Jste zde

Státní etalon stejnosměrného elektrického odporu na bázi KHJ

Název etalonu: Státní etalon stejnosměrného elektrického odporu na bázi KHJ

Kódové označení: ECM 230-1/08-043

Rok vyhlášení: 2008

Pracoviště: odd. 1011 ČMI OI Praha

Garant: Ing. Petr Chrobok

Počet zajišťovaných CMC řádků: 3

VeličinaJmenovitá hodnotaNejistota (k = 2)
ss elektrický odpor1 Ω0,06 ppm
ss elektrický odpor100 Ω0,03 ppm
ss elektrický odpor10 kΩ0,06 ppm

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).

Státní etalon stejnosměrného elektrického odporu na bázi kvantového Hallova jevu je etalon nejvyšší metrologické kvality a slouží jako základ pro zabezpečení jednotnosti všech ostatních etalonů příslušné veličiny ve státě a pro zprostředkování návaznosti na mezinárodní etalony.

Státní etalon ss elektrického odporu na bázi KHJ je odvozen z primárního kvantového etalonu pomocí kryogenního proudového komparátoru (CCC), který je součástí komerčního měřicího systému QHR 2010 nebo pomocí automatického odporového mostu MI 6010 Q.

Základním prvkem primárního kvantového etalonu je polovodičová struktura (QHD), která při velmi nízkých teplotách (0,35 K) a silném magnetickém poli v kryostatu 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.

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 RK-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).

RH  je Hallův odpor, veličina h/e2 je nazývána von Klitzingovou konstantou, i je číslo plató. Pro účely metrologie platí:

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

Sestava státního etalonu:

  • Měřicí systém CRYOGENIC QHR 2010 s kryostatem se supravodivým magnetem s polovodičovou (kvantovou) strukturou z PTB a kryogenním proudovým komparátorem (CCC).
  • 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 ± 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 na bázi KHJ (1 Ω, 100 Ω, 10 kΩ) se provádí 2krát ročně postupným přenosem z Hallova odporu kvantové struktury na 2. plató s hodnotou

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).

V období 2003 ¸ 2008 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.

Obrázková galerie: