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문제 정의
- 본 연구에서는 캡슐형의 백금저항 온도계의 교정을 우해 제작된 산소와 아르곤의 밀봉형 삼중점의 실현장치를 개발하여 저온 구간에서 초정밀 온도계를 교정하였다. -220 ℃에서 0.
제안 방법
- 따라서 본 실험에서는 모든 삼중점에 대하여 여기 전류 1mA를 가했을 때의 저항값을 기준으로 편차함수의 계수를 산정하였다.
- 또한 ITS-90에서는 개개인의 표준백금저항온도계마다 온도-저항비의 특성이 조금씩 다르므로 각 온도계의 고정점에서의 값을 측정하여 정해진 형태의 편차함수의 계수를 산축하고 그 편차함수에 따라 온도-저항비의 함수를 도출하도록 하였다. 산소의 삼중점 (54.
- 344 2 ℃부근으로 낮추어 주는 냉각 장치를 제작하였으며 그 도면은 그림 2에서 보인 바와 같다. 본 연구에서는 헬륨 냉동기를 이용한 냉각 시스템을, 자체 제작한 진공챔버에 부착하여 밀봉형 셀과 그 부근을 냉각하였다. 본 장치는 더 낮은 온도 영역을 위하여 액체 헬륨을 이용하여 냉각할 수 있도록 하였다.
- 산소와 아르곤의 삼중점 실현을 위하여 우선 밀봉형 셀의 온도를 해당 온도인 -218.791 6 ℃와 -189.344 2 ℃부근으로 낮추어 주는 냉각 장치를 제작하였으며 그 도면은 그림 2에서 보인 바와 같다.
- 실리콘 다이오드 온도계는 Lakeshore 사의 온도 모니터 mode 218을 이용하여 측정하였다.
- 저항 측정을 위하여 4선식 측정 방법을 이용하였으며 표준 저항의 온도에 따른 저항값 변화를 줄이기 위하여 표준 저항을 온도에 따른 저항값 변화를 줄이기 위하여 표준 저항을 온도 25.0 ℃에서 0.1 ℃ 이내의 온도로 유지되는 항온조에 담그어 사용하였다.
- 1 ℃ 이내의 온도로 유지되는 항온조에 담그어 사용하였다. 저항비 브리지 F900을 이용하여 측정된 저항비는 자체 제작된 자동 데이터 획득 프로그램을 통하여 컴퓨터로 읽고 저장하도록 하였다. 세 개의 SPRT의 저항값을 번갈아 가면서 측정하기 위하여 컴퓨터로 자동제어 가능한 스위침 시스템 SB148/158 (영국 ASL 사)를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 밀봉형 셀은 3개의 캡슐형 SPRT를 한꺼번에 교정할 수 있으므로 실험의 호율을 높이기 위하여 3개의 SPRT가 사용되었다. 이 중 2개의 SPRT는 영국의 Tinsley 사에서 제작된 model 5187L로서 일련번호가 각 B212, B254였으며 나머지 한개는 미국의 Hart 사에서 제작한 model 5695로서 일련번호 9509였다.
- 이 실험에서 그림 1에서 보여진 바와 같이 이탈리아의 표준기관인 IMGC에서 제작된 산소와 아르곤 삼중점 셀을 사용하였다(각 S/N: 1402 1999-11-16, 10Ar 1999-08-27)[3]. 이 셀들은 각각 1999년 11월 16일과 8월 27일에 봉입되었으며 ITS-90에서 정한 온도에서 95%의 신뢰구간으로 0.
- 본 실험에 사용한 밀봉형 셀은 3개의 캡슐형 SPRT를 한꺼번에 교정할 수 있으므로 실험의 호율을 높이기 위하여 3개의 SPRT가 사용되었다. 이 중 2개의 SPRT는 영국의 Tinsley 사에서 제작된 model 5187L로서 일련번호가 각 B212, B254였으며 나머지 한개는 미국의 Hart 사에서 제작한 model 5695로서 일련번호 9509였다. 각 SPRT는 물의 삼중점에서의 명칭저항이 모두 25 Ω이나 실제 측정에서는 약 24.
- 이를 위하여 Lakeshore 사의 온도제어기 model 340이 사용되었다.
- 표준백금저항온도계의 저항 측정을 위하여 0.02 ppm의 정밀도를 갖는 영국 ASL 사의 정밀 저항비 브리지 model F900이 사용되었다. 표준저항은 영국 Tinsley사의 명칭 저항 25 Ω 저항과 100 Ω저항이 사용되었다.
성능/효과
- 본 장치는 더 낮은 온도 영역을 위하여 액체 헬륨을 이용하여 냉각할 수 있도록 하였다. 그러나, 액체 헬륨을 사용하지 않더라도 실험에 필요한 정상적인 열로드인 밀봉형 셀 한개와 캡술형 SPRT 3개를 장착하였을 때 최전온도를 17K까지 낮출 수 있으므로, 네온의 삼중점(24.556 1K)까지는 액체 헬륨을 사용하지 않고도 실현 가능할 것으로 보인다. 저온 장치 내부의 온도 구배 측정을 위해서 정밀도 0.
- 또한 교정이 수행된 1990년과 2007년 사이의 17년간의 변화의 크기를 고려했을 때 일반적인 빈도로 사용되는 저온용 표준백금저항온도계에 대하여 대체로 1mK 이내의 정확도로 산소의 삼중점까지 사용하려면 대체로 2년마다 한번씩 교정이 이루어 져야 한다는 것을 알 수 있다.
- 006 mK에 불과하여 매우 안정한 상태인 것으로 나타났다. 또한, 모든 측정값들의 표준 편차는 0.082 mK, 이 측정값들을 이용하여 구한 평균의 표준편차는 0.003 mK으로 매우 낮게 나타났다. 따라서 이렇나 요인들로 인한 산소 삼중점 실현 불확도는 매우 낮다고 평가할 수 있을 것이다.
- 이 제어장치와 실리콘 다이오드 온도계를 이용할 경우 온도 제어의 분해능을 1mK이다. 본 실험에서 제작된 실험 장비에 장착하였을 때 3차 캔의 온도가 정해진 온도에서 2mK 이내에서 항상 제어가 가능하였으므로 저온 삼중점을 실현하기에 충분하였다.
- 그림 4에서 보는 바와 같이 삼중점이 실현되는 약 7시간 동안 SPRT로 측정된 온도 변화는 매우 작았다. 온도계 측정값을 시간에 대하여 선형식으로 근사하여 그 기울기에 해당하는 변화율을 계산하였을 때 7시간동안의 온도 변화는 0.006 mK에 불과하여 매우 안정한 상태인 것으로 나타났다. 또한, 모든 측정값들의 표준 편차는 0.
- 그래프의 y-축은 브리지 측정값을 나타내고 5mK의 변화에 해당하는 측정값을 화살표로 표시하였으며, x-축은 측정 시간을 나타낸다. 이 결과에서 알 수 있듯이 본 실험 장치에서 heat-pulse가 꺼진 후 정상상태에 도달했을 때의 표준 백금저항온도계의 저항값을 이용하여 산소의 삼중점을 1mK 보다 훨씬 작은 수준의 불확도로 측정할 수 있었다.
- 01℃ 구간의 교정을 위하여 통상적으로 사용하는 수은과 물의 삼중점도 실현되었다. 이러한 밀봉형 삼중점 실현을 통하여 본 구간에서 신뢰구간 95%에서 불확도 1mK 이내로 온도계를 교정하는 것이 가능하다.
- 이러한 시스템을 이용하여 캡술형 표준백금저항온도계의 교정은 물론이고, 이렇게 교정된 온도계를 기준기로 하여 -200 ℃ 이상의 영역에서 사용되는 롱스템형 표줌백금저항온도계 및 산업용 저항온도계, 각종 저온용 온도계를 비교교정하는 것도 가능해졌다.
- 이러한 자기가열효과의 정도를 측정하기 위하여 일반적으로 측정에 사용한 여기 전류의 #배에 해당하는 전류를 흘려주면 2배에 해당하는 줄열이 발생하여 측정에 사용한 여기 전류로 인한 온도 상승의 크기를 계산해 낼 수 있다. 이러한 측정을 한 결과 측정에 사용한 1 mA의 전류에 의해 약 0.2 mK의 온도 상승이 생겼다는 것을 알 수 있다. 이로 인한 불확도는 이러한 온도 상승 효과의 약 10%인 0.
- 이번 실험을 통하여 저온에서 일반적으로 사용하는 초정밀 온도계인 캡슐형 표준백금저항온도계를 -220 ℃에서 0.01 ℃ 까지의 영역에서 1 mK 이내의 불확도로 교정하는 것이 가능해졌다.
- 이상의 결과를 종합하면 산소 삼중점에서의 표준백금저항온도계를 교정한 불확도는 0.43 mK (k=2)이며, 이 온도영역에서 0.1 mK 정도인 ITS-90의 부분구간 비유일성(non-uniqueness)[6]을 포함하더라도 산소 삼중점에서 물의 삼중점 구간에서의 불확도는 1 mK이하라는 것을 알 수 있다.
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