基于微波谐振法的气体折射率热力学温度计研究

作     者：崔劲 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宦克为

授予年度：2018年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：热力学温度 气体折射率 微波谐振法 氩气 

摘      要：热力学温度单位开尔文(K)是国际单位制的七个基本单位之一,其量值被精确、稳定地复现,是保证在全球范围内温度测量一致和准确的前提。热力学温度是客观世界的真实温度,但是由于其测量难度大,国际温度组织依据热力学温度测量结果制订了实用性的协议温标,也称国际温标。目前我们使用的是ITS90国际温标,国际温标是对热力学温度的逼近。然而,国际计量委员会(CIPM)开展的水三相点比对中显示水中氢氧同位素丰度随着水源、蒸馏工艺过程不同会有明显差异,这导致复现水三相点有可能偏移开尔文的定义值。因此在2005年,CIPM提议将热力学温度等基本单位定义在基本物理常数上,从而改变依赖实物基准的历史。微波谐振法是当前测量热力学温度最精确的方法之一。本文在中国计量科学研究院热工计量实验室基准声学温度计的实验平台基础上,利用氩气的量子力学“从头算理论和相关实验测量结果,建立了基于微波谐振法测量不同温度下的气体折射率,通过温度与气体折射率的关系得到准确的热力学温度。建立了谐振腔主动控温方法,在实验测量的9小时内,谐振腔的温度稳定性达到±0.1 mK;建立了高纯气路系统,解决了测量过程中氩气污染的问题;改进了谐振腔压力测量方法,通过对氩气流量的控制实现了13小时内谐振腔内压力波动小于10 Pa。获得了汞三相点到镓融化点温区内5个温度点的热力学温度T。通过测量圆柱微波谐振腔内4个横磁模式的微波谐振频率,获得了氩气在700 kPa附近的气体折射率,在不同微波模式得到的氩气折射率一致性优于1×10,进一步结合氩气的维里状态方程得到热力学温度。热力学温度T和ITS-90国际温标差异T差异不确定度为11.6 mK,与国际温度咨询委员会的评估值具有良好的一致性。未来随着氩气理论计算结果不确定度的持续降低和实验系统压力测量不确定度的深入研究,该方法测定热力学温度的不确定度会进一步改善。