코일 양단에 ''BLv''에 해당하는 전압 ''U''가 발생한다.:
앞서 무게 측정 모드에서 얻은 방정식과 결합하면 미지의 곱 ''BL''이 제거된다.
:
따라서 ''U'', ''I'', ''g'', ''v''를 정확하게 측정하면 질량 ''m''의 정확한 값을 얻을 수 있다.
이동 모드에서 시스템은 코일에 전류 공급을 중단한다. 그러면 균형추가 코일(및 질량)을 자기장을 통해 위로 당기게 되고, 코일에 전압 차이가 발생한다. 이때 속도 측정 회로가 코일의 이동 속도를 측정하고, 동일한 전압 표준 및 적분 전압계를 사용하여 전압을 측정한다.
3. 3. 질량 계산
자기장 강도 ''B'' 내에서 수직으로 전류 ''I''를 흘리는 길이 ''L''의 도선에는 이들 변수의 곱에 해당하는 로런츠 힘이 작용한다. 키블 저울에서는 이 힘이 표준 질량 ''m''의 무게 ''w''에 해당하도록 전류를 변화시킨다. 이러한 원리는 암페어 저울에서 유래된 것이다. 무게 ''w''는 질량 ''m''에 지역의 중력 가속도 ''g''를 곱한 값이다. 따라서 저울에서 전자기장에 의한 힘과 중력에 의한 힘이 평형상태를 이루면 아래 식이 성립한다.:''mg'' = ''BLI''
키블 저울에서는 두 번째 교정 단계를 수행하여 자기장의 세기 ''B''와 도선의 길이 ''L''을 측정해야 하는 문제를 제거한다. 동일한 와이어 (실제로는 코일)를 속도 ''v''에서 위와 동일한 자기장 내부에서 통과시키면, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의하여 ''BLv''에 해당하는 전위차(전압) ''U''가 전선의 양단에 발생한다.
:''U'' = ''BLv''
위의 방정식을 결합하면 알려지지 않은 곱 ''BL''이 제거된다.
:''UI'' = ''mgv''
따라서, ''U'', ''I'', ''g'' 및 ''v''를 정확하게 측정하면 ''m''에 대한 정확한 값을 얻을 수 있다.
위 방정식의 좌변은 전압과 전류의 곱이고, 우변은 중력에 의한 힘과 속도의 곱으로, 양변은 일률(power)의 차원을 가지며 국제 단위계 (SI, International System of Units)의 단위에서는 와트가 된다. 키블 저울의 원래 이름인 "와트 저울"은 여기에서 유래한다.[1]
4. 측정
조셉슨 상수와 폰 클리칭 상수를 이용하면 전류 및 전압을 정밀하게 측정할 수 있다. 이 상수들에는 플랑크 상수 ''h''가 포함되어 있다.[1]
키블 저울로 질량을 구하려면, ''UI'' 뿐만 아니라 실험실에서 질량 정의에 의존하지 않는 방법으로 속도(''v'')와 중력 가속도(''g'')를 측정해야 한다. 질량 ''m''의 정밀도는 ''U'', ''I'', ''v'', ''g'' 측정 정밀도에 따라 달라진다. ''v''와 ''g''는 매우 정밀하게 측정 가능하므로, 질량 측정의 불확실성은 키블 저울로 측정한 ''UI'' 값에 의해 좌우된다.[1]
2019년 5월 새로운 SI 정의가 발효되기 전까지, 이 측정에는 조셉슨 상수(KJ-90)와 폰 클리칭 상수(RK-90)의 1990년 협정값에 기초한 협정 전기 단위가 사용되었다. 새로운 SI 정의가 발효된 후에는 플랑크 상수가 SI를 정의하는 상수가 되었고, SI 단위에 의한 값이 정의값이 되었다.
4. 1. 전압 및 전류 측정
전류 및 전압의 정밀한 값은 조셉슨 상수 및 폰 클리칭 상수를 이용하여 측정된다. 이 상수들에는 플랑크 상수 ''h''가 포함되어 있다.조셉슨 효과와 양자 홀 효과를 기반으로 전류 및 전위차를 정밀하게 측정할 수 있다.[1]
2019년 5월 새로운 SI 정의가 발효되기 전까지, 이 측정에는 조셉슨 상수(KJ-90)와 폰 클리칭 상수(RK-90)의 1990년 협정값에 기초한 협정 전기 단위가 사용되었다. 즉, 전류와 전위차의 곱인 "전력"은 협정 단위에 의한 수치 W90으로 얻어졌다.
SI 단위 와트(watt)로의 환산은 다음과 같이 주어졌다.
따라서 수치 방정식은 다음과 같았다.
즉, SI 정의 개정 이전의 키블 저울(와트 저울)은 환산 계수를 측정하는 것이었으며, 이는 협정 와트 값을 국제 단위계로 측정하는 것과 같았다. 이 측정은 플랑크 상수의 직접 측정이기도 했다. 플랑크 상수는 다음과 같이 주어졌다.
새로운 SI 정의가 발효된 이후에는, 플랑크 상수가 SI를 정의하는 정의 상수가 되었고, SI에 의한 값이 정의값이 되었다. 이에 따라 키블 저울(와트 저울)은 질량을 측정하는 장치가 되었다.
4. 2. 속도 측정
키블 저울에서 속도 측정은 "이동" 모드에서 이루어진다. 시스템은 코일에 전류 공급을 중단하고, 균형추가 코일(및 측정할 질량)을 자기장을 통해 위로 당기면서 코일에 전압 차이가 발생하게 한다. 이때 코일의 이동 속도를 측정하는 회로가 코일의 이동 속도를 정밀하게 측정한다.[20] 발생한 전압은 조셉슨 접합 전압 표준과 적분 전압계를 사용하여 측정한다.[20]일반적인 키블 저울은 전압(''U''), 전류(''I''), 속도(''v'')를 측정하지만, 시간에 따라 급격하게 변하지 않는 국소 중력 가속도 ''g''는 측정하지 않는다. 대신 ''g''는 매우 정확하고 정밀한 중력계를 사용하여 같은 실험실에서 측정한다.[20] 또한, 저울은 전압과 전류를 계산하기 위해 원자 시계와 같은 매우 정확하고 정밀한 주파수 기준에 의존한다.[20]
4. 3. 중력 가속도 측정
조셉슨 상수 및 폰 클리칭 상수를 이용해서 전류 및 전압에 대한 정밀한 값을 측정한다. 이때 조셉슨 상수 및 폰 클리칭 상수에는 플랑크 상수 ''h''가 포함되어 있다.키블 저울로 질량을 구하기 위해서는, ''UI'' 뿐만 아니라, 실험실에서 질량의 정의에 의존하지 않는 실험적 방법으로 ''v'' 와 ''g''를 측정해야 한다. 질량 ''m'' 의 전체적인 정밀도는 ''U'', ''I'', ''v'' 및 ''g'' 의 측정 정밀도에 따라 달라진다. ''v'' 와 ''g''는 매우 높은 정밀도로 측정이 가능하므로, 질량 측정의 불확실성은 키블 저울로 측정한 ''UI'' 값에 의해 좌우된다.
키블 저울에서 중력은 시험 질량을 국소 중력 가속도 ''g''에 대해 위아래로 진동시켜 기계적 전력을 전압의 제곱을 전기 저항으로 나눈 값인 전기 전력과 비교하는 본질적인 부분이다. 하지만 ''g''는 지구 표면의 측정 위치에 따라 거의 1%까지 크게 변동한다(''지구 중력'' 참조). 또한 지하 수위 변화로 인해 특정 위치에서 ''g''가 계절별로 약간 변동하며, 달과 태양에 의해 발생하는 지구 형상의 조석 왜곡으로 인해 반월간 및 일중 변동이 더 크다. ''g''는 킬로그램의 ''정의''에 포함된 용어는 아니지만, 키블 저울에서 에너지와 전력을 연결할 때 킬로그램을 측정하는 과정에서 매우 중요하다. 따라서 ''g''는 다른 용어와 마찬가지로 최소한 동일한 정밀도와 정확도로 측정해야 하므로 ''g''의 측정값도 자연의 기본 상수까지 추적할 수 있어야 한다. 질량 측정에서 가장 정밀한 작업을 위해 ''g''는 요오드 안정화된 헬륨-네온 레이저 간섭계를 포함하는 낙하 질량 절대 중력계를 사용하여 측정한다. 간섭계에서 출력되는 간섭 신호, 주파수 스윕은 루비듐 원자 시계로 측정된다. 이러한 중력계는 빛의 속도 일정성과 헬륨, 네온, 루비듐 원자의 고유한 특성에서 정확도와 안정성을 얻기 때문에, 완전 전자식 킬로그램의 정의에서 '중력' 용어 역시 자연의 불변량으로 측정되며 매우 높은 정밀도를 보인다. 예를 들어, 2009년 NIST의 게이더스버그 시설 지하에서 Pt10Ir 시험 질량에 작용하는 중력을 측정했을 때, 측정된 값은 일반적으로 의 8 ppb 이내였다.[25][26][27]
전류 및 전위차의 정밀 측정은 조셉슨 효과와 양자 홀 효과에 기초하여 수행된다. 이 측정에서는 조셉슨 상수와 폰 클리칭 상수가 사용되지만, 2019년 5월에 새로운 SI의 정의가 발효되기 전까지는 각각의 상수와 대응하는 1990년의 협정값과 에 기초한 협정 전기 단위로 측정되었다.
새로운 SI의 정의가 발효된 이후에는, 플랑크 상수가 SI를 정의하는 정의 상수로 위치하게 되었고, SI에 의한 값이 정의값이 되었다. 이에 따라, 키블 저울은 질량을 측정하는 장치가 된다.
5. 설계
키블 저울은 두 개의 전류가 흐르는 전선 코일 사이의 힘을 측정하여 전류의 크기를 계산하는 초기 전류 측정 장치인 앙페어 저울을 더 정확하게 개량한 것이다. 키블 저울은 앙페어 저울과 반대 방향으로 작동한다. 코일의 전류는 플랑크 상수에 의해 매우 정확하게 설정되고, 코일 사이의 힘은 시험 킬로그램 질량의 무게를 측정하는 데 사용된다.[9] 이후 중력계로 현지 지구 중력(중력 및 원심 효과를 결합한 순 가속도)을 정확하게 측정하여 무게로부터 질량을 계산한다. 이처럼 물체의 질량은 전류와 전압으로 정의되므로, "국제 킬로그램 원기(IPK)"나 다른 물리적 물체를 사용하지 않고도 질량을 "측정"할 수 있다.[9]
키블 저울은 측정할 질량과 전선 코일을 저울의 한쪽에 매달고 반대쪽에는 균형 질량을 놓는 방식으로 구성된다. 이 시스템은 "무게 측정"과 "이동"의 두 가지 모드를 번갈아 가며 작동한다.[20] 전체 기계 서브 시스템은 공기 부력의 영향을 제거하기 위해 진공 챔버에서 작동한다.[20]
"무게 측정" 모드에서 시스템은 와 를 모두 측정한다. 시스템은 코일의 전류를 제어하여 코일을 일정한 속도 로 자기장을 통과시킨다. 코일의 위치와 속도 측정 회로는 간섭계와 정밀 시계 입력을 사용하여 속도를 결정하고 이를 유지하는 데 필요한 전류를 제어한다. 필요한 전류는 조셉슨 접합 전압 표준과 적분 전압계를 포함하는 전류계를 사용하여 측정한다.
"이동" 모드에서 시스템은 를 측정한다. 시스템은 코일에 전류를 공급하는 것을 중단한다. 이를 통해 균형추가 코일(및 질량)을 자기장을 통해 위로 당길 수 있으며, 이로 인해 코일에 전압 차이가 발생한다. 속도 측정 회로는 코일의 이동 속도를 측정한다. 이 전압은 동일한 전압 표준 및 적분 전압계를 사용하여 측정된다.
일반적인 키블 저울은 , , 를 측정하지만, 시간에 따라 급격하게 변동하지 않으므로 국소 중력 가속도 를 측정하지 않는다. 대신 는 매우 정확하고 정밀한 중력계를 사용하여 동일한 실험실에서 측정한다. 또한 저울은 전압과 전류를 계산하기 위해 원자 시계와 같은 매우 정확하고 정밀한 주파수 기준에 의존한다. 따라서 질량 측정의 정밀도와 정확도는 키블 저울, 중력계 및 시계에 따라 달라진다.
초기 원자 시계와 마찬가지로 초기 키블 저울은 일종의 실험 장치였으며 크고, 비싸고, 섬세했다. 2019년 현재, 질량의 고정밀 측정이 필요한 모든 계량 실험실에서 사용할 수 있도록 표준화된 장치를 생산하기 위한 작업이 진행 중이다.[21]
대형 키블 저울뿐만 아니라, 2003년경부터 마이크로 제작 또는 MEMS 와트 저울(현재는 키블 저울이라고 함)이 시연되었다.[22] 이는 마이크로 전자공학 및 가속도계에 사용되는 것과 유사한 단일 실리콘 다이에 제작되며, 전기 및 광학 측정을 통해 SI 정의 물리 상수에 대한 추적이 가능한 나노뉴턴에서 마이크로뉴턴 범위의 작은 힘을 측정할 수 있다. 작은 규모로 인해 MEMS 키블 저울은 일반적으로 더 큰 기기에 사용되는 유도력 대신 정전기력을 사용한다. 횡방향 및 비틀림[23] 변형도 시연되었으며, 주요 응용 분야는 (2019년 현재) 원자력 현미경의 교정이다. 여러 팀의 정확한 측정을 통해 결과를 평균화하여 실험 오차를 줄일 수 있다.[24]
6. 응용 및 중요성
키블 저울은 기계적 전력과 전기 전력을 비교하여 질량을 측정한다. 이때 시험 질량을 국소 중력 가속도 ''g''에 대해 위아래로 진동시키는 과정이 필요하다. ''g'' 값은 지구 표면 위치에 따라 최대 1%까지 변동하며, 지하수, 달과 태양의 영향으로도 변동한다. 이러한 ''g''의 정밀한 측정은 킬로그램 측정에 매우 중요하며, 요오드 안정화 헬륨-네온 레이저 간섭계를 포함하는 낙하 질량 절대 중력계를 사용하여 측정한다. 간섭계에서 출력되는 간섭 신호의 주파수 스윕은 루비듐 원자 시계로 측정된다. 이러한 측정 방식은 빛의 속도 일정성과 헬륨, 네온, 루비듐 원자의 고유한 특성을 이용하므로, 매우 높은 정밀도로 ''g'' 값을 구할 수 있다.[25][26][27]
6. 1. 킬로그램 재정의
키블 저울의 핵심은 시험 질량을 국소 중력 가속도 ''g''에 대해 위아래로 움직여, 기계적 전력과 전기 전력을 비교하는 것이다. 그러나 ''g''는 지구 표면의 측정 위치에 따라 거의 1%까지 변동한다(''지구 중력'' 참조). 또한 지하 수위 변화, 달과 태양에 의한 지구 형상의 조석 왜곡으로 인해 특정 위치에서 ''g''값이 계절별, 반월간 및 일중 변동한다. ''g''는 킬로그램 ''정의''에 포함되지는 않지만, 키블 저울에서 에너지와 전력을 연결하여 킬로그램을 측정하는 과정에서 매우 중요하다. 따라서 ''g''는 다른 용어와 마찬가지로 최소한 동일한 정밀도와 정확도로 측정해야 하며, ''g''의 측정값도 자연의 기본 상수까지 추적할 수 있어야 한다. 질량 측정에서 가장 정밀한 작업을 위해 ''g''는 요오드 안정화 헬륨-네온 레이저 간섭계를 포함하는 낙하 질량 절대 중력계를 사용하여 측정한다. 간섭계에서 출력되는 간섭 신호, 주파수 스윕은 루비듐 원자 시계로 측정된다. 이러한 낙하 질량 중력계는 빛의 속도 일정성과 헬륨, 네온, 루비듐 원자의 고유한 특성에서 정확도와 안정성을 얻는다. 완전 전자식 킬로그램의 정의에서 '중력' 용어 역시 자연의 불변량으로 측정되며 매우 높은 정밀도를 보인다. 예를 들어, 2009년 NIST의 게이더스버그 시설 지하에서 Pt-10Ir 시험 질량(스테인리스강 질량보다 밀도가 높고 작으며, 약간 낮은 무게 중심을 가짐)에 작용하는 중력을 측정했을 때, 측정된 값은 일반적으로 의 8 ppb 이내였다.[25][26][27]전류 및 전위차의 정밀 측정은 조셉슨 효과와 양자 홀 효과에 기초한다.
이 측정에서는 조셉슨 상수 와 폰 클리칭 상수 가 사용되지만, 2019년 5월 새로운 SI의 정의가 발효되기 전까지는 각각의 상수와 대응하는 1990년의 협정값 와 에 기초한 협정 전기 단위로 측정되었다. 즉, 앞선 등식의 좌변의 전류와 전위차의 곱인 "전력"은 협정 단위에 의한 수치
:
으로 얻어진다.
전력의 협정 단위의 SI 단위 와트(watt)로의 환산은
:
로 주어지므로, 수치 방정식은
:
가 된다. 즉, SI의 정의가 개정되기 이전의 키블 저울(와트 저울)은 환산 계수의 측정이었으며, 바꿔 말하면, 협정 와트 값을 국제 단위계로 측정하는 것이었다.
이 측정은 플랑크 상수의 직접 측정이기도 하다는 점에서 중요하다. 플랑크 상수는
:
로 주어진다.
새로운 SI의 정의가 발효된 이후에는, 플랑크 상수가 SI를 정의하는 정의 상수로 위치하게 되었고, SI에 의한 값이 정의값이 되었다.
이에 따라, 키블 저울(와트 저울)은 질량을 측정하는 장치가 된다.
6. 2. 과학 기술 발전 기여
키블 저울의 핵심 원리는 시험 질량을 국소 중력 가속도 ''g''에 대해 위아래로 진동시켜 기계적 전력과 전기 전력을 비교하는 것이다. 그러나 ''g''는 지구 표면의 측정 위치에 따라 거의 1%까지 크게 변동한다(''지구 중력'' 참조). 또한 지하 수위 변화로 인해 특정 위치에서 ''g''가 계절별로 약간 변동하며, 달과 태양에 의해 발생하는 지구 형상의 조석 왜곡으로 인해 반월간 및 일중 변동이 더 크다. ''g''는 킬로그램의 ''정의''에 포함된 용어는 아니지만, 키블 저울에서 에너지와 전력을 연결할 때 킬로그램을 측정하는 과정에서 매우 중요하다. 따라서 ''g''는 다른 용어와 마찬가지로 최소한 동일한 정밀도와 정확도로 측정해야 하므로, ''g''의 측정값도 자연의 기본 상수까지 추적할 수 있어야 한다.
질량 측정에서 가장 정밀한 작업을 위해 ''g''는 요오드 안정화 헬륨-네온 레이저 간섭계를 포함하는 낙하 질량 절대 중력계를 사용하여 측정한다. 간섭계에서 출력되는 간섭 신호, 주파수 스윕은 루비듐 원자 시계로 측정된다. 이 유형의 낙하 질량 중력계는 빛의 속도 일정성과 헬륨, 네온, 루비듐 원자의 고유한 특성에서 정확도와 안정성을 얻기 때문에, 완전 전자식 킬로그램의 정의에서 '중력' 용어 역시 자연의 불변량으로 측정되며 매우 높은 정밀도를 보인다. 예를 들어, 2009년 NIST의 게이더스버그 시설 지하에서 Pt-10Ir 시험 질량(스테인리스강 질량보다 키블 저울 내에서 밀도가 높고 작으며, 약간 낮은 무게 중심을 가짐)에 작용하는 중력을 측정했을 때, 측정된 값은 일반적으로 의 8 ppb 이내였다.[25][26][27]
참조
[1]
논문
The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass
[2]
뉴스
Curbing the kilogram's weight-loss programme
https://www.bbc.co.u[...]
BBC News
2011-02-16
[3]
웹사이트
The Kibble Balance
http://www.npl.co.uk[...]
UK National Physical Laboratory website
2017-05-15
[4]
간행물
Report of the 22nd meeting (15-16 June 2016)
http://www.bipm.org/[...]
Consultative Committee for Units (CCU)
[5]
논문
Plot to redefine the kilogram nears climax
[6]
웹사이트
Highlights in the work of the BIPM in 2016
http://www.sim-metro[...]
2017-09-01
[7]
웹사이트
Decision CIPM/105-13 (October 2016)
http://www.bipm.org/[...]
[8]
뉴스
Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
https://www.nist.gov[...]
2018-11-16
[9]
뉴스
Kilogram: The Kibble Balance
https://www.nist.gov[...]
2018-11-22
[10]
서적
Atomic Masses and Fundamental Constants 5
[11]
논문
In Memory of Dr. Bryan Kibble, 1938-2016
[12]
웹사이트
NPL website
https://www.npl.co.u[...]
2022-05-21
[13]
웹사이트
NPL 17th Meeting of CCM
https://www.bipm.org[...]
2022-05-23
[14]
논문
A Realization of the SI Watt by the NPL Moving-coil Balance
[15]
웹사이트
NPL Famous faces
https://www.npl.co.u[...]
2022-05-23
[16]
웹사이트
Kibble balances : Research : Mass & Force : Science + Technology : National Physical Laboratory
http://www.npl.co.uk[...]
[17]
논문
A determination of Planck's constant using the NRC watt balance
[18]
논문
A summary of the Planck constant determinations using the NRC Kibble balance
[19]
논문
CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006
https://www.nist.gov[...]
[20]
논문
The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass
https://www.research[...]
2016
[21]
뉴스
This tabletop device turns the quantum definition of a kilogram into a real mass
https://www.sciencen[...]
2019-06-03
[22]
논문
Accurate analytical measurements in the atomic force microscope: a microfabricated spring constant standard potentially traceable to the SI
[23]
논문
A compact torsional reference device for easy, accurate and traceable AFM piconewton calibration
[24]
웹사이트
NPL Kibble Balance
https://www.npl.co.u[...]
2022-05-23
[25]
문서
Watts in the watt balance
NIST
2009-10-16
[26]
논문
On the gravimetric contribution to watt balance experiments
IOP Publishing
2013-09-06
[27]
논문
Gravimetry for watt balance measurements
IOP Publishing
2014-03-31
[28]
뉴스
BBC News - Curbing the kilogram's weight-loss programme
http://www.bbc.co.uk[...]
Bbc.co.uk
2011-01-26
[29]
웹사이트
The NIST Do-It-Yourself Kibble Balance (Made with LEGO® Bricks!)
https://www.nist.gov[...]
[30]
웹사이트
A LEGO Watt Balance: An apparatus to demonstrate the definition of mass based on the new SI
https://arxiv.org/ab[...]
arxiv.org
2014-12-04
[31]
문서
2023年前期試験物理第2問
[32]
웹사이트
The Kibble balance
http://www.npl.co.uk[...]
2017-07-16
[33]
논문
キログラムを再定義
http://www.nikkei-sc[...]
[34]
서적
A Measurement of the Gyromagnetic Ratio of the Proton by the Strong Field Method
Plenum
[35]
논문
A Realization of the SI Watt by the NPL Moving-coil Balance
[36]
웹사이트
Kibble balances
http://www.npl.co.uk[...]
National Physical Laboratory
2016-10-06
[37]
논문
CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006
[38]
저널
The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass
[39]
뉴스
Curbing the kilogram's weight-loss programme
https://www.bbc.co.u[...]
BBC News
2011-01-26
[40]
웹인용
The Kibble Balance
http://www.npl.co.uk[...]
UK National Physical Laboratory website
2017-05-15
[41]
간행물
Report of the 22nd meeting (15-16 June 2016)
http://www.bipm.org/[...]
Consultative Committee for Units (CCU)
[42]
웹인용
The Kibble Balance
http://www.npl.co.uk[...]
UK National Physical Laboratory website
2017-05-15
[43]
저널
Plot to redefine the kilogram nears climax
[44]
웹인용
Highlights in the work of the BIPM in 2016
http://www.sim-metro[...]
2019-06-17
[45]
간행물
Decision CIPM/105-13 (October 2016)
http://www.bipm.org/[...]
[46]
뉴스
Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
https://www.nist.gov[...]
2018-11-16
[47]
뉴스
Kilogram: The Kibble Balance
https://www.nist.gov[...]
2018-05-14
[48]
서적
Atomic Masses and Fundamental Constants 5
[49]
저널
A Realization of the SI Watt by the NPL Moving-coil Balance
https://archive.org/[...]
[50]
웹인용
Kibble balances : Research : Mass & Force : Science + Technology : National Physical Laboratory
http://www.npl.co.uk[...]
2019-06-17
[51]
저널
A determination of Planck's constant using the NRC watt balance
[52]
저널
A summary of the Planck constant determinations using the NRC Kibble balance
[53]
저널
CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006
http://physics.nist.[...]
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com