| 研究課題/領域番号 |
22246013
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| 研究機関 | 独立行政法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
浦野 千春 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (30356589)
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| 研究分担者 |
山田 隆宏 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (00377871)
山澤 一彰 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究室長 (30306873)
福山 康弘 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (00357899)
丸山 道隆 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (30415947)
金子 晋久 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究室長 (30371032)
大江 武彦 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (30443170)
堂前 篤志 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (20357552)
丹波 純 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究室付 (10357494)
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| 研究期間 (年度) |
2010-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | SI単位 / 基礎定数 / ボルツマン定数 / 熱雑音 / 揺動散逸定理 / 熱力学温度 / ジョセフソン効果 / 量子電圧雑音源 |
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| 研究概要 |
平成２５年度は不要電磁雑音の除去に最も注力し、結果として、それまで問題となっていた不要電磁雑音のトーンの多くを除去することに成功した。除去できていない不要電磁雑音についても、除去へ向けた方向性が明確になった。現在のボルツマン定数との差は50ppm程度の結果が得られている。これらの結果はTEMPMEKO2013(マデイラ、ポルトガル)にて報告した。
平成２４年度までの研究では、ジョセフソン任意波形発生器によって生成した量子擬似電圧雑音のスペクトルには、①192 kHzの整数倍、②124 kHz付近、および③49 kHz付近、91 kHz付近、228kHzの整数倍、268 kHzの整数倍、にEMIのトーンが見られていた。
①の192 kHzの高調波はジョセフソン任意波形発生器によって生成した量子電圧雑音のスペクトルにのみ見られていた。これらの高調波はパルスパターン発生器の電源部で発生し、電源ケーブルから放射されていることを突き止めた。電源ケーブルにノイズカットトランスを挿入し、ノイズカットトランスからパルスパターン発生器の筐体の間を平編線でシールドすることにより、これらの高調波を全て除去することに成功した。②124 kHz付近の不要電磁雑音は別の実験室の入り口に設置されたカードキー読み取り装置から放射されていることが判明し、それらの装置を停止することにより完全に除去された。③の系列の不要電磁雑音は全て測定に用いている２台のデジタイザの電源部で一旦直流が交流に変換される際に発生していることが分かった。この系列の不要電磁雑音は量子電圧雑音のスペクトルだけでなく、抵抗温度計のスペクトルにも見られているため、デジタイザをシールドすることにより、この系列の不要電磁雑音トーンは除去されるか強度が抑えられることが分かった。不要電磁雑音除去については電気学会（３月,愛媛大学）にて報告した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
平成２５年度までの研究で、研究に必要不可欠な装置の開発は概ね終了したと考えている。研究課題の当初目標は水の三重点温度を25 ppmで測定する技術の確立である。それに対して現在の不確かさレベルは50ppm～100ppm程度と見積もられている。目標を達成するためには不確かさを1/2から1/4程度まで減少させなければならない。
type-A不確かさ（統計的不確かさ）については約15時間の測定で2σの値（標準偏差の２倍）は約20ppm程度に達する。Type-A不確かさは測定回数Nに対して1/√Nに比例して単調に減少し、飽和するような傾向は見られていない。したがって、type-B不確かさ（系統的な不確かさ）が25ppmよりも十分小さければ、より長時間測定しさえすれば、合成不確かさ25ppmを達成することは困難ではないように見える。しかしながら、測定から見積もったボルツマン定数の値と現在定義されているボルツマン定数との差はtype-A不確かさと比較して無視できない大きさであり、しかも測定毎のばらつきも大きく、合成不確かさは50ppmより大きい値となっている。
この原因として、これまでは不要電磁雑音が主な原因と考え、平成２５年度はこれらの不要電磁雑音の除去に務めてきたが、実験的に求めたボルツマン定数のオフセットは依然として大きな値のままであった。最近の実験で、この大きなオフセットの起源が不要電磁雑音というよりはむしろ、測定に用いるアンプの不安定性や、アンプとその入出力に接続される装置との間のインピーダンスミスマッチによることを示唆する結果が得られた。
上で述べた問題を解消しオフセットを大幅に減少させることができれば、目標である25ppmの不確かさを達成することは可能と考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成２６年度は水の三重点温度を25 ppmで測定するという研究の目標を達成するため、測定システムの最適化に取り組む。ここで言う最適化とは、①アンプの安定化、②測定経路のインピーダンスマッチング、③データ収録システムの高度化、などを指している。以下、個別の項目について具体的に述べる。
①アンプの安定化：実験から求めたボルツマン定数に見られる巨大なオフセットの原因の一つはアンプにあると推察している。アンプが発振寸前の状態にあることは、アンプの初段にフィードバックをかけることが出来ず、オープンループで使用しなければならないためと考えている。現在使用しているアンプの動作を詳細に分析し、発振の原因を解消することを目指す。それと並行して、この問題を根本的に解決するために、初段にフィードバックをかけても問題が発生しないようなアンプを開発することを目指す。
②測定経路のインピーダンスマッチング：２つの測定チャンネルのクロススペクトルを詳しく観察すると、その実数部も虚数部も周波数に依存して振動していることが分かった。この振動の周波数依存性は測定毎に異なり、これが実験から求めたボルツマン定数の測定毎に変化する巨大なオフセットの原因となっている可能性が考えられる。この現象は測定経路の各構成要素間のインピーダンスマッチングが悪いことに起因していると推察しており、改善を目指す。
③データ収録システムの高度化：②で述べたクロススペクトルの周波数に依存した振動はアンチエリアシング用の11次バタワースフィルターの段数を１段から２段に増やすとより顕著になる。ローパスフィルターの段数を減らすと解析帯域内におけるエリアシング信号の強度が測定の不確かさに与える影響が増加してしまう。これを回避するために、測定プログラムを並列化し、サンプリングレートとサンプル数を共に２倍に増やすことを目指す。
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