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以纳米准确度计量球体

2023-03-16 15:45:10

来源:计量测控

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在新定义的“千克”(国际单位制的质量单位)的范围内,德国联邦物理技术研究院(PTB)开发了一种程序,可以制造近乎完美的圆形硅球。这些球体的形状误差仅为约10纳米-100纳米,球体必须经过几周的抛光。在此期间,研究人员必须每天检查它们的形状和粗糙度。为此,他们专门研制了一种新型测量装置。它可以在几分钟内确定球体的形状误差。

干涉测量基于的是与反射激光束重叠的入射激光束。通过这种方法,可以精确测量纳米尺度长度。然而,这样的测量方式会受到球体旋转过程中干扰位移的影响。因此,在两个相对的点同时测量球体,几乎完美抛光的球体表面可作为反射面。当球体旋转时,可以检测到两个共线光束路径的距离信号,并把两个信号的和记录下来。如果没有进一步的几何误差校正的情况下,该总和表示沿着相应赤道的球体直径的变化。这种测量原理的优点是球在旋转时,球体的干扰位移对测量结果的影响很小。如果球体沿着光束路径移动,则总和信号不会改变。因此,旋转轴不需要特别的精度。
    此外,这种测量装置的其它特点确保了它对环境影响(如温度或振动)的低敏感度。整个装置性能稳定,易于操作。它不需要任何可能会划伤表面的机械探针。在实验室里,研究人员用一种特殊的运输筒来保护球体。这种运输筒可容纳被放入测量装置的球体,不会发生任何碰撞,还可以在测量过程中充当热保护系统。
    SIOS Messtechnik GmbH与PTB合作,通过使用实验模型收集经验,优化了整个设置。测量的重复精确度只有几纳米。这种测量装置已经运行了好几个月,每天都能提供可靠的结果。这些结果是制造球体所必需的。将这种装置应用于直径相似的透明球形体将成为可能——这种装置已经成为一种概念。