3.4. Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров.

Процедура элементарного прямого измерения:

• Воспроизведение ФВ заданного размера q[ ];

• Сравнение измеряемой ФВ Q с воспроизводимой мерой q[ ].

В оспроизведение единицы физической величины – это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или образцового средства измерения (СИ).

Эталон – средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке (ГОСТ 8.057-80).

Различают две основных группы эталонов:

Первичные эталоны; Вторичные эталоны.

Первичный эталон (государственный эталон) - обеспечивает воспроизведение и хранение единицы с наивысшей в стране точностью.

Вторичные эталоны (эталон-копия, рабочий эталон) – хранит размер единицы, полученной соответствующей ФВ. Рабочий эталон применяется для передачи размера единицы ФВ рабочим СИ.

Передача размера единицы ФВ – это приведение размера единицы ФВ поверяемого СИ к размеру единицы ФВ, воспроизводимой эталоном.

Схема передачи размера единицы ФВ

Первичный эталон

Вторичные эталоны СИ для воспроизведения ФВ

Си для поверки рабочих си и

Образцовые средства высокоточных измерений

измерения (ОСИ)

Рабочие си для проведения массовых измерений

Эталонная база России имеет в своем составе более 100 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. В учебной литературе подробно описаны принципы построения эталонов и их точностные характеристики.

Необходимо отметить, что совершенствование эталонов с целью повышения их точности – процесс непрерывный, обусловленный стремительным развитием науки, технологии производства.

Часто существенное повышение точности эталона связано с использованием новых открытых физических эффектов. Важно отметить, что прорывные технологии (например, переход на нанотехнологии) напрямую связаны с возможностью воспроизводить (или измерять) требуемые характеристики (например, размер) с более высокой точностью, чем требует технология. Это говорит о том, что переходить к новым технологиям можно, если есть СИ, имеющие более высокую разрешающую способность (или точность).

Здесь мы подходим к вопросу: а какой точностью эксперимента необходимо задаваться? Необходимо осознавать, что проведение высокоточных измерений – дорогостоящая операция. Чем точнее прибор, тем он дороже и сложнее его эксплуатация (поверка, проведение измерения и т.д.). Предельная по сложности и дороговизне задача в этой области – сличение эталонов или разработка новых эталонов.

Одно из определений: эталон есть конкретное воспроизведение единицы с наивысшей точностью (М.Ф. Маликов). Это не совсем корректное определение. Точность эталона должна быть достаточной для поверки основного парка средств измерения в стране. Точность обходится очень дорого и никто не создает суперточный эталон при отсутствии потребности в такой точности измерений. Уместно отметить, что каждая страна имеет свои национальные первичные эталоны всего в одном экземпляре, т.к. их разработка и содержание обходятся в значительные суммы.

Разработка новых эталонов (как правило, на новых физических принципах) производится на основании потребности науки или промышленности.

Самым точным является эталон единицы времени и частоты. Роль этих эталонов в мировой метрологической практике всегда была очень высокой.

До 1967 года использовались естественные эталоны времени -периоды вращения Земли вокруг оси и вокруг солнца ( ). Такую же точность имели и лучшие маятниковые часы. Развитие науки и техники (астронавигация, космонавтика, радиоэлектроника и др.) потребовали более точные СИ, а, следовательно, и новые эталоны. С 1967 года секунда стала определяться как интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 ( ). Хороший скачок! Но сегодня этой точности науке и технике не хватает. Ведется разработка новых реперов с названием «Фонтан». Ожидаемая погрешность . Уже работают 6 «Фонтанов» (США, ФРГ, Франция, Канада, Япония и Южная Корея). На очереди – российский эталон. (Стоимость разработки ~1 млн. долларов).

На втором месте – эталон длины (до ). Опять же потребность науки и техники: микроэлектроника (размеры транзисторов на ЧИПе), нанотехнологии.

Создание и стремительное развитие ЭВМ потребовало (и постоянно это требование ужесточается) повысить точность измерения размеров элементов до максимальных пределов (для уплотнения БИС).

Вместе с тем, до 1960г. эталоном метра был платиновый концевой метр, изобретенный Архимедом в 1809г. и слегка улучшенный (сплав платины и иридия) в 1889г. Его погрешность (1-2*10^-7м). Но уже в конце 50-х, когда была создана первая в мире интегральная схема (1959г., Джек Килби), потребовались методы измерения и контроля более совершенные.

Был разработан принципиально новый эталон метра (1960г.). В качестве такого эталона принят метр длины, равной 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона-86 (криптоновый метр). Точность криптонового метра ~0,01 – 0,02 мкм (т.е.1-2*10^-8м).

Это позволило перейти к 1968г. на технологию молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей буквально «выращивать» микросхему на кремниевой пластине. Главные принципы этой технологии не изменились по сей день, вот только в современных процессорах на той же площади помещаются не десятки тысяч, а десятки миллионов транзисторов.

Согласно правилу Мура каждые 2 года технологические возможности микроэлектроники удваиваются! Современная технология производства ИС: размер элемента на подложке диаметром 300 мм составляет ~0,13мкм – это так называемая 0,13-микронная технология (или просто 0,13).

Известно, что точность всех оптических элементов, формирующих изображение ИС, должна быть  (эффект дифракции).

Сейчас для засветки используют мягкое рентгеновское излучение из плазменного облака, образующегося при лазерном облучении специальной мишени. В настоящее время для этого используются эксимерные (например, ArF – аргонфторовые) лазеры с  = 193 нм (ультрафиолет).

Отсюда и получаем возможное разрешение 10нм = 0,01мкм.

В 2005- 2006г.г. совершен переход на технологию 0,1; по подсчетам аналитиков – к 2007г. должны достигнуть технологии 0,07, к 2014г. – 0,035 (при этом на 1см² ~100 миллиардов транзисторов).

Уменьшение длины волны (до уровня 0,035 – технологии) может потребовать создания рентгеновских лазеров (таких еще нет), либо создания новых принципов технологии ИС.

Но нас интересуют метрологические проблемы. Для реализации технологии 0,035 нужны средства измерения длины (размеров) с погрешностью 5-10нм = 5-10*10^-8м)

Это потребует эталонов с погрешностью ~10^-9 м

В 1983г. за эталон метра принят эталон основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения стабилизированного лазера.

Достигнута погрешность

Сегодня этой метрологической базы достаточно, но для 0,035-технологии уже мало.

А вот точность единицы силы света – канделы в раз меньше точности эталона времени. В чем дело? Просто нет необходимости в измерениях такой точности.

Дело в том, что световые измерения -это измерения «видимого» света с длиной волны от 0.38 до 0.76 мкм и в значительной степени связаны с ощущением человека, воспринимающего световой поток посредством глаза. Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн неодинакова, то эти измерения не совсем объективны. Это область фотометрии (фотография, кино и т.п.), поэтому и не нужна здесь запредельная точность. Ведь за точность нужно платить и платить очень дорого. Поэтому никто не занимается увеличением точности эталонов исходя только из научной любознательности.

Третье место по точности занимает эталон единицы массы (килограмма). Это один из немногих оставшихся рукотворных эталонов. Его прототип в виде платино-иридиевой гири существует с 1889 года. Случай уникальный. Всего в мире существует 42 прототипа килограмма (в России – два эталона, тоже уникальное явление). Их погрешность порядка . Нанотехнологии требуют повышения точности измерения не только размеров, но и массы.

Много лет шли поиски более точного способа воспроизводства единицы массы. Были неоднократные попытки воспользоваться постоянной Авогадро Na –фундаментальной физической константой (число молекул или атомов в 1 моле вещества; Na=6.022* моль ),которая связывает единицу массы (килограмм) с атомной массой:

1кг=( ) Na*1а.е.м.

До последнего времени погрешность измерения Na составляла ~ (как и у гири), но пользоваться старым эталоном было гораздо проще!

Несколько лет назад был утвержден международный проект по экспериментальному уточнению числа Авогадро (проект «Авогадро»). Его задачей ставилось определение Na с минимальной погрешностью , что в 15 раз точнее физического эталона (гири).И только в 2010 году, ученые смогли справиться с этой задачей. И это были россияне (!), ученые из знаменитого Росатома. Была решена задача путем подсчета массы определенного числа атомов изотопа кремния-28 и при этом достигнуты рекордные показатели, превышающие проектное задание:

*изотопная чистота кремния-28…..в 10 раз

*химическая чистота………………..на 50%.

По прогнозам специалистов новая константа Авогадро будет утверждена до конца 2010 года, что позволит перейти на новый эталон массы: выигрыш по точности- почти два порядка!

Таким образом, создание новых эталонов с более высокой точностью воспроизведения единиц ФВ – чрезвычайно сложная задача. С открытием учеными новых эффектов (эффекты Джозефсона, эффект Холла и т.п.) они, несмотря на сложность и, зачастую, громадные затраты, реализуются прежде всего в создании принципиально новых типов эталонов, мер, образцовых приборов. И только благодаря этому сегодня удается продвигаться в знаниях и технологиях.