1.7 Современное состояние и перспективы развития измерений

Современное состояние лабораторных исследований прецизионных технологических процессов требует повышения точности измерений, использования таких методов и средств измерений, которые свободны от многих видов погрешностей измерений и которые не требуют применения сложных методов коррекции.

Одним из реальных путей решения этой задачи является переход от традиционного принципа иерархии метрологического обеспечения к другому – автономному.

Для принципа автономности характерно применение в средствах измерений мер, создаваемых на основе известных с высокой точностью природных констант и обладающих высокой фиксирующей способностью и стабильностью.

Фундаментальные природные константы – это конкретные физические величины (скорость света, масса электрона и т. д.) или числовые коэффициенты, входящие в формулы основных физических законов (постоянная Планка, постоянная тонкой структуры и др.). Эти константы считаются практически неизменными. Они определяются с высокой точностью экспериментально, составляя основу наших физических представлений. В этом смысле реализация принципа автономности не свободна от использования эталонов.

Меры на основе природных констант, точностные характеристики которых близки к эталонным или значительно выше, чем у необходимых средств измерений, относят к автономным. Постоянное усовершенствование микроэлектронных технологий, криоэлектроники и микропроцессорной техники позволить преодолеть трудности массового применения автономных мер, постепенно отпадает необходимость в образцовых средствах измерений и поверке. Эталоны и задачи уточнения значений природных констант, их технического применения надолго сохранят свою значимость.

Методы квантовой метрологии основаны на использовании стабильных физических явлений и фундаментальных взаимодействий, обусловленных корпускулярно-волновой природой вещества и электромагнитного излучения. Большинство квантовых методов базируется на взаимодействии электромагнитного излучения с атомными частицами (атомами, электронами, протонами, атомными ядрами и др.), находящимися в макроскопических количествах вещества. При этом используют главным образом макроскопические квантовые эффекты, т.е. такие эффекты и явления микромира, которые можно обнаружить на макроуровне. К ним относятся: эффект Зеемана, эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла, эффект Мессбауэра и т.д.

Исходным для описания многих используемых физических явлений является известное квантовомеханическое соотношение Е = hf, в котором постоянная Планка как бы перебрасывает мост между микро и макромиром. При этом энергия Е является микроскопической характеристикой квантовых переходов между энергетическими уровнями микрочастиц, а частота излучения - макроскопической величиной, доступной измерению.

Использование физических явлений, происходящих на атомном или ядерном уровнях, позволяют создавать высокочувствительные средства измерений с порогом чувствительности, равным кванту энергии одной или небольшого количества атомных частиц. По этой же причине метрологические характеристики квантовых приборов мало или вообще не зависят от изменений внешних факторов. При этом, чем более глубинные явления используются тем меньше эта зависимость. Квантовые преобразователи обычно не искажают состояние объекта исследования. В качестве информативного параметра выходного сигнала квантовых средств измерений во многих случаях выступает частота, являющаяся наиболее точно измеряемой физической величиной, которую легко, без искажений можно передавать на большие расстояния. Это позволяет сделать общедоступной высокую точность измерения не только в метрологической практике, но и при технических измерениях.

Квантовые методы уже нашли применение в метрологии для создания естественных эталонов единиц ряда физических величин: эталоны единиц длины, времени и частоты, электрического напряжения, магнитной индукции и т. д.

Совершенствование квантовых методов и их сочетание с современной элементной базой позволяют на их основе создавать не только высокоточные эталоны единиц физических единиц, но также образцовые и рабочие средства измерений с уникальными характеристиками, которые не могут быть получены на основе применения классических методов. Электронизация эталонов и прецизионных средств измерений позволяет также уменьшать систематические и случайные составляющие погрешности измерений: первые – в основном приборами и устройствами квантовой электроники, вторые – микропроцессорными средствами вычислительной техники и электронными приборами с высокой стабильностью, прецизионными полупроводниковыми стабилитронами и др. Аппаратная и алгоритмическая совместимость достигается технологией и схемотехникой современной микроэлектроники.