Учёные из Уральского федерального университета (УрФУ) и Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (УНИИМ) разрабатывают отечественную модель весов Киббла — высокоточный прибор, который должен помочь создать эталон килограмма. Статья с описанием проведённых исследований опубликована в журнале «Измерительная техника».
В статье говорится, что специалисты разработали две магнитные системы и определили подходы, которые позволят создать весы Киббла с характеристиками, которые не уступают лучшим мировым образцам. Сейчас над разработкой и усовершенствованием таких весов, помимо России, трудятся Великобритания, США, Канада, Франция, Италия, Швейцария, Турция, Китай, Южная Корея. Создание отечественного варианта — вопрос не только престижа, но и безопасности, считают учёные.
Масса груза, установленного на весы Киббла, с предельной тщательностью определяется в магнитном поле магнитной системы весов. Первая из двух разработанных магнитных систем соответствует классическому образцу, принятому в мировой практике. Она состоит из двух постоянных магнитов, которые выполнены из металлических порошков, а остальная, большая часть — из магнитомягких материалов. Катушка при этом создана из немагнитного материала, чтобы без приложения тока магнитное поле магнитной системы воздействовало на нее как можно меньше.
Как отмечается в статье, главная проблема таких весов состоит в том, что как только на катушку с проволокой, прикрепленную к чаше с грузом и находящуюся в магнитном поле, подают электрический ток, меняется само магнитное поле. Старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Алексей Волегов объясняет в работе, что при разработке системы необходимо максимально однородное распределение магнитного поля в зазоре — воздушном пространстве, куда помещается катушка. При этом сами по себе магниты — материалы с линейной текстурой, хрупкие и неоднородные. Для решения этой проблемы использовались магнитомягкие материалы, которые создают необходимую конфигурацию магнитного поля.
Такие усовершенствования стали первым этапом решения проблемы. Во второй же из двух магнитных систем постоянные магниты расположены гораздо ближе к воздушному зазору магнитной системы. Это снизило зависимость магнитного поля от силы электрического тока в ней.
Для сканирования конфигурации магнитного поля в системе физики сконструировали специальную измерительную установку и проводили измерения в течение двух месяцев по 10-12 часов в сутки. По словам Волегова, благодаря этому учёные точно знают преимущества и недостатки созданных ими систем, что позволит в этих условиях воспроизвести магнитную систему для российского варианта весов Киббла. «Испытания системы на макетах весов Киббла в петербургском ВНИИ метрологии показали, что мы движемся в верном направлении», — сообщил Алексей Волегов.
Руководство и финансирование осуществляет Росстандарт, исследования проводятся по заказу Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург). Согласно прогнозам специалистов, реализацияя проекта в России займёт не менее пяти лет.
