Tutkimustoiminta MIKES- Metrologiassa

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Tutkimustoiminta MIKES- Metrologiassa"

Kirsi-Kaisa Sala
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Tutkimustoiminta MIKES- Metrologiassa Heikki Isotalo Johtaja Metrologia

2 Tutkimus Kvanttimetrologiakolmio (SA) Taajuuskampa (SA) EMMA - piimikromekaniikalla toteutettu voltti CBT- primääri lämpömittari Sähköinen kilo AC-Josephson Akustinen taitekerroin AFM Puun halkaisijan mittaus Suuret resistanssit Proto mittalaitteeseen Paperin neliömassa...

Sähköinen kilo AC-Josephson Akustinen taitekerroin AFM Puun

3 Yksielektronipumppu: sähkövirran kvanttinormaali? Nykyisin sähkövirran arvo määritetään mittaamalla jännite, joka syntyy virran kulkiessa kalibroidun vastuksen läpi Sähkövirran suora kvanttinormaali olisi käsitteellisesti hyvin yksinkertainen: pumpataan elektroneja taajuudella f, jolloin sähkövirta on I = ef Pumppaus voidaan toteuttaa yksielektronipumpun avulla Matala lämpötila ja pienet dimensiot (ja pienet kapasitanssit) Varautumisenergia (e 2 / 2C) dominoi Elektronien määrä saarekkeessa pysyy minimienergiaa vastaavassa arvossa yhden elektronin tarkkuudella gates current Minimienergiatilaa voi muuttaa kapasitiivisesti (hila), jolloin elektroneita saa pumpatuksi yksitellen Päämäärä: metrologisen kolmion sulkeminen Päteekö Ohmin laki Josephson-jännitteen, kvantti-hall-resistanssin ja pumppuvirran välillä eli onko K J = 2e/h ja R K = h/e 2? Kapasitanssimittauksissa saavutettu epävarmuus 10-6 (NIST)

pumpataan elektroneja taajuudella f, jolloin sähkövirta on I = ef Pumppaus voidaan toteuttaa yksielektronipumpun avulla Matala lämpötila ja pienet dimensiot (ja pienet kapasitanssit)

4 Frecuency comb kamman piikkien väli 1 GHz pulssin spektri kuidun jälkeen 500 nm laserpulssin spektri 1300 nm Easier & better accuracy in realisation of the metre

5 Microelectromechanical components (MEMS) in electrical metrology VTT, VTI Technologies, MIKES, NMi-VSL, PTB, Twente University, Fluke EMMA project - DC and AC voltage references and high frequency power sensors based on MEMS components have been developed - Example of results: AC voltage reference with stability better than 2 ppm in three weeks kx = Fel εa 2 = V 2 2( d x)

high frequency power sensors based on MEMS components have been developed - Example of

6 Coulomb Blockade Thermometer (CBT) MIKES, TKK / LTL, TKK Microelectronics Coulomb Blockade Thermometer CBT is a primary thermometer which was invented in Jyväskylä in 1994 by prof. Jukka Pekola Operation principle is based on single electron tunnelling phenomena and Coulomb blockade which are observed in nanoelectronic components with tunnel junctions MIKES and TKK are investigating the possibility to define the temperature scale at cryogenic temperatures using the CBT thermometer

Jukka Pekola Operation principle is based on single electron tunnelling phenomena and Coulomb blockade which are observed

7 Levitating kg VNIIM, VTT, Jyväskylä Univ. Laser interferometer Current source Id DVM R SQUID JJ Levitated body is f m Coil Cryogenic calorimeter for energy loss measurements:

8 Quantum standards of electrical quantities VTT, TKK/LTL, MIKES Voltage: Josephson effect Primary dc voltage standard with uncertainty of about Under development: ac voltage standard based on a Josephson chip of VTT Resistance: quantum Hall effect Quantum Hall effect in a 2-dimensional electron gas of a semiconductor structure is used as the primary resistance standard with measurement uncertainty of about 10-9 Current: charge pumping Single electron phenomena in nanostructures make possible pumping of electrons one by one A new invention of TKK and VTT (Cooper pair sluice) may give a solution MIKES/TKK/VTT collaboration: quantum metrological triangle

semiconductor structure is used as the primary resistance standard with measurement uncertainty of about 10-9 Current: charge pumping Single electron phenomena in

9 Home-made precision electronics Unity-gain amplifiers for 1 khz AC-Josephson with accuracy better than 1 ppm have been developed.

10 Acoustic method for determining of refractive index of air APT APT CC PBS/CC Laser APT APT HVA BPA HVA BPA BPA HVA BPA HVA Counter electronics IEEE-488 Temperature correction from In Situ measurement of the speed of ultrasound (f=50 khz) in air Transmitter selector Dew point meter Pressure meter 4 DIO 0-7 D/A Simultaneous A/D sampling RS232 RS232 Internal clock DAQ-card Computer

measurement of the speed of ultrasound (f=50 khz) in air Transmitter selector Dew point meter

11 KOSTEUS: Tutkimusta laajalla mittausalueella Lämpötila-kosteus-paine: Kosteus: 10 %rh 95 %rh Lämpötila: (-80 C) -67 C +85 C (+180 C) Paine: barometrialue (myös ylipaine max. 15 bar ja alipaine min. 50 Pa) Painopistealueet: kosteuden primäärinormaalit mittanormaalien vertailumenetelmät kenttä- ja erikoiskalibrointi/testauslaitteistot kosteusmittalaitteiden ominaisuudet

12 Lieriömäisyyden mittauskoneen modernisointi Ongelma: Asiakkaan mittauskoneen modernisointi epäonnistui MIKESin ratkaisu: Mittausohjelmat tarkastettiin / uusittiin Epävarmuuslaskelmat modernisoitiin Jäljitettävyysketjun varmistus

MIKESin ratkaisu: Mittausohjelmat tarkastettiin /

13 Painokoneen telan halkaisijan mittalaite Ongelma: Painokoneen telan halkaisijan mittalaite kalibroitava Ratkaisu: Asiakas teetti kalibrointikappaleen, jonka halkaisijan MIKES kalibroi. MIKESin antoi jäljitettävän arvo halkaisijalle ja ympyrämäisyydelle.

teetti kalibrointikappaleen, jonka halkaisijan MIKES kalibroi.

14 Paperin neliömassan jäljitettävä mittaus Punnitus vaa alla paino 0,1 g g Mittausepävarmuus 0,5 % (100 g/m g/m 2 ) Jäljitettävysketjun varmistus Virhelähteenä mm. kosteuden vaikutus Pinta-alan määritys skannerilla Pinta-ala 50 cm 2 -A4 Toimistoskanneri Mittausepävarmuus 0,2 % Jäljitettävysketjun varmistus mm. viiva-asteikoilla

15 AFM - Atomic Force Microscopy & Interferometer LASER MONITOR SPATIAL FILTER COVER LAMP BEAM SPLITTER CCD CAMERA MOTOR MOVING CUBE CORNER BEAM SPLITTER MIRROR PIEZOS COMPENSATOR PLATE DETECTORS SCREEN MOTOR REFERENCE FLAT GAUGE BLOCK High accuracy AFM, PSIA XE-100 Commercial AFM - traceable measurements

SPLITTER MIRROR PIEZOS COMPENSATOR PLATE DETECTORS 4 1 2 3 SCREEN MOTOR

16 Characterisation of bulk and dynamic properties of piezos Hysteresis Relaxation properties Feasibility study

17 Calibration Method for Low Currents* 10 GΩ 100 TΩ 20 o C ± o C ± 1000 V 20 o C 28 o C *Diploma work by Pekka Sipilä MIKES & TKK Metrology Institute Resistance / TΩ Resistance / Ohm E E E E E E E E+013 Resistance / TΩ Resistance / Ohm x x x x x x E Temperature / o C Meter range setting at 200 pa Meter range setting at 20 pa Modelling 10 TΩ Voltage / V TΩ Temperature / o C Voltage / V 17

45E+013 Resistance / TΩ Resistance / Ohm 10.32 1.032x10 13 1.030x10 13 1.028x10 13 1.026x10 13 1.024x10 13 1.022x10 10.22 13 9.

18 Ympäristömittauslaitteita Päästökaasujen analyysi: typpioksidit, hiilivedyt... Uusi lisäys analysaattoriin => Lock-in vahvistimen suunnittelu, dokumentointi ja proto 18

19 Viivalaser-mittalaite puun halkaisijan määritykseen 19

Samankaltaiset tiedostot

Mittayksikköjärjestelmän fysikaaliset perusteet, osa II b, sähkösuureet. 1. Jännite ja Josephson-ilmiö 4. Sähkösuureiden yksiköt SI-järjestelmässä

Mittayksikköjärjestelmän fysikaaliset perusteet, osa II b, sähkösuureet Antti Manninen MIKES TKK, Mittaustekniikan perusteet 22.9.2006 Sähkösuureiden yksiköt SI-järjestelmässä Perusyksikkö: ampeeri (A)