Bild: Clayton Forssén
Forskningsprojekt Den nya laserbaserade tekniken för refraktometri, GAMOR, har potential att kunna användas för mätning av tryck i ett enormt dynamiskt område, 1 mPa – 10 kPa med en precision och noggrannhet på 1 resp. 10 ppm. Målet är att tekniken ska ligga till grund för ny instrumentering för mätning av refraktivitet, densitet och tryck samt för utvecklandet av primärstandarder. Detta medför att vi kan ta fram en "Kvantgasdensitet" och en "KvantPascal" som alternativ för framtida standarder för enheterna.
Projektet stöds av VR.
Refraktometri utgör en optisk teknik för mätning av gasers refraktivitet, n-1, som också kan användas för att mäta deras densitet och tryck med oöverträffad prestanda (hög precision, stor noggrannhet, stort dynamiskt område och bred tillämpbarhet). Det har förutspåtts att den har en potential att kunna användas för mätning av tryck med ett enormt dynamiskt område (åtta storleksordningar), 1 mPa – 10 000 Pa, och med en precision och noggrannhet på 1 respektive 10 ppm. Detta är emellertid långt bortom vad befintlig instrumentering idag kan uppnå. Anledningen är att konventionell refraktometri lider av ett antal begränsningar orsakade av fluktuationer och drifter.
För att avhjälpa detta har vi utvecklat en ny laserbaserad teknik, GAs MOdulerad Refraktometri, GAMOR, som bygger på en metodik som eliminerar påverkan från i princip alla sådana begränsningar. Den är baserad på konventionell laserbaserad Fabry-Perot (FP) kavitets-refraktometri, som utgör en familj av laserbaserade mättekniker som baserar sig på resonanta optiska kaviteter och smalbandiga lasrar och som med oöverträffad prestanda kan användas för att mäta storheter (som i många fall annars är omätbara) med exceptionell noggrannhet. GAMOR-tekniken bygger på att frekvensen av en kavitetsmod ändras då en gas släpps in i kaviteten i proportion till gasens refraktivitet. Genom att låsa en smalbandig laser till en sådan mod, blanda ljuset till en mätbar radiofrekvens med hjälp av en annan laser på en snabb fotodiod, och mäta skillnadsfrekvensen med en frekvensräknare, kan frekvensskiftet hos en kavitetsmod mätas direkt och brusfritt som ett skift av den uppmätta skillnadsfrekvensen. Det har visats att GAMOR-tekniken har förmågan att, vid tryckmätningar, minska drifterna hos icke temperaturstabiliserad refraktometri-instrumentering med mer än tre storleksordningar (> 1000 ggr), från 6.4 till 0.0015 Pa. Detta innebär att den kan dra nytta av den extraordinära potential som FP-refraktometri har i teorin utan att, i praktiken, påverkas av dess begränsningar vilket i sin tur möjliggör att tekniken kan användas för en mängd nya tillämpningar.
Med tillgång till en färdigutvecklad sådan teknik förväntas FP-refraktometri inte längre vara begränsas av allehanda drifter utan kan utnyttja refraktometriteknikens fulla potential. I detta projekt kommer GAMOR metodiken att vidareutvecklas för att möjliggöra realisering av instrumentering för mätning av gasers refraktivitet, densitet och tryck med oöverträffad prestanda, mer specifikt, som både kan nå de ovannämnda målen och fungera som primära standarder för både gasdensitet och tryck, det vill säga för att realisera både "mol per kubikmeter" ("Quantum Molar Density") och "Pascal" ("Quantum Pascal").
För att möjliggöra detta kommer nya moduleringsförfaranden (bland annat alternerande kaviteter) och karakteriseringsprocedurer (alternerande gaser, He och N2 alt. Ar) att utvecklas som eliminerar påverkan av den ofta begränsande faktorn i konventionell refraktometri, tryckinducerad kavitetsdeformation. Detta möjliggör mätningar som enbart begränsas av noggrannheten hos kvantmekaniskt ab initio beräknade eller uppmätta molära polariserbarheter), som vanligtvis ligger i det låga ppm-området. Detta skulle göra att systemet inte kräver karakterisering av någon instrumentspecifik storhet (det vill säga det är kalibreringsfritt) vad gäller mätningar av gasdensitet (dess noggrannhet ges endast av mätningar av frekvenser och kvantmekaniskt beräknade molekylära storheter) och att det enbart är beroende på noggrannheten av gastemperaturen då tryck ska bestämmas, vilket öppnar upp för ett antal applikationer.
Det är vårt mål att tekniken ska ligga till grund för ny instrumentering för mätning av refraktivitet, densitet och tryck samt för utvecklandet av primärstandarder inom dessa områden. Detta medför att vi står i stånd till att kunna realisera en "kvantgasdensitet" och en "kvantPascal" som kan vara alternativ för framtida primära standarder för dessa enheter.
