Státní etalon ss elektrického odporu

Název etalonu: Státní etalon ss elektrického odporu

Kódové označení: ECM 230-1/08-043

Rok vyhlášení: 2008

Pracoviště: odd. 1011 ČMI OI Praha

Garant: Ing. Jan Kučera, Ph.D.

Počet zajišťovaných CMC řádků: 3

Státní etalon stejnosměrného elektrického odporu je etalon nejvyšší metrologické kvality a slouží jako základ pro zabezpečení jednotnosti všech ostatních etalonů příslušné veličiny ve státě.

Rozšířené nejistoty členů státního etalonu:

Kvantový Hallův jev (KHJ) spolu s vysokoteplotní supravodivostí představuje dva největší objevy fyziky pevných látek v posledních 20 letech minulého století. Hlavní využití KHJ je v metrologii, protože umožňuje realizovat přesný, dokonale stabilní a vysoce reprodukovatelný kvantový etalon elektrického odporu. Kvantový Hallův jev objevil Klaus von Klitzing při zkoumání elektronových transportních vlastností křemíkových, polem řízených tranzistorů Si-MOSFET za velmi nízkých teplot (T < 0,1 K) a v silných magnetických polích (B = 18 T).

Počínaje 1.1.1990 je všem členským zemím Generální konference pro míry a váhy (CGPM), tj. i České republice, doporučeno navazovat své státní etalony elektrického odporu na kvantové etalony. Jednotnost měření v různých zemích a zároveň nejpřesnější možný souhlas takto získané jednotky odporu s ohmem, definovaným v soustavě SI, je přitom dosaženo zavedením přesné hodnoty von Klitzingovy konstanty R_K-90 . V režimu celočíselného KHJ platí pro hodnotu Hallova odporu v oblasti i-tého plató vztah:

Hodnota Hallova odporu kvantové struktury uvnitř plató KHJ je tedy dána pouze fundamentálními přírodními konstantami h (Planckova konstanta) a e (náboj elektronu).

R_H  je Hallův odpor, veličina h/e² je nazývána von Klitzingovou konstantou, i je číslo plató. Pro účely metrologie platí na základě redefinice jednotek SI ke dni 20.5.2019 hodnota von Klitzingovy konstanty, od které se odvozuje hodnota kvantového Hallova odporu na druhém plató, v souladu s CODATA 2018 a činí:

R_H(2) = 12 906,403 73 Ω

R_H (i) = R_K/i = 25 812,807 459 3045 Ω

V praxi se používají referenční hodnoty R_H (2) a R_H (4):

R_H (2) = R_K/2 = 12 906,403 73 Ω

R_H (4) = R_K/4 =   6 453,201 86 Ω

Státní etalon ss elektrického odporu je odvozen z primárního kvantového etalonu pomocí kryogenního proudového komparátoru (CCC) nebo pomocí automatického odporového mostu MI 6010 Q.

Základním prvkem primárního kvantového etalonu je polovodičová struktura, která při velmi nízkých teplotách (0,35 K až 4,2 K) a silném magnetickém poli v kryostatu systému CRYOGENIC QHR 2010 se supravodivým magnetem (10 T) vykazuje KHJ. Dlouhodobou teoretickou a experimentální prací v letech 2003-2008 se podařilo etalon připravit na vyhlášení státním etalonem, jež úspěšně proběhlo roku 2008.

Další etapa budování primární metrologie ss elektrického odporu zahrnuje teoretické a experimentální práce provedené od září roku 2014 po dodání nového kryogenního proudového komparátoru (CCC) a příslušné elektroniky MAGNICON.  Na základě Návrhu na schválení aktualizace státního etalonu (č. 1011-ZV-C0001-16) proběhla 24.1. 2017 úspěšná oponentura aktualizace státního etalonu s novým měřicím systémem MAGNICON. Další aktualizace státního etalonu proběhla 6.1. 2020 a týkala se redefinice jednotek SI, názvu etalonu a podmínek uchovávání etalonu.

Sestava státního etalonu:

• Měřicí systém CRYOGENIC QHR 2010 s kryostatem se supravodivým magnetem s polovodičovou (kvantovou) strukturou a kryogenním proudovým komparátorem MAGNICON CCC-1.
• Automatický poměrový odporový most MI 6010 Q (Quant Ω).
• Soubor klasických etalonů ss elektrického odporu jmenovitých hodnot 1 Ω, 100 Ω, 10 kΩ.

Etalony odporu jmenovité hodnoty 1 Ω (2 ks) klasického provedení, typ NML, výrobce CSIRO (Austrálie) jsou umístěné v nízkoohmové laboratoři ss elektrického odporu v olejovém termostatu při teplotě (23,00 ± 0,02)ºC.

Etalon odporu jmenovité hodnoty 100 Ω klasického provedení, typ 5685A, výrobce Tinsley (Anglie) je umístěný v primární kvantové laboratoři ss elektrického odporu ve vzduchovém termostatu měřicího systému QHR 2010  při teplotě 31,500 ºC se střednědobou stabilitou ±0,005 ºC.

Etalon odporu jmenovité hodnoty 10 kΩ klasického provedení, typ SR 104, výrobce ESI (USA) je umístěný v nízkoohmové laboratoři ss elektrického odporu ve vzduchovém  termostatu  při teplotě (23,00 ± 0,05)ºC.

Návaznost všech členů státního etalonu odporu (1 Ω, 100 Ω, 10 kΩ) se provádí 1 až 2 krát ročně postupným přenosem hodnoty z Hallova odporu kvantové struktury na 2. plató na jednotlivé členy státního etalonu, měřením poměru odporů, prostřednictvím klasických referenčních etalonů odporu hodnot 10 Ω a 1000 Ω, pomocí CCC nebo klasického automatického poměrového odporového mostu MI 6010 Q (Quant Ω).

Další metrologické charakteristiky státního etalonu:

Realizace QHR

Poměry odporů pomocí CCC-1

Poměry odporů pomocí MI 6010Q

V období 2003 až 2017 se státní etalon úspěšně zúčastnil klíčových porovnání pod KCDB:

2004: EUROMET EM-K10: 100 Ω

2007 až 2008: BIPM.EM-K13.a: 1 Ω

2008: BIPM.EM-K13.b: 10 kΩ

2015: BIPM.EM-K13.a: 1 Ω,  BIPM.EM-K13.b: 10 kΩ

2017: BIPM.EM‐K12: On‐site porovnání kvantového Hallova odporu realizovaného ČMI a BIPM -  realizace R_H(2) s poměrem R_H(2)/ R_100Ω a poměrů R_10kΩ/R_100Ω, R_100Ω/R_1Ω