Umeå universitets logga

umu.sePublikationer
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Gas equilibration gas modulation refractometry for assessment of pressure with sub-ppm precision
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.ORCID-id: 0000-0001-5790-2185
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik. National Metrology Institute VTT MIKES, Finland.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.ORCID-id: 0000-0001-6824-3111
Visa övriga samt affilieringar
2019 (Engelska)Ingår i: Journal of Vacuum Science and Technology B: Nanotechnology and Microelectronics, ISSN 2166-2746, E-ISSN 2166-2754, Vol. 37, nr 4, artikel-id 042901Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Gas modulation refractometry (GAMOR) is a methodology that, by performing repeated reference assessments with the measurement cavity being evacuated while the reference cavity is held at a constant pressure, can mitigate drifts in dual Fabry-Perot cavity based refractometry. A novel realization of GAMOR, referred to as gas equilibration GAMOR, that outperforms the original realization of GAMOR, here referred to as single cavity modulated GAMOR (SCM-GAMOR), is presented. In this, the reference measurements are carried out by equalizing the pressures in the two cavities, whereby the time it takes to reach adequate conditions for the reference measurements has been reduced. This implies that a larger fraction of the measurement cycle can be devoted to data acquisition, which reduces white noise and improves on its short-term characteristics. The presented realization also encompasses a new cavity design with improved temperature stabilization and assessment. This has contributed to improved long-term characteristics of the GAMOR methodology. The system was characterized with respect to a dead weight pressure balance. It was found that the system shows a significantly improved precision with respect to SCM-GAMOR for all integration times. For a pressure of 4303 Pa, it can provide a response for short integration times (up to 10 min) of 1.5 mPa (cycle)1/2, while for longer integration times (up to 18 h), it shows an integration time-independent Allan deviation of 1mPa (corresponding to a precision, defined as twice the Allan deviation, of 0.5 ppm), exceeding the original SCM-GAMOR system by a factor of 2 and 8, respectively. When used for low pressures, it can provide a precision in the sub-mPa region; for the case with an evacuated measurement cavity, the system provided, for up to 40 measurement cycles (ca. 1.5 h), a white noise of 0.7 mPa (cycle)1/2, and a minimum Allan deviation of 0.15mPa. It shows a purely linear response in the 2.8-10.1 kPa range. This implies that the system can be used for the transfer of calibration over large pressure ranges with exceptional low uncertainty.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
American Institute of Physics (AIP), 2019. Vol. 37, nr 4, artikel-id 042901
Nationell ämneskategori
Annan elektroteknik och elektronik Atom- och molekylfysik och optik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:umu:diva-165111DOI: 10.1116/1.5090860ISI: 000492053600016Scopus ID: 2-s2.0-85066786025OAI: oai:DiVA.org:umu-165111DiVA, id: diva2:1369973
Tillgänglig från: 2019-11-13 Skapad: 2019-11-13 Senast uppdaterad: 2023-09-07Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Fabry-Pérot based refractometry: development of a transportable refractometer for assessment of gas pressure
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Fabry-Pérot based refractometry: development of a transportable refractometer for assessment of gas pressure
2023 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Alternativ titel[sv]
Fabry-Pérot-baserad refraktometri : utveckling av en transporterbar refraktometer för mätning av gastryck
Abstract [en]

A unified description of physical phenomena through measurement science is one of the foundational pillars in a global society. The International System of Units (SI) is the most widely used system of units and since its redefinition in 2019, all units encompassed by it are based on fundamental physical constants. The units of the SI, such as the second, metre, and kilogram, are realized by the use of primary standards which are used, through calibration chains, to certify the accuracy of measuring devices in our society. Its redefinition enabled the realization of the SI-unit for pressure (pascal) in a novel way; instead of force per area (N/m2), it can alternatively be defined as an energy density (J/m3). Subsequently, this opened up for the use of optical realizations of the pascal (Pa). It has been prophesied that a possible means to do this is by assessing refractivity through the use of Fabry-Pérot (FP) refractometry. Although such instrumentation indeed can assess refractivity, it has unfortunately been found that they in practice are affected by various types of disturbances that aggravate assessments with the required uncertainty.

This thesis describes the development of FP-based refractometers utilizing a novel measurement methodology, denoted gas modulation refractometry (GAMOR). By the use of rapid gas modulation and baseline interpolation, GAMOR has the ability to significantly reduce the influence of various types of disturbances, not least drifts and fluctuations. From this, two FP-based refractometers have been developed; one stationary, denoted the SOP, capable of assessing pressure with an uncertainty of [(10 mPa)2 + (10 × 10−6·P)2]1/2, and one transportable, denoted the TOP, with an uncertainty of [(16 mPa)2 + (28 × 10−6·P)2]1/2. Furthermore, it was shown that their mutual short-term precision is excellent, with a deviation of only 0.04 ppm when simultaneously assessing a pressure of 16 kPa.

A major part of this thesis was devoted to the construction of the TOP and an investigation of its transportability and performance. It was used in a ring comparison with various pressure standards at four European national metrology institutes. It was concluded that, despite being transported, the performance remained virtually unchanged, and that, in the 10 – 90 kPa range, all the standards agreed within their uncertainties.

These results indicate that FP-based refractometers utilizing the GAMOR methodology have the potential to act as transportable standards based on fundamental physical constants and paves the way for future research within the field.

Abstract [sv]

En av grundpelarna i ett globalt samhälle är en enad syn på fysikaliska fenomen med förankring i vetenskap. Det Internationella måttenhetssystemet (SI) är det mest använda enhetssystemet och sedan dess omdefiniering 2019 är alla dess enheter baserade på grundläggande fysikaliska konstanter. SI-enheterna, som exempelvis sekund, meter och kilogram, realiseras genom primära standarder. Dessa standarder används, via kalibreringskedjor, för att certifiera noggrannheten av mätinstrument runtom vårt samhälle. Omdefiniering ledde till möjligheten att realisera enheten för tryck (pascal) på ett nytt sätt; i stället för kraft per area (N/m2) går det numera att definiera tryck som energidensitet (J/m3). Detta ledde i sin tur till att optiska realiseringar av pascal (Pa) för gastryck blev en möjlighet. Det har påvisats att detta kan uppnås genom att mäta refraktivitet med hjälp av Fabry-Pérot (FP)-refraktometri. Även om denna teknik kan användas för att bestämma refraktivitet, påverkas den i praktiken av diverse störningar vilket försvårar den nogrannhet som krävs för att ersätta dagens mekaniska tryckstandarder.

I denna avhandling beskrivs utvecklingen av FP-baserade refraktometrar som använder sig av en av oss nyutvecklad mätteknik; gasmodulationsrefraktometri (GAMOR). Tekniken bygger på en snabb modulering av gas och baslinje-interpolering, vilket reducerar effekten av snabba likaväl som långsamma störningar. Baserat på detta har två refraktometrar utvecklats; en stationär, SOP, som kan mäta tryck med en osäkerhet på [(10 mPa)2 + (10 × 10−6·P)2]1/2, samt en transportabel, TOP, med en osäkerhet på [(16 mPa)2 + (28 × 10−6·P)2]1/2. Vidare har det visats att deras inbördes korttidsprecision är utmärkt, med en avvikelse på endast 0.04 ppm när de samtidigt mätte ett tryck på 16 kPa.

En signifikant del av denna avhandling har ägnats till att konstruera TOP:en, samt att undersöka dess transporterbarhet och prestanda. Den användes i en serie jämförelsemätningar av olika tryckstandarder där fyra europeiska nationella metrologiska institut deltog. Från dessa mätningar konstaterades det att TOP:ens prestanda inte påverkades av transporten och att tryckstandarderna, inom det spann som undersöktes, 10 – 90 kPa, överensstämde inom deras osäkerheter.

Resultaten som presenteras tyder på att FP-baserade refraktometrar som använder sig av GAMOR-metodiken har potentialen att kunna agera som transportabla standarder baserade på grundläggande fysikaliska konstanter, något som banar vägen för framtida forskning inom området.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Umeå: Umeå universitet, 2023. s. 95
Nyckelord
fabry-pérot, refractometry, optical resonator, transportable, pressure standard, gamor, pressure, metrology, ring comparison, si, pascal, quantumpascal
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:umu:diva-214141 (URN)9789180701570 (ISBN)9789180701563 (ISBN)
Disputation
2023-10-02, NAT.D.440, Naturvetarhuset, Umeå, 09:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2023-09-11 Skapad: 2023-09-06 Senast uppdaterad: 2023-09-07Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(1631 kB)256 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 1631 kBChecksumma SHA-512
af30e53838829b14bc8a2b2c693447548e9fabf29302555a4dde994114be741640e70ecd1d015032f7f9242bdd84f0e0e4e991c79d9da5927edd82f0d9d3b02c
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Person

Silander, IsakHausmaninger, ThomasForssén, ClaytonAxner, Ove

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Silander, IsakHausmaninger, ThomasForssén, ClaytonAxner, Ove
Av organisationen
Institutionen för fysik
I samma tidskrift
Journal of Vacuum Science and Technology B: Nanotechnology and Microelectronics
Annan elektroteknik och elektronikAtom- och molekylfysik och optik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 256 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 374 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf