tmmob

makina mühendisleri odası

I. ULUSAL

ÖLÇÜMBİLİM KONGRE

BİLDİRİLER KİTABI

19 - 2O EKİM 199S

Sanayi Odası / ESKİŞEHİR

MMO Yayın No: 177

UME 'DE KANDELA 'NIN OLUŞTURULMASI

Midiya Hacıyeva

TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K. 21, 41470 Gebze/KOCAELİ

Özet:

UME 'de ışık şiddetinin SI birimi Kandela, önce bir grup akkor lambalar

üzerinden Ulusal Standartı olarak (belirsizlik 2a, ± 7x10"3), daha sonra Mutlak

Kriyojenik Radyometre 'nin kurulması ve çalıştırılmasıyla Birincil Standard olarak

(belirsizlik 2a, ± 2xl0~3) iki aşamada oluşturulacaktır.

1. Giriş

SI ışık şiddeti birimi olan Kandela (cd) 1948 'den 1979 'a kadar platinin donma

noktası Tpt = 2042 K 'de çalışan siyah-cisim terimleriyle tanımlanmaktaydı. 1960 'lı

yılların sonu ve 1970 'li yılların öncesinde kandela'nın siyah-cisim esasına dayalı olarak

gerçekleştirilmesi sırasında güçlükler yaşanmaktaydı. Bunun nedenleri arasında,

- standartın gerçekleştirilmesindeki belirsizliğin büyük olması,

- standartın izlenebilirliğinin iyi sağlanamaması,

- standartın çalışma sıcaklığının (T=2042 K) düşük olması (ışık ölçümleri,

genellikle yüksek sıcaklıklı (2500 K ve üstü) kaynaklarla yapılıyor) vs. gibi faktörler

bulunmaktaydı.

Dolayısıyla bir yandan yüksek sıcaklıktaki siyah-cisim, mutlak radyometre veya bu

problemleri çözebilecek herhangi bir başka yöntem temeline dayanan, öte yandan

fotometrik ve radyometrik nicelikler arasında kesin bağıntı kurabilecek yeni bir tanıma

gerek duyulmaktaydı.

1970 'li yıllarda fotometrik niceliklerin spektraradyometrik değerlerden veya

tersinin hesaplanmasını mümkün kılan yüksek doğruluklu mutlak spektraradyometri

temelinde fotometrik sistemin kurulmasına gösterilen çabalar sonucu, CGPM (the

Conference Generale des Poids et Mesures) 1979 'da Kandela 'nın yeni tanımını kabul

etti.

Yeni tanıma göre " Kandela, belli bir yönde ışınım şiddeti 1/683

watt/steradyan'a eşit, 540xl012 Hz frekanslı tekrenkli ışınım yayımlayan kaynağın aynı

323

yönde ışık şiddetidir."

Bu tanım, ulusal laboratuvarlara kendileri için uygun buldukları herhangi bir

radyometrik yöntemle Kandela'yı gerçekleştirmekte serbestlik tanıdı ve ulusal

laboratuvarlar [1-5] çeşitli yöntemlerle kendi Kandela ölçeklerini oluşturdular. /

UME optik laboratuvarında bu yöntemler birer birer incelenerek Kandela

standartının nasıl oluşturulacağı saptandı. Seçilen yöntem aşağıda anlatılmıştır.

2. Ulusal Standart

Işık şiddeti ulusal standartlınızı ilk aşamada, Almanya'nın birincil standartıyla

karşılaştırılarak kalibre edilmiş 6 adet Osram Wİ 41/G standart lambaları

oluşturmaktadır. Kandela'nın gerçekleştirilmesi çalışmalarında bu lambaların

kullanılması CCPR (the Comite Consultatif de Photometrie et Radiometrie) tarafından

uygun görülmüştür. Ulusal standartın muhafaza edilmesi, diğer lambalara transferiyle

I. ve II. seviye çalışma standartlarının oluşturulması için laboratuvarımızda özel ölçüm

düzeneği kurulmuştur.

Düzeneği oluşturan ana elemanlar OSRAM Wİ 41/G standart lamba seti, ışık

yönlendiricileri, 6,5 m 'lik optik masa ve sıcaklık kontrollü hassas fotometredir. Lamba J

akımı, standart direnç üzerindeki voltaja göre ayarlanıp sayısal voltmetreden okunur.

Lamba kararlı DC güç kaynağından beslenir. Lamba ile fotometre arası ölçüm mesafesi

0,5 ile 5,5 metre arasında değişebilir.

Ölçüm öncesi diyot laser yardımıyla sistem ayarlanarak, lamba flamanının

merkeziyle fotometrenin giriş deliğinin merkezinin optik masaya paralel bir eksenin

üzerinde olması ve flamanın bulunduğu yüzeyin bu eksene dikey durması sağlanır.

Ulusal standartı oluşturan kalibre edilmiş 6 'lık lamba setindeki her bir lamba j

için S=T/I kıyaslama katsayısı ölçülür. Burada T, fotometrenin tepkisi (amper, A), I,

ışık şiddeti (Kandela, cd) değeridir. Her lambadan en az 10 ölçüm alınarak kıyaslama

katsayısının ortalama değeri Sort bulunur. Tüm ölçümler lamba flamanının yüzeyi ile

fotometre deliğinin yüzeyi arasındaki belli bir mesafede yapılır (en az 1,5 m). Daha

sonra birinci seviye çalışma standartını oluşturacak diğer 6 adet Osram Wi 41/G

lambalardan her biri sırasıyla çalıştırılır. Ölçüm mesafesi ve lambaların konumu

değişmemelidir. Fotometreden en az 10 fotoakım değeri alınır ve Tort bulunur. /.

Lambaların ışık şiddeti değeri I(cd) = Tort/S olarak bulunur. Ölçümleri 3 kere daha

324

tekrarlayıp, Iölç(cd)=(l! + I2 + I3)/3 hesaplanır. Böylelikle, her lamba için voltaj ve

akımına karşılık ışık şiddeti değeri belirlenmiş olur.

Bu işlemler sonucu ulusal standartın birinci seviye çalışma standartına transferi

gerçekleştirilmiş olur.

3. Birincil Standart

Fotometrik ve radyometrik nicelikler arasındaki bağıntı, yeni tanıma göre

aşağıdaki denklemle verilir:

burada,

Iv : Kaynağın ışık şiddeti,

Ie x : Kaynağın spektral ışınım şiddeti,

V(X) : CIE 'nin ışık etkisi fotopik spektral fonksiyonu,

Km : Sabit olup, V(X) fonksiyonunun maksimum değer aldığı 555 nm dalgaboylu

ışınım gücünün 1 Watt 'ına karşılık olan Lümen 'lerin sayısına eşittir. Yeni tanıma göre

Km = 683 lm/W 'dır.

Spektral duyarlılığı V(X) fonksiyonuna kesin uyan ve sınırlayıcı delik alanı a

(m2) olan ideal fotometreden d (m) uzaklıkta yerleştirilmiş, ışık şiddeti Iv (cd), ışınım

şiddeti ise I e X ("vVsr^nm1) olan bir kaynak düşünelim (Şekil 1).

Tanıma göre,

7=683 [ I . . 5(555) . s(X) . dk

w

burada,

d2

w=—a

olduğundan,

4>e]X, birimi \Vnnr1 olan spektral ışınım akışıdır. Gerçek fotometrenin ise V(X) eğrisine

yakın sn(X) göreceli spektral duyarlılığı ve 555 nm 'de s(555) birim/Watt ( V(X)

325

fonksiyonunun tepesi) mutlak duyarlılığı vardır. Bu yüzden, fotometrenin çıktısı, yüzeyi

<£e x akısı ile ışmlatıldığında

s(555) sn(k) d\ i

i

Böyle ise,

/ = 683 — FFa s(555)

burada F terimine renk düzeltme faktörü denir ( CCF- color correction factor) ve

Şekil 1. Kandela ölçüm diyagramı

olarak tammlamr. CCF gerçek fotometrenin göreceli spektral duyarlılığı s(X)'nın V(X)

fonksiyonundan sapmasını hesaba katmış olur.

Özetle, Kandela'mn yeni tammına göre gerçekleştirilmesi için aşağıdaki ölçümlerin

yapılması gerekir:

1. Fotometrenin mutlak s(555) ve göreceli sn(X) spektral duyarlılıklarının ölçülmesi.

2. Fotometrenin göreceli spektral duyarlılığını, lambanın göreceli spektral güc

dağılımım ve V(X) fonksiyonunu bilerek CCF 'ün hesaplanması. /

3. Katı açı içinde istenmeyen ışığın girmesi önlenerek kalibre edilecek ışık

326

kaynağının fotometre ile ölçülmesi.

4. Fotometrenin sınırlayıcı delik alanının ve kaynak-fotometre mesafesinin

ölçülmesi.

Fotometrenin mutlak duyarlılığı, Eylül-95 'de laboratuvarda kurulup,

çalıştırılacak olan Oxford Instruments üretimi mutlak kriyojenik radyometre ile şiddeti

kararlı hale getirilmiş 543,2 nm dalgaboylu (VCÂ),^ 'a yakın) He-Ne lazeri kullanarak

ölçülecektir. Bu yolla mutlak kalibre edilmiş fotometreler grubu Kandela birincil

standartını oluşturacaktır. Yukarıda sıralanan diğer ölçümlerin yapılmasıyla standart

lambalar birincil standart üzerinden kalibre edilecektirler.

Sonuç

Işık şiddeti SI birimi Kandela'nın bir grup kalibre edilmiş standart lamba

üzerinden Ulusal Standartı UME 'de oluşturulmuştur.

Kandela'nın birincil olarak UME'de oluşturulması için uygun yöntem belirlenmiş

olup, ön çalışmalar sürmektedir.

Kaynaklar

1. W.R Blevin and B. Steiner, "Redefinition of the Candela and the Lumen,"

Metrologia 11, 97-104, (1975).

2. T.M. Goodman and P.J.Key, "The NPL Radiometric Realization of the candela"

Metrologia 25, 29-40, (1988).

3. L.P.Boivin, A.A. Gaertner, and D.S. Gignac, "Realization of the New Candela

(1979) at NRC," Metrologia 24, 139-152, (1987).

4. C.L. Cromer, G. Eppeldauer, J.E. Hardis,T.C. Larson and A.C. Parr, "The NIST

Detector-Based Photometric Scale", Submitted to Applied Optics, April 23, 1992

5. "Principles Goveraing Photometry",Metrologia, 19,97-101, (1983).

327

ULUSAL KAPASİTANS STANDARTLARI VE KAPASİTANS iİZLENEBİLİRLİĞİ

Seçkin VarolTÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K.21, 41470, Gebze/Kocaeli

Özet

Kapasitans birimi birincil standardı olarak 196O'lı yıllardan bu yana "hesaplanabilir ikros-kapasitör" kullanılmakta olup, bu birim uzunluk birimi metreye bağlı olarak türetilmekteve mutlak olarak tanımlanabilmektedir. Birincil düzey standart için yapılan bu tanım uyarıncafarad birimini 10"7 belirsizlikle ifade edebilmek mümkündür. C = 1.953 549 04 pF/m olarakelde edilen bu değer özel ölçme teknikleri kullanılarak laboratuvar ortamında kullanılan ikincildüzey standartlara aktarılır. Zamanla, sıcaklıkla ve nemle çok az değişecek yapıda üretilmişolan bu standartlar düzenli aralıklarla ölçülür ve böylelikle o laboratuvarın kapasitansbelirsizliği ortaya çıkmış olur. Bu çalışmada ulusal kapasitans standartları ve ölçme tekniklerihakkında bilgi verilerek uluslararası düzeyde kapasitans biriminin izlenebilirliği ve UlusalMetroloji Enstitüsü'nde bu izlenebilirliğin çalışma standartlarına nasıl aktarıldığı anlatılacaktır.

1. Giriş /

Günümüz teknolojisine aktarılan kapasitans biriminin, doğruluğunun ve kararlılığınınelde edilişine ilişkin ilk çalışmalar 1956 yılında Thompson - Lampard teoremiylebaşlatılmıştır. Thompson - Lampard teoremine göre, silindir biçimindeki dört metal elektrotşekil l'de gösterildiği biçimde birbirlerine paralel olarak vakum içerisine yerleştirildiklerinde,aralarında oluşan kapasitör yalruzca elektrotların 1 uzunluğuna bağlı olup C=£0.l.ln2 / irbağıntısıyla tanımlanır. Bu ifadedeki e0 'in, 10 ı 4 'ler düzeyinde doğrulukla saniye cinsindenbelirlenebilmesi ve 1 uzunluğunun 10"9'lar düzeyinde doğrulukla ölçülebilmesi, kapasitansbirimindeki ölçme belirsizliğinin lO"7'ler seviyesine düşmesini olanaklı kılar. Böylelikle şekil il'de şematik olarak gösterilen hesaplanabilir kros kapasitör C = 1,95354904 pF/m değeriyle /belirlenir [1].

2. Kros Kapasitör

Thompson - Lampard teoreminin bulunuşunu izleyen yıllarda, birincil düzeydeki birçok metroloji enstitüsü hesaplanabilir kros kapasitörün gerçeklenmesi çalışmalarınıbaşlatmıştır. Dönemin en gelişmiş mekanik bilgisinin uygulandığı bu çalışmada, elektrotlarınyapımı için düşük sıcaklık katsayısına sahip oluşu nedeniyle özel alaşımlı paslanmaz çelikseçilmiştir. 85 mm çapındaki ve 850 mm uzunluğundaki çelik elektrotların vakum içerisinde tbirbirlerine paralel yerleşimlerindeki hata yalnızca 0.4 /xm dir. Kapasitörün değeri, şekil /l'deki gösterimde dört elektrodun ortasında bulunan koruma elektrodunun yer değişimi ilebelirlenir. Lazer interferometre kullanılarak ölçülen 550 mm'lik bu uzunluk 1 pF'lıkkapasitans değerine karşılık gelir. Oysa endüstride kullanılan çalışma standartları daha yüksekdeğerlidir ve 1 pF olarak elde edilen hesaplanabilir kros kapasitörün aşamalı olarak üstdeğerlere taşınması gerekmektedir. Bu taşıma işleminin gerçekleştirilmesinde o güne kadarkullanılan ölçme yöntemlerinin yetersiz kalması üzerine yeni kapasitans ölçme yöntemleriüzerine araştırmalar başlatılmıştır.

328

Girimi dettktM

Koruma

Elektroda

He-Ne Lazer l a p

Şekil 1 Kros kapasitörün şematik gösterimi

3. Kapasitans Ölçümü

Kros kapasitörün yapımından önce, şekil 2a'daki ölçme yönteminde görüldüğü gibi ikikapasitörün ilişkisi, iki direncin oranındaki doğruluğa bağlıydı. Oysa bu değişken akımköprüsünde kullanılan dirençlerin, gerek zamanla ve ortam koşullarıyla yüksek orandadeğişmeleri, gerekse yüksek belirsizlikle tanımlanmaları dolayısıyla kapasitans skalasınınoluşturulması için yeterli doğruluğu ve tekrarlanabilirliği sağlamaları sözkonusu değildi.Bunun üzerine, direnç bölücülerle gerçekleştirilen köprülere seçenek olarak şekil 2b'degösterilen indüktif gerilim bölücülerin kullanıldığı köprüler üzerine çalışmalar yoğunlaştırıldı.1930'lu yıllardan bu yana tanınan indüktif gerilim bölücüler, 196O'lı yıllardan sonra değişkenakımda elektrik birimleri (kapasitans, indüktans, direnç) ölçümünde hemen hemen birincildüzeyde önem kazandılar. Öyle ki, bu bölücüler ile 10~8 ler düzeyinde çözünürlükle vedoğrulukla gerilim oram tanımlanabildiği gibi, bu oramn zamandan ve ortam koşullarındanen az etkilendiği indüktif gerilim bölücüler yapmak olanaklıydı. Günümüze kadar uzanan bugelişmelerle, bugün birçok ulusal laboratuvar değişken akım elektrik metrolojisinde ölçmebelirsizliğini düşürmek için indüktif gerilim bölücüler üzerine araştırmalarım sürdürmektedir.

4. Kapasitans Skalasının Oluşturulması

Şekil 3 'te 1 pF'dan 1 mF 'a kadar olan kapasitans skalası ve 1 a güvenlik aralığındaaktarma belirsizlikleri görülmektedir. Skalanın ikinci adımında yer alan fused-silika kapasitör,uzun dönem kararlılığının yüksek oluşu nedeniyle, kros kapasitörün uluslararasıkarşılaştırmalarında kullanılır. Üçüncü ve dördüncü aşamada yer alan hava ve mikadielektrikli kapasitörler, gerek uzun dönem kararlılıkları, gerekse sıcaklık katsayılarıyönünden, çalışma standardı olarak kulanılabilecek yeterliktedirler.

Her ne kadar şekil 3'te yalmzca kapasitans skalası gösterilmiş ise de, aslında o yıllardaamaç kros kapasitörün doğruluğunu aynı zamanda diğer bir elektrik birimi olan dirence deaktarmaktı. Diğer bir deyişle direnç birimi (ohm) kapasitans birimine (farad) bağlı olaraktüretiliyordu. Gelişmeleri izleyen yıllarda direnç birimi hemen hemen aym doğrulukla

329

Şekil 2a. Direnç köprüsü Şekil 2b. Transformer köprü

Quantum Hail yöntemiyle de tanımlanmaya başlanır. 1980'li yıllarda Quantum Hail ileyürütülen çalışmalarda Hail etkisinin değişken akımda da elde edilip edilemeyeceği incelenir.1990'lı yılların başında ise Quantum Hail direncinin değerini AC dirençlere aktarmakamacıyla ilk çalışmalar yapılır. Elde edilen sonuçlar Qüantum Hail değerini doğrudankapasitans birimine aktarmaya yetecek kadar umut vericidir. Elektrik birimlerinin üretimindeotuz yıl boyunca başrolü oynayan "farad" m bu görevi "ohm" a terkedip terketmeyeceğininyanıtını ise bu alanda elde edilecek başarılar gösterecektir. Günümüzde henüz devam etmekteolan bu çalışmanın oluşturduğu ilk skala ve belirsizlikler şekil 4'te gösterilmiştir.

Kros Kapasitörl p F

f - 1592 Hz

Fused-SilikaKapasitör 10 pF

1:10 iki-uç çift indüktiforan köprüsü

( u - 2.10"8)

Hava Kapasitör100 pF-100 pF

1:10 dört-uç çift KelvinKöprüsü

(u = 6.1O"8)

Mika Kapasitör10 nF-1 mF

1:10 dört-uç KelvinKöprüsü

( 5.10' 7 )

QHR

100 ÛDC

100ÛAC/DC

100 kOAC

QuadratureKöprüsü

lnF

Şekil 3. Kros kapasitör referansalınarak kapasitans sıkalasınınoluşturulması

Şekil 4. QHR referans alınarakkapasitans biriminin elde edilişi

5. Ulusal Kapasitans Standartları İzlenebilirliği

Ulusal Metroloji Enstitüsü'nde kapasitans birimini oluşturmak üzere ilk çalışmalar1986 yılında 10 pF, 100 pF, 1000 pF değerindeki üç hava dielektrikli kapasitörün ve bire bir

330

karşılaştırma doğruluğu 10'6 lar seviyesinde olan indüktif gerilim bölücülerle yapılmış birkapasitans köprüsünün alımıyla başlatılır. Belirsizlik tarihçesini daha güvenli oluşturmakamacıyla 1993 yılında bu değerler dörtlü gruplara tamamlamp ilk izlenebilirlik Alman UlusalMetroloji Enstitüsü'nden alınır. Bir taraftan bu değerlere yönelik ölçümler alınarak zamanladeğişimleri incelenirken diğer taraftan ulusal birimin izlenebilirlik değerini düşürmek için 10pF'lık dört adet fused-silika kapasitör ile yıllık kararlılığı 5-1O"7 , doğruluğu 3.10"6'lardüzeyinde olan ikinci bir kapasitans köprüsünün alımı gerçekleştirilir. Şekil 5'de ulusalkapasitans standartlarına ilişkin izlenebilirlik zinciri ve 2 a güvenlik aralığında aktarmabelirsizlikleri gösterilmiştir.

[ PTB, Fused-Silika~|

Kapasitör 10 pF

Doğrudan aktarma Yer değiştirme yöntemiile aktarma

PTB

u=5.1(T6

UME

10 pF , 1000 pF

UME1 pF - î JIF

Mika Dekad Kap.

u = ı.ur4

UME ÇalışmaStandardı

10 pF.100 pF.1000

u - 7.10"6

Otomatik KapasitansKöprüsü

Şekil 5. Ulusal kapasitans standartları izlenebilirliği

6. İleriye Dönük Amaçlar

Kapasitans Laboratuvarı; metroloji zaman dilimi içerisinde henüz çok yeni olupyalnızca iki yıllık bir geçmişe sahiptir. Dolayısıyla şekil 5'te verilen belirsizliklerlaboratuvarın özgün deneyimi sonucu olmayıp, diğer ülkelerdeki tarihsel süreç referansalınarak verilmiştir. Ülke gereksinimleri göz önünde bulundurularak ileriki yıllarda10 pF 'dan 1 mF'a kadar olan skalanın gerçekleştirilmesi düşünülmektedir. Bununla birlikte,gerek uluslararası gelişmeler yakından izlenerek gerekse Direnç Laboratuvarı ile birlikteyürütülecek çalışmalarla UME kapasitans birimini Quantum Hail direncine bağlı olarak eldeetmek Kapasitans Laboratuvarı'nın uzun dönem amaçları içerisindedir.

Kaynaklar

[1] Thomson, AM. and Lambard, DG.: Nature., 1956, 177. s888

[2] Thomson, AM.:IRE Trans. on Ins., 1958.,Dec.,s249

331

ULUSAL METROLOJI ENSTİTÜSÜNDE MIKRODALGA ZAMAN /VE FREKANS STANDARDI SİSTEMİ VE ZAMAN SKALASININ

İZLENEBİLİRLİĞİ

Ramiz GAMİDOV, İsmail TAŞKIN, Mustafa ÇETİNTAŞ

Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), TÜBİTAK, PK.21 41470, Gebze-KOCAELİ

Özet

UME'de GPS uydu alıcısı, iki HP5071A Cs atomik saati ve evrensel zaman aralığı jsayıcısı kullanılarak mikrodalga zaman ve frekans standardı sistemi oluşturulmuştur. GPSuydu alıcısı sistemi ile her gün 48 uydudan zaman sinyalleri alarak, UME saatleri ile UTCarasındaki zaman farkı izlenir. Bu zaman bilgilerini, üye olduğumuz BIPM TAI kulübüne herhafta düzenli olarak göndererek, UME, hem TAI zaman skalasının oluşmasında katkıdabulunur, hem de kendi zaman skalasının izlenebirliğini BIPM üzerinden sağlamış olur.BIPM'in istatistiksel hesapları sonucunda, UME saatinin Uluslararası atomik zamanınoluşturulmasındaki ağırlık puam 1000 üzerinden 1000 olarak ilan edilmiştir. Ölçümlerimizsonucunda UME referans saati UTC'den günde en fazla 7.2 ns geri kalmakta, ikinci saat ise13 ns ileri gitmekte olduğu görülmüştür. Saatlerimizin doğruluğu ve kararlılığı lx l0 1 3 'ten î

daha iyidir. Zaman kodlayıcısı ve modem vasıtasıyla telefon hattı ile, UME'de üretilen zamanbilgisinin yurt içinde dağıtımı için sistem kurulmuştur ve Eylül 1995'ten itibaren hizmetegirecektir.

1. Giriş

Günümüzde "Koordine Evrensel Zaman" (Coordinated Universal Time, UTC) adıaltında oluşturulan zaman skalası genel olarak "Evrensel Zaman" (Universal Time, UT1) ve"Uluslararası Atomik Zaman" (International Atomic Time, TAI) skalalarının kombinasyonuile gerçekleşmektedir [1-2]. UT1 yerkürenin kendi etrafında dönüş süresine bağlı olan ve Idünya rasathanelerinin katkısıyla "Uluslararası Yerküre Dönüş Servisi" (International EarthRotation Service, IERS) tarafından oluşturulur. TAI ise atomik saatler temeline dayanan ve"Uluslararası Ölçü ve Ağırlıklar Bürosu" (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)tarafından TAI kulübüne üye ülkelerin metroloji merkezlerinin referans saatlerinin katkısıylaoluşturulur. Bu kombinasyona göre:

UTC - TAI = n saniyeUTC - UT1 < 0,9 saniye,

n yıllara göre değişebilir ve 1 Temmuz 1994 tarihinde n=29 s olması kabul edilmiştir.Uluslararası birim sisteminde bulunan saniyenin tanımı bu zaman skalalarının oluşumuna bağlıolarak tarihte değişik şekillerde yapılmıştır:

1. 1960 yılından önce:1 saniye ortalama güneş gününün 1/86400'ü kadardır.

332

2. 1960-1967 yıllan arasında:1 saniye 1900 yılında yerkürenin güneş etrefında bir tur dönme süresinin1/31556925,9747 kadarı olarak tanımlanmıştır. Bu zaman skalasına "EphemerisTime" (ET) denir.ET UTl'e göre değişebilir ve 1988'de ET-UTİ = 56 s'dir. Bunun yanındaAstronomik metotlarla oluşturulan saniyenin kararlılığı 10"8 civarındadır.

3. TAI'nin oluşturulmasıyla birlikte 1967'den itibaren:1 saniye 133Cs atomunun temel (6Sı/2) enerji seviyesinin, ince seviyeleri olan6S ı / 2(F=4,mF=0) ve 6S ı / 2(F=3,rnF=0) geçidine denk gelen elektromanyetikdalganın 9192631770 kadar periodudur denmiştir.

1911 yılında atom demetinin oluşmasından başlayarak (Dunoyer), 1955'te ilk Cs atomdemetli frekans standardının oluşmasıyla başlayan (Essen, Parry) [2] ve bugün farklıyöntemlerle (atomların lazerlerle soğutulması ve pompalanması) gelişmesi sağlanan frekansstandartları (Salomon, Clairon, Chu) mevcuttur [3-5]. Ticari olarak satılan atomik saatlerindoğruluğu 10 ı 2-101 3 civarlarında olmasıyla beraber bazı laboratuvarlarda saniye 10"14

doğrulukla gerçekleştirilebilmektedir.

Bilindiği gibi yerküre etrafında zaman ve pozisyonun temini amacı ile 50'den fazlauydu dolaşmaktadır (Şekil 1) [1-2]. Bu uydularda bulunan atomik saatler ABD'de bulunanözel istasyon'dan (USNO) gönderilen zaman sinyalleri ile senkron çalışmaktadırlar. Buuydulardan Yer'e sürekli zaman sinyalleri gönderilmektedir. Metroloji merkezleri tarafındanbu zaman bigileri alınarak uydulardaki saatlerle kendi saatleri arasındaki zaman farkı ölçülür.Bu ölçüm sonuçlan BIPM'e gönderilerek saatler:

(a) (b)

Şekil. 1 Yerküre etrafında dolaşan uydular (a) ve GPS ortak görüşlü kullanımmetodu (b).

333

- kendi aralarında karşılaştırılırlar- doğruluk ve kararlılığına bağlı olarak belli bir ağırlık değeri ile UTC'nin oluşmasına

katkıda bulunurlar- izlenebilirliklerini BIPM tarafından sağlarlar.

Gerçekte çok yüksek doğruluklu zaman ve frekans standartlarının gelişimi, havacılıkta,uzay sistemlerinde ve savunma sistemlerinde büyük önem taşıyan zaman koruma sistemleriniiyileştirmek için, teknolojisi gelişmiş ülkeler tarafından desteklenmiştir. Sonuç olarak birçokgelişmiş ülke (ABD, Kanada, Almanya, Fransa, İngiltere, Rusya, Japonya, Çin v.b.) zamanve frekans standartlarının geliştirilmesi için ulusal metroloji laboratuvarlarını kurmuş vedesteklemiştir.

2. UME'de Kurulan Mikrodalga Zaman ve Frekans Sistemi

Mikrodalga zaman ve frekans sisteminin blok diagramı Şekil.2'de gösterilmiştir. Busistemde UME binası üzerine yerleştirilmiş GPS uydu alıcısı (ALLEN OSBORNE TTR-6A)anteni kullanılarak alınan zaman sinyalleri GPS alıcısına verilmektedir. GPS alıcısı, uydudangelen sinyalleri, BIPM tarafından altı ayda bir değiştirilerek ilan edilen uydu zamanı izlemeprogramı ile almaktadır. Bu programa göre UME'de kurulu uydu alıcısı Avrupa içinoptimum pozisyondaki 48 uyduyu sıra ile bir gün boyunca izler. Bu işlem sürekli olarakdevam etmektedir.

Bilgisayar

MODEM

Telefonhattı

MODEM ZamanKodlayıcı

UMELab.

\yANTEN

GPSAlıcısı

SAATİ

SAAT2 Sayıcı

DağıtıcıYükseltici Bilgisayar

Şekil.2 Mikrodalga zaman ve frekans sisteminin blok şeması

Laboratuvardaki iki HP 5071A sezyum saatinden biri (Clockl) GPS uydu alıcısınareferans olarak kuUamlmaktadır. Böylelikle GPS alıcısından Clockl tarafından üretilen zamanile Universal Coordinated Time (UTC) arasındaki zaman farkını At(UME-UTC) sürekliizlemiş oluruz. GPS ortak görüş metodu aynı şekilde Avrupanın başka metroloji merkezleritarafından uygulanmaktadır. Örneğin PTB'de (Almanya) primer saat olan Cs-2 kullanılarakoluşturulan zaman farkı At(PTB-UTC) internet aracılığı ile UME tarafından alınarak,

334

At(UME-PTB) hesaplanmaktadır. Bu yöntemle bizim referans saatimiz dünyanın en iyi primerstandartlarından biri ile karşılaştırılmış olur. Şekil.3'te yanlızca 12 numaralı uydu izlenerekAt(UME-PTB) gösterilmektedir. Görüldüğü gibi bizim saatimiz PTB Cs-2 saatine göre gündeyaklaşık 6 ns sapmaktadır.

At(ns)4.55

4.5

4.45

4.4

4.3549582 49587 49612

Sekil.3

49592 49597 49602 49607MJD(gün)

12E4 numaralı uydudan 18.08.1994 19.09.1994 tarihleri arasında alınanbilgilere göre oluşturulan At(UME-PTB) zaman farkı.

At(ns)

-15

Şekil.4

49582 49587 49592 49597 49602 49607 49612

MJD(gun)12E4 numaralı uydudan alınan 18.08.1994 - 19.06.1994 tarihleri arasındaalınan bilgilere göre At(UME-PTB)'nin lineer yaklaşımdan farkı

335

Günlük sapmanın, lineer yaklaşımdan farkına bakıldığında (Şekil.4) bir ay zamanzarfında gürültünün 10 ns 'den fazla olmadığı görülmektedir. Bu sonuç tek bir uydudan almanbilgilerle hesaplanmış olup, daha çok uydu alıcısının koordinatlarına bağlıdır. Uydu alıcımızınkoordinatları (yüseklik= (232±7) m, boylam= 29°26'57.1"±0.4", enlem=40°47'2.7"±0.4") iki ay boyunca uydudan alınan sinyaller kullanılarak tesbit edilmiştir.Bundan sonra bu koordinatlar ancak BIPM'den gelecek sonuçlara göre değişikliğeuğrayacaktır.

UME zaman ve frekans laboratuvarı Eylül 1994'ten itibaren BIPM InternationalAtomic Time (TAl) organizasyonuna üye olmuştur. Bu üyelik sonucu bir hafta boyuncaUME' de uydu alıcısı ile alınan zaman bilgisi (At(UME-UTC), vs) sürekli olarak her haftaBIPM zaman bölümüne gönderilmektedir. Bütün uydulardan alınan bu bilgiler BIPM'deincelenir ve UME saati ile UTC arasındaki ortalama zaman farkı At(UTC-UME) hesaplanırve BIPM'in aylık olarak yayınladığı, dünyadaki metroloji laboratuvarlarının zamanlarınınUTC'den farkım gösteren yayında ilan edilir [6]. Bu bilgilere göre referans saatimiz ile UTCarasındaki zaman farkımn değişimi Şekil 5'te gösterilmiştir. Bu grafikte görüldüğü gibiyaklaşık 220 günlük aralıkta referans saatimiz UTC günde 7.24 ns geri kalmaktadır. Budeğişim sonucunda referans saatimiz UTC'den toplam 3.4 mikrosaniye geri kalmıştır. Bufarkın zamanla azaltılması için MJD 49850 gününde referans saatimizin frekansında belliayarlama yapılmıştır. Böylece zaman farkımn azalma yönüne döndüğü Şekil.5'tegözükmektedir.

Şekil.5

-2.8

-3.3

49,609 49,659 49,709 49,759 49,809 49,859

MJD(gün)UME referans saatinin gösterdiği zaman ile UTC arasındaki farkın14.09.1994-14.05.1995 tarihleri arasındaki değişimi.

Şekil. 6'da At(UTC-UME) zaman farkının lineer yaklaşıma göre değişimigösterilmiştir. Görüldüğü gibi yaklaşık 200 günlük zaman aralığında referans saatimiz en fazla±15 ns doğrulukla doğrusal olarak sapmıştır.

336

At(ns)

15

49,609

Şekil.6

49,659 49,80949,709 49,759MJD(gü'n)

14.09.1994-14.04.1995 tarihleri arasında BIPM'den alman bililere göreAt(UTC-UME)'nin lineer yaklaşımdan farkı.

Aynı zamanda ikinci Cs saati (Clock2) ile referans saat (Clockl) arasındaki zamanfarkı ise evrensel zaman aralığı sayıcısı (HP5370B) ve bilgisayar ile incelenmektedir. Şekil.7de yaklaşık 450 günlük zaman aralığında iki saat arasındaki fark gösterilmiştir. Yukarıdabahsedilen referans saatin frekansmdaki ayarlama MJD 49850 gününden itibaren iki saatarasındaki zaman farkı grafiğinin eğimini değiştirmiştir. Şekil.5 ile Şekil.7'yi karşılaştırarakikinci saatimizin UTC'ye göre yaklaşık 13 ns ileri gittiği görülebilir. BIPM'in gönderdiğibilgiler ve saatlerimizin kendi aralarındaki karşılaştırılmaları sonucunda saatlerin doğruluk vekararlılığının lxlO'13'ten daha iyi olduğu hesaplanmıştır.

At(ns)110

108

1 0 6 -•

104

10249440

X i i i

49540 49640 49740 49840

MJD (gün)

Şekil.7 İki atomik saatin 29.03.1994-14.05.1995 tarihleri arasındaki zaman farkı.

337

BIPM, T Al kulübüne üye olan laboratuvarlardaki atomik saatlerin her birine,laboratuvarlar tarafından gönderilen zaman bilgilerine dayanarak, doğruluk ve kararlılığınagöre UTC'nin hesaplanmasındaki ağırlığını gösteren puanlar verir. En son hesaplananpuanlara göre UME saatlerinin her ikiside 1000 tam puanla ortalamaya katılmıştır. Dünyadaortalamaya dahil bütün saatleri 1000 tam puan alan sadece 5 laboratuvar vardır. i

3. Zaman bilgisinin dağıtımı

UME, zaman ve frekans laboratuvarında verilmekte olan mevcut kalibrasyonhizmetlerinin yamsıra, uluslararası izlenebiliği olan zaman bilgisinin hem UME içerisindekilaboratuvariara hem de UME dışındaki tüm kurum ve kuruluşlara yayınlanması ile ilgiliçalışmalar devam etmektedir. Bunun yamnda, kararlılığı 10"ı3'ten daha iyi olanelektromanyetik dalga (100 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz) dağıtıcı yükselticisi (HP 5087A)ile UME içerisindeki gerekli olan laboratuvariara dağıtılmaktadır.

/Zaman bilgisi UME dışındaki kuruluşlara, zaman kodlayıcı sistemi ile

yayınlanacaktır. Bu sistem referans saatimizden aldığı zaman sinyallerini belli bir kodlamatekniği ile modeme ve oradan da telefon hat sistemine gönderir. UME'deki zamanasenkronize olmak isteyen kuruluş telefon hattı - modem - bilgisayar bağlantı sistemi ve özelbir program vasıtasıyla bu sisteme bağlanarak kendi bilgisayarının saatini yaklaşık 10mikrosaniyelik bir doğrulukla ayarlayabilecektir. Bu sistem şu anda laboratuvarımızdaçalışmakta olup, gerekli ayarlamalar yapıldıktan sonra Eylül 1995'te hizmete girecektir.

4. Sonuç î

UME'de mikrodalga zaman ve frekans standardı sistemi kurulumuştur. Doğruluğu10"13'ten daha iyi ve uluslararası izlenebilirliği olan zaman skalası oluşturulmaktadır. UMEzaman ve frekans laboratuvan BIPM TAI kulübüne üye olmakla beraber UTC zamanskalasımn oluşmasındaki uluslararası değerlendirmede 1000 üzerinden 1000 puanla katkıdabulunmaktadır. Laboratuvarda kalibrasyon hizmetleri devam ederken zaman bilgisinin UME >dışında kullanılmasını sağlayacak sistem kurulmuş olup hizmete girmesi için gerekençalışmalar devam etmektedir.

KAYNAKLAR: /

[1]. C.Thomas, P.Wolf, P.Tavella; Time Scales, BIPM, Monographic 94/1,1994[2]. J.Vanier, C.Audoin; The quantum physics of atomic frequency standards,

Adam Hilger, Bristol and Phüadelphia, 1986[3]. E.de Clercq, G.D.Rovera, S.Bouzid, A.Clairon; IEEE transactions on

Instrumentation and Measurement V.42, N.2, 1993[4]. K.Gibbl, S.Chu; Metrologia, V.29, p.201-212, 1992[5]. Special issue on selected papers CPEM/94, IEEE transactions on Instrumentation and

Measurement. V.44, No.2, 1995. i[6]. BIPM, Circular T. 1995 vs.

338

UME'DE PRİMER FREKANS STANDARDI KURULMASI İÇİNSÜRDÜRÜLEN ÇALIŞMALAR

Ramiz GAMİDOV, İsmail TAŞKIN, Mustafa ÇETİNTAŞ, Vladimir SAUTENKOV

Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), TÜBİTAK, PK.21 41470, Gebze-KOCAELİ

Özet

Sezyum (Cs) birincil frekans standartlarının doğruluğu (10'13-10~14) atomların hızınave mikrodalga frekansını belirleyen enerji seviyelerinde bulunan atomların sayısına bağlıdır.Bu parametrelerin iyileştirilmesi için dünyada başlatılan çalışmaları göz önüne alarak,laboratuvarımızda laser ışığı ile Cs atomlarının hızının azaltılması (atomların soğutulması) veatom fıskiyesi prensibine dayanan mikrodalga frekans sisteminin kurulması için çalışmalarbaşlatılmıştır. Şu anda laboratuvarımızda Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş olan dışkaviteli diyot laser sistemleri kurulmuştur. Bu lazerlerin fiziksel parametrelerinin frekansaolan etkisi araştırılmış ve en iyi kararlılıklarının öxlO"13 olduğu ölçülmüştür. Bu laserler optikfrekans standardı olmakla beraber, aynı zamanda Cs atomlarının laser ile soğutulmasındakullanılacaktır. Atomların laserler ile soğutulması ve atom fıskiyesi oluşturulması için gerekendiğer sistemlerin kurulması çalışmaları sürmektedir.

1. Giriş

Metrolojide zaman ve frekans ölçümü en doğru ölçüm işlemidir. Bu nedenle başkabirimlerin daha yüksek doğrulukla ölçülebilmesi, frekans ölçülmesi yoluyla yapılmayaçalışılmaktadır (Şekil. 1). Bunun yanında havacılık, uzay ve savunma sistemleri için büyükönem taşıyan zaman koruma sistemlerini iyileştirmek için teknolojisi gelişmiş ülkeler zamanve frekans standardı sistemlerini kurmuştur ve geliştirilmesi için yapılan çalışmalarıdesteklemektedir. Bu bilimsel ve teknik sebepler zaman ve frekans standardlarımndoğruluğunun daha da artmasını gerektirmektedir [1-5].

Şekil. 1 Zaman birimi saniye ile diğer birimlerin ilişkisi.

339

Atomik zaman ve frekans standartlarının temeli elektromanyetik dalga üretenosılatörün frekansının, atomların (Cs, Rb vb.) enerji geçitlerine kilitlenmesine dayanır. Bukilitlenme ise osılatörün, atomların enerji geçitleriyle belirlenen ve frekansı daha kararlıelektromanyetik dalga üretmesini sağlar. Bilindiği gibi bu dalganın belli sayıdaki periyodu ilesaniyenin tanımı gerçekleştirilir. Böyle çalışan atomik zaman ve frekans standardlarınındoğruluğu ve kararlılığı genelde iki faktöre (osilatörün ve atomik sistemin parametreleri)bağlıdır. Benzer quartz osilatörler kullanılarak ve lazerlerle atomların hareket yönlerini vehızlarını değiştirerek, saniyeyi belirleyen enerji geçidindeki sayılarını artırarak yeni tip atomikfrekans standartları oluşturulmaktadır [1-5]. Şu anda birincil standart olarak kullanılan Csatomik frekans standardı (AFS) için en uygun dizayn geçmiş 40 yıllık gelişme sonucu en iyişekilde yapılmıştır. Cs AFS' nin blok şeması Şekil.2'de gösterilmiştir. Atom demeti, sıcaklıkkontrollü fırından termal yayınım şeklinde elde edilir. Fırından çıkan atomik demette, temelenerji (6S,/2) seviyesinin bütün (16) Zeaman (mF) geçişlerindeki (6S1/2(F=3;4, mF)) atomlarmevcuttur (şekil 3). Bu atomlardan sadece F = 3 , m F =0 ve F = 4 , m F =0 geçişlerinde olanlarseçici magnet ile Ramsey rezonatorümin içerisine gönderilir. Rezonatorün içine gönderilmişbu atomlardan mikro-dalga ile etkileşime girenler rezonatorün çıkışındaki seçici magnetaracılığı ile dedektöre gönderilir. Dedektördeki sinyal ise quartz jeneratörün atomların6S1 / 2(F=3, mF=0) - 6S1 / 2(F=4 mF=0) geçişinde kilitlenmesi için kullanılır. Cs fırınınsıcaklığı 350 K ve rezonatorün uzunluğu ise birkaç metredir. Sonuç olarak Cs atomik demetive manyetik selektörler temeline dayanan klasik Cs frekans standartlarının doğruluğu 10~13 -10~14 civarındadır.

Şekil.2 Cs atomik frekans standartlarının blok şeması.

AFS' nin doğruluk ve kararlılığının artırılması için en uygun hale getirilmesi gerekenesas parametrelerden biri dedektördeki spektral sinyalin S(v) gürültüye olan oranı (S/N) vespektral kalınlığıdır (Av/v). Sinyalin spektral kalınlığı Av ise atomların rezonatorün içindenne kadar zamana Av- (l/At) geçmesine bağlıdır. Başka ifade ile atomla eletromanyetik

340

6R3 / 2

D2 (852 nm)

2 5 3 MHz2 03 MHz152

Ü43 U44 U45 D32 U33

6 S.1/2.9 1 9 2 . 6 MHz

F 1

"5

Şekil. 3 Cs atomlarının D2 enerji seviyeleri.

F4

1 I 17 2 1 44 20 2 1 15

dalganın etkileşme süresi artarsa doğruluk artar. Buna göre sezyum primer AFS' lerin boyubirkaç metre (l-r3 m) olmuştur. Bu ise başka problemler yaratmaktadır.

Atomların resonatörün içerisinde kalma süresini artırmak için uygulanan farklı biryöntem ise atomların lazer ışığı ile soğutulması (300 K'dan 1 /zK'e kadar) ve hızınınazaltılmasıdır. Fırından çıkan atomların hareketinin ters yönünde lazer ışığı göndererekhızlarını saniyede 300 metreden 3 cm'ye kadar azaltmak mümkündür. Bu ise hem küçükölçülü (L< 1 m) hem de yüksek doğruluklu (Av/v ~ 10"16) AFS oluşturulmasını sağlayacaktır.Bu tür AFS' ler dünyada pek çok laboratuvarlarda kurulmaktadır ve en iyi sistem iseLPTF'de (Fransa) çalışmaktadır [5]. Soğuk sezyum fıskiyesi prensibine dayanan AFS'ninkararlılığı <T(T)=5*10"1 3/(T)1 / 2 olup, beklenen doğruluk ise 10~14 'den daha iyidir.

UME Zaman ve Frekans Laboratuvarı'nda ticari olarak satın alman Cs atomik saatleriile mikrodalga zaman ve frekans standardı sistemi kurulmuş, BIPM T Al klübüne üye olunarakhem kendi zaman skalamız oluşturulmuş olup, hem de izlenebilirlik sağlanmıştır. Bunun yanısıra laboratu varımızda, diğer gelişmiş ülkelerin metroloji merkezlerinde olduğu gibi, doğrulukderecesi bu standartlardan daha iyi olabilecek yeni bir primer frekans standardınıngeliştirilmesi çalışmaları başlatılmıştır. Böyle bir standarın oluşturulması için gereken enönemli kısım atomların hızım azaltacak Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş, frekanskararlılığı çok yüksek olan lazerlerin hazırlanmasıdır. Şu anda UME'de gereken bu lazersistemleri hazırlanmış, frekans kararlılıkları ölçülmüştür ve standardın kurulması için gerekenteknik ve bilimsel çalışmalar devam etmektedir.

2. Cs Atomlarının D2 Enerji Geçitlerine Kilitlenmiş Diyot Lazer Sistemi

Özellikle son 10 yıl içinde diyot lazerleri teknolojisindeki hızlı gelişmeler hemspektrumun farklı bölgesinde ince bandlı ve güçlü lazerlerin üretimini, hem de atomik

341

geçitlere kilitlenmiş optik frekans standartları oluşturulmasına olanak vermiş ve bunların fizik,metroloji ve teknolojinin farklı alanlarında kullanımını hızlandırmıştır [6-8].

Metroloji deneylerinde sürekli olarak kullanılan lazerler genelde dış rezanatörlü diyot(external cavity diode lazer, ECDL) lazerlerdir. Seçici dış rezanaîörün kullanımı geneldespektral bandı AvDL ~5 H- 10 MHz olan diyot lazerlerin ECDL durumunda çalışırkenbandının A P E C D L . ~(1/L)2 *A^DL ye kadar azalmasını sağlar. Burada "i" diyot lazerinresanotor boyu, "L" dış rezanatör boyudur. Bu ise ECDL' lerin üretmiş olduğuelektromanyetik dalganın spektral bandının atomik gazların enerji geçişlerindeki frekansbelirsizliğinden çok daha az olmasını sağlar.

Laboratuvarda dış kaviteli diyot lazerler Cs atomlarının, D2 enerji geçidindekilitlenerek, frekansın kararlılığı ve lazer ışığının parametrelerinin (polarizasyonu, çapı,şiddeti) frekans değerine olan etkisi ölçülmüştür. Deney düzeneğinin blok şeması Şekil.4'tegösterilmiştir. ECDL, Littrow geometrisi tipinde dizayn edilmiş olup, diyot lazer, mikro-objektif ve piezoseramik (PZT) üzerine monte edilmiş kırınım ağından (grating) oluşmaktadır(Şekil.5). Diyot lazerin (SDL-5410) sıcaklığı sıcaklık kontrol sistemi ile ±10 mK kararlılığıile sabit tutulur. Diyot lazeri mikro-objektifin odak noktasına yerleştirerek 0.1 mrad' dan iyiolan paralel ışık demeti 1 mm de 1200 kafesi olan kırınım ağının üzerine düşer. Kırınımağından yansıyan birinci ışık demeti yeniden diyot lazere gönderilerek lazerin çalışmasısağlanır. Kırınım ağından yansıyan sıfırına ışık demeti ise ECDL den çıkış ışığı olarakkullanılır. Diyot lazerin akımı (1 GHz/mA) ve sıcaklığı (0.3 nm/C°), dış kavitenin boyu (0-0.5 /im) değiştirilerek ECDL frekansı sezyum atomlarının D2 enerji geçişlerine ayarlanır.

Integrator Lockin

Dıs kaviteli diyot lazer Teleskop

Integrator

Analizoi

Sayıcı

Dıs kaviteli diyot lazer

Bilgisayar

Şekil.4 Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmiş dış kaviteli diyot lazerlerin deneydüzeneği.

342

Lazer ışığını içinde Cs gazı olan (n=3xlO10 atom/cm3) cam tüpün (boyu ve çapı 3 cm,sıcaklığı 21 °C) içine gönderilerek duran dalga yaratılır. Geri yansıyan ışık algılanarakatomların yutma spektrumu ölçülür. Dış manyetik alanın etkisini azaltmak için Cs tüpümanyetik ekran içine yerleştirilmiştir.

M i k r o Kırınım P Z T

objektif Agı

Şekil.5 Dış kaviteli diyot lazerlerin optik şeması.

Lazerin frekansı yaklaşık 20 kHz de modüle edilerek ve Lock-in amplifier +integratorden meydana gelen servo sistem kullanılarak, ECDL'in frekansı referans Fabri-Perot interferometrenin iletim rezonansına kilitlenir. Bu interferometrenin boyunu değiştirereklazerin frekansını Cs atomlarının yutma frekansı etrafında taramak mümkündür. İkinci birlock-in amplifier sistemi kullanarak yutma spektrumunun birinci türevini kaydetmekmümkündür. Cs atomlarının yutma spektrumu Şekil.6(a)'da ve spektrumun birinci türevi deŞekil.6(b)'de gösterilmiştir. Bu rezonansların şekli incelendiğinde, rezonansların simetrikolmadığı gözükmektedir. Bunun sebebi, atomların Zeaman enerji seviyelerindeki optikpompalanma olayı ve lazerin ışık basıncının etkisi ile atomların hareket yönünün değişmesigibi fiziksel etkilerinin yutma spektrumunu deforme etmesi ile ilgilidir. Bu fiziksel etkiler iseCs atomlanyla etkileşmeye giren lazer ışığının parametrelerine (polarizasyonu, şiddeti, çapı)bağlıdır [9-10]. Bunu daha iyi incelemek için birinci lazer Cs atomlarının 6S ı/2 (F=4) - 6P3/2

(F=5) geçişlerine denk gelen "Doppler-free" resonansına (J>45), ECDL-2 ise (vA5 + vu)/2rezonansına kilitlenmiştir. Böylece iki lazer arasındaki frekans farkı yaklaşık 126 MHzsağlanmış olur. İkinci lazerin parametreleri sabit tutularak, birinci lazerin gücü, polarizasyonuve çapı değiştirilmesi yoluyla lazerlerin fark frekansının bu parametrelere bağımlılığıincelenmiştir. Işığın değişik çap ve polarizasyonlar için lazerlerin fark frekansının birincilazerin gücüne bağlılığı Şekil.7'de gösterilmiştir. Görüldüğü gibi ışığın çapının büyümesi farkfrekansın artmasına (0.5 MHz/cm) yol açmaktadır. Bunun sebebi lazer ışığının basıncı ileatomların hızındaki değişimdir. Farklı polarizasyonlardaki değişim ise atomların Zeamanenerji seviyelerinde pompalanması ile ilgilidir [9-10].

Sezyum frekans standartlarında kullanılan, Cs atomlarının enerji geçitlerine kilitlenmişdiyot lazerlerin frekans değerinin lazerin gücündeki değişimlerden etkilenmemesi büyük önemtaşımaktadır. Çünkü, lazerin frekansındaki herhangi bir değişim standardın doğruluğunu vekaralılığını negatif yönde etkiler. Bunun için deneylerimiz sonucunda fark frekansının, lazeringücündeki değişimden en az etkilendiği optimum parametreler bulunmuştur. Şekil.7'deki 2

343

4-5 {cycling ttansition)

(a)

(b)

Şekil.6

-400 -200 0 200 Av(MHz)

(a) Cs atomlarının yutma spektrumu, (b) spektrumun birinci türevi.

numaralı eğriden görüldüğü gibi çapı 1 cm olan ve doğrusal polarizasyonlı duran dalganıngücündeki değişim lazerin frekansımn güce bağımlılığını en aza indirgemektedir. Bu optimumkoşullarda lazerin frekans kararlılığı spektrum analizatör, evrensel sayıcı ve bilgisayar ilestandard Allan varyansı istatistik hesabı metodu ile ölçülmüştür [1-2]. Şekil.8'de lazerinatomların enerji geçidine kilitlenmemiş ve kilitlenmiş durumdaki frekans kararlılığınınortalama zamana bağlı grafiği gösterilmiştir. Ölçümler sonucunda, lazerin atomların enerjigeçitlerine kilitlenmeden önceki kararlılığı 4xlO~10 olurken, kilitlendikten sonraki kararlılığınınise 6xlO~13 olduğu görülmüştür.

Av(MHz)

Güç (mW)

Şekil.7 Laser gücüne göre fark frekansı: 1- R = l cm, a polarizasyon, 2- R = l cm, irpolarizasyon, 3- R=0.4 cm, ir polarizasyon, 4-R=0.4 cm, a polarizasyon.

344

10E-08

10E-09

? o

|<

10E-11

10E-12

• Kilitlenmiş• Kilitlenmemiş

0,1 10 100 1000 10000 Ortalama Zaman

Şekil.8 Dış kaviteli diyot lazerlerin atomik geçide kilitlenmiş ve kilitlenmemişdurumdaki frekans kararlılıkları.

3. Sonuç

En iyi kararlılığı 6x10 ° olan dış kaviteli diyot lazer sistemi kurulmuş ve optikpompalama, lazer basıncı gibi fiziksel olayların yutma spektrumuna etkisi incelenmiştir. Bufiziksel olayların Cs atomunun D2 enerji geçidine kilitlenmiş lazerlerin frekansına etkisiölçülmüştür ve frekansın lazerin gücüne en az bağlı olduğu koşullar bulunmuştur. Bu türlazerler Cs atomlarının soğutulması ve Cs atom fıskiyesi prensibine dayanan AFS'nınkurulması çalışmalarının temelini oluşturmaktadır. Bunun yamsıra yüksek frekans kararlılıkhbu lazerler optik frekans standardı olarak kullanılabileceği gibi, metrolojinin diğer alanlarındada ( uzunluk, küçük yerdeğişimleri vs.) kullanılabilirler

KAYNAKLAR:

[1]. C.Thomas, P.Wolf, P.Tavella; Time Scales, BIPM, Monographic 94/1,1994[2]. J.Vanier, C.Audoin; The quantum physics of atomic frequency standards,

Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, 1986[3]. E.de Clercq, G.D.Rovera, S.Bouzid, A.Clairon; IEEE transactions on

Instrumentation and Measurement V.42, N.2, 1993[4]. K.Gibbl, S.Chu; Metrologia, V.29, p.201-212, 1992[5] Special issue on selected papers CPEM/94, IEEE transactions on Instrumentation and

Measurement. V.44, No.2, 1995.[6]. G.H.B. Thompson, Physics of Semiconductor Laser Devices.

John Wiley and sons, 1980[7]. Massimo Inguscio and Richard Wallenstein, Solid State Lasers, New Developements

345

and Applications. Nato Asi Series, series B, Physics V.317,1993[8]. R.W. Fox, C.S. Weimer, L.Hollberg, C.S.Türk

Spectrochimica Açta Rev. Vol.15, No.5, pp. 291-299, 1993[9]. R.Gamidov, A.C. İsmailov, H. Uğur

Optics and Spectroscopy, vol.77, pp. 6-10, January 1994.[10]. R. Gamidov, İ. Taşkın and V. Sautenkov

in Proc.Int.Freq.Contr.Symp.IEEE (FCS), 31 May - 2 June 1995,San-Fransisco, USA.

346

ULUSAL METROLOJI ENSTİTÜSÜN'DE (UME) YAPILAN SUYUN ÜÇLÜ NOKTASIHÜCRELERİNİN İNGİLTERE (NPL), ve AMERİKA'DAKİ (NIST) ULUSALMETROLOJİ KURULUŞLARIYLA KARŞILAŞTIRILMASI ve YENİ ULUSAL SABİTNOKTALARIN YAPIMI

Ahmet T. ince,

TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), PK.21, 41470 Gebze-Kocaeli

Özet

Ulusal sıcaklık sabit noktaların yapımı amacıyla Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), İlk

olarak termodinamik suyun üçlü noktası (SÜN) hücrelerinin yapımına 1987 yılında başlamış

olup, ve değişik tasarımlarda SÜN hücreleri yapılmıştır. UME yapımı SÜN hücreleri

hazırlanışlarında soğuk daldırıcı çubuğu ve kuru buz (katı CO2) yöntemleri kullanılmaktadır. Bu

hücreler, birinci düzeyde metroloji kuruluşları olan NPL (İngiltere), NIST (Amerika) ve INM

(Fransa)'deki standart SÜN hücreleri ile karşılaştırılmışlardır. Karşılaştırma sonucunda UME

yapımı SÜN hücrelerinin standart suyun üçlü noktası hücrelerinden en fazla -0.12mK farklı

olduğu bulunmuştur. Aynı zamanda diğer metal sabit noktalarından kalay ve çinkonu yapımlanna

başlanmıştır ve böylece ileride bütün sıcaklık ölçümlerinin izlenebilir olduğu ITS-90 ölçeğindeki

sabit noktaların, ulusal sabit noktalar olarak UME'de yapımı gerçekleştirilecektir.

1. Giriş

Termodinamik sıcaklık ölçümlerinin pratik olarak yapılması ve elde edilen sıcaklık

değerlerinin doğruluğunun uluslararası alanda homojen olarak sağlanması amacı ile, ilk pratik

sıcaklık ölçeği 1927 de belirlenmiş, bunu 1948, 1968 (1968 sıkalasında bazı değişiklikler 1978

yayınlanmıştır) ve son olarakda 1990 sıcaklık ölçeği izlenmiştir [1-5]. Şu ana kadar uluslararası

alanda sıcaklık ölçümlerinin kontrolü mevcut pratik termodinamik ölçeği ile

gerçekleştirilmektedir. Her bir sıcaklık ölçeği ile elde edilen termodinamik sıcaklık ölçümlerinin

doğruluğu ve birbirleri ile ilişki içinde olabilmesi için zaman içerisinde değişikliğe uğramıştır.

Uluslararası Sıcaklık Ölçeği 1990, (ITS-90), 1989 yılında Uluslararası Ağırlık Ölçü Komitesi

(CIPM) tarafından kabul edilip, 1990 yılında resmi olarak tamamen uygulanmaya başlamıştır [5].

ITS-90 sıcaklık ölçeği ile ilk değişiklik termodinamik suyun üçlü noktasının (273.16K), suyun

donma noktası (0°C) ile değiştirilmesi olmuştur.

347

Aynı zamanda yeni sıcaklık ölçeği ile daha önce belirlenen bazı sabit noktalar [4] sıcaklık

ölçeğinden çıkartılarak yeni sabit noktalar ilave edilmiştir. ITS-90 ölçeğinin pratik uygulamasında

belli özelliklere sahip platin direnç termometresi, (PRT), (5) interpolasyon aleti olarak kullanılır.

Argonun üçlü noktasından Gümüşün donma noktasına kadar, değişik sabit sıcaklıklarda, PRT

rlin ölçülen direnç değerleri, suyun üçlü noktasında ölçülen direnç değerine bölünerek istenilen

sıcaklık veya PRT'lerin ITS-90 ölçeğine göre kalibrasyonları gerçekleştirilir.

R(T2ıil6) (D

); Platin direnç termometrenin belli,bir sabit noktadaki direnç değeri (ohm),

R(T2 7 3 1 6); Pljjtin direnç termometrenin suyun üçlü noktasındaki (273.16K) direnç değeri (ohm).

Temel fiziksel birimlerinden termodinamik sıcaklık birimi (sembol T) K, suyun üçlü

noktasının termodinamik sıcaklığının 273.16'da biri (1/273.16) olarak tanımlanmaktadır. Daha

önce tanımlanan uluslararası sıcaklık ölçeği buz noktasına göre tanımlandığı için, pratikte

kullanımı kolaylığı açısından, sıcaklık ölçümü genel olarak ölçülen sıcaklığın buz noktasına

(273.15K) göre farkı olarak verilir.

t/oC=TIK-273.l5 (2)

t/°C sıcaklık birimi, derece santigrat olup, bu sıcaklığın büyüklüğü aynı zamanda Kelvine eşittir.

Sıcaklık değişimi kelvin veya derece santigrat olarak ifade edilebilir.

Sıcaklık ölçümlerinde kullanılan SÜN ölçümü, ITS-90 sıcaklık ölçeğinin ile daha da önem

kazanmış olup, bu noktanın hazırlanmasında kullanılan metodların doğruluğu, ITS-90 sıcaklık

ölçeğinin doğruluğunu tamamen etkiler. Bu nedenle, diğer sabit noktaların ölçümün

doğruluğundan önce suyun üçlü noktası ölçümünün iyi ve güvenilir metodla yapılması sıcaklık

ölçümlerinde son derece önemlidir. Bunun önemi Şekil 1 'de verilen grafikde görülmektedir. Eğer

SÜN ölçümlerinmdeki hatanın ±0.1 mK olduğunu varsaydığımızda bunun ITS-90 ölçeğine ne

ölçüde bir belirsizlik ile yansıdığını açık olarak görebiliriz.

348

M 80VÎK ile I 2 M <MK nıasiıula I IS 90 Bdiı sizlik dahilimi

Beliısizlik/mK

0.7

0 6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

-

-

-

I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 > 1 1 1 \ 1 1 1 1 1

/

/

1 1 1

/

1 1 1 1 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Sicaklik/K

Sekil Suyun üçlü noktasinda ±0. lmK. olcum belirsizliğinin 1TS-90 ölçeğine etkisi

Bu yayında, esas olarak UME, suyun üçlü noktalan hazırlanışları için şu anda

kullanılmakla oian yöntemlerin kısaca açıklanması ve IJME'de 1987'den beri yapılmakta olan

SUN hücrelerinin diğer Ulusal Metroloji kuruluşları ile karşılaştırma sonuçlan verilecektir.

349

2. Süirnın Oluşturulması ve Uluslararası Karşılaştırılmaları

Ü) SÜN'ı)_ııı Oluşturulması

Suyun üçlü noktası hücresi [61, değişik yapılarda havası alınmış cam borsilika canı

liipden yapılmışın. İçinde 500-750 cin3 saf su içeren kapalı bir sistemdir. Şekil 2"de SÜN

hücresi görülmektedir.

İçi ınoıııptıpııinOnlrtırılrlıgt Iııp

B1.17 Mıılın(n7nKnbı

Ruh'iıı

Ru7/Sıı Knır,ımı

Şekil 2. Buz Banyosu İçindekiSuyun Ik l ı i Moktnsı HıJCıPSI

Termodinamik SÜN ölçümünün gerçekleştirilebilmesi için suyun katı, sıvı ve gaz

fazlarının termal dengede olması gerekir. Bunun sağlanabilmesi için hücre içinde bulunan sal

suyun önce dondurulur ve sonra bir miktar eritilerek, katı, sıvı ve gaz fazlarının bir arada

olması sağlanır. SÜN hücresi içindeki saf suyun dondurulması için, uzun yıllar uygulanan

yöntemlerden biri; uygun uzunlukda ve çapta metal çubuk, sıvı azota daldırma yöntemi |7]

ile soğutulur. Bu sıvı azot ile soğutulmuş çubuk suyun üçlü noktası hücresindeki

termometrenin girdiği tüpün içine (tüp içine genellikle ısı transfer sıvısı olarak alkol konur)

islenilen kalınlıkta buz elde edilene kad̂ ar daldırılır (yaklaşık 10-20 dakika).

350

Diğer suyun üçlü noktasını hazırlama metodu ise katı CO2 kullanılmasıdır. Bu metot

ile ufaltılmış katı CO2 parçacıkları termometrenin girdiği tüpün içine doldurulur ve istenilen

kalınlıkta buz tabakası elde edilinceye kadar doldurma işlemi devam eder. Her iki metod ile

hazırlanan suyun üçlü noktası hücreleri ile karşılaşılan problemler sıvı azot kullanımındaki

problemlerin daha az olduğu gözlenmiş olmasına rağmen hazırlanışı ve uygulanması hücreyi

hazırlayan kişinin deneyimine bağlıdır.

Yukarıda anlatılan her iki metot Ulusal Metroloji Enstitüsü tarafından uygulanmakta

olup, istenilen belirsizlikde suyun üçlü nokta hücreleri başarı ile hazırlanıp kullanılmaktadır.

Şimdiye kadar anlatılan iki metoda alternatif olarak soğuk daldırıcı çubuğu kullanılmaktadır.

Soğuk daldırıcı çubuğunun kullanımı diğer metodlara göre daha verimli ve kullanıcı açısından

kolaylık sağlamakta olup, son zamanlarda diğer metodlara göre yaygın olarak kullanıldığı

gözlenmektedir [7-8].

UME'de yapılan suyun üçlü noktası hücreleri kullanrak önce Fransa daha sonra

İngiltere ve Amerika'daki Ulusal Metroloji kuruluşları ile yapılan uluslararası

karşılaştırmalarda yukarıda verilen suyun üçlü noktası hazırlama metodları kullanılmıştır.

(ii) SÜN Hücrelerinin Standart Hücreler ile Karşılaştırılması

SÜN hücrelerinin standart hücreler ile karşılaştırılmasına başlamadan önce, standart

hücrelerin (en az iki tane) yukarıdaki suyun üçlü noktası hazırlanış metodlarından biri

kullanılması ile hazırlanır. Bu işlem bittikden sonra hücreler ya buz banyosuna ya da suyun

üçlü noktası muhafaza banyosuna konarak muhafaza edilir. Standart hücreler hazırlandıktan

24 saat sonra test hücrelerin hazırlanmasına başlamr. Test hücreler de standart hücreler için

uygulanan hazırlanma metotu kullanılarak hazırlanır. Ölçümlere test hücreler hazırlandıktan

24 saat sonra başlanır. Standart ve test hücreler en az üç gün olmak üzere ortalama 10 gün

karşılaştırılır.

Standart ve test hücrelerin karşılaştırılması esnasında 25.5 ohm referans platin direnç

termometresi kullanılır. Termometreye uygulanan akım lmA ve V2mA dir. Böylece

termometrenin OmA akımdaki direnç değeri test ve standart hücreler için ölçülür. Standart

dirençlerin bulunduğu yağ banyosu sıcaklığı kontrolü ±0.01°C dir.

Uluslararası karşılaştırmaya katılan suyun üçlü noktası hücrelerinin teknik özellikleri ve

karşılaştırma için gerekli diğer unsurlar Tablo l'üe detaylı olarak verilmektedir.

351

Tablo 1

Karşılaştırmaya katılan suyun üçlü noktası hücrelerinin karakteristik ve teknik

özellikleri

SUN sen no;

Hücreyi yapan yer;

Kullanış amacı;

Daldırma derinliği/cm;

Buz tabakası kalınlığı/cm;

Buz yapımı yöntemi;

Karşılaştırma süresi/saat;

Kullanılan akım/m A;

Ölçümler süresi/dakika;

Alman ölçüm sayısı;

611

'NPL

standart

21.6

0.5%kb

72

1 ve A/2

10

5

TP2

UME

test

25.0

0.5

kb

72

10

5

A-13-1289+NIST

standart

26.5

0.5&sç

240

1 lve\/2

20

36

UME4

UME

test

22.6

0.5

sç

240

1 veV2

20

36

UME2

UME

test

21.6

0.5

sç

240

1 ve A/2

20

36

'Ulusal Fizik laboratuvarı, İngiltere+Ulusal standarlar ve Teknoloji Enstitüsü, ABD&Soğuk çubuk%Kuru buz

3. Sonuç ve Tartışma

Daha önce belirtildiği gibi UME'de ilk suyun üçlü noktası hücrelerinin yapımına 1987

yılında başlanmıştır. İlk yapılan SÜN hücrelerinden TP3 Fransa'daki Ulusal Metroloji

Enstitüsüne 1991 yılında götürülerek standart hücreler ile karşılaştırıldığında TP3 SÜN

hücresi ile Fransız standartının -0.12 mK farklı olduğu bulunmuştur. Daha sonra ilk yapılan

hücrelerden TP2 1994 tarihinde İngiltere'deki Ulusal Metroloji Enstitüsü ile yapılan 3 günlük

karşılaştırma sonucunda ±0.1 mK belirsizlik ile sertifikalandırılmıştır. Bu ilk yapılan

hücrelerin devamı olarak 1995 yılın başlarında diğer hücrelerin yapılış yönteminden daha

değişik bir yöntemle 10 adet SÜN hücresi UME'de yapılmıştır. Bu yeni yapılan hücrelerden

seçilen iki SÜN hücresi (UME4 ve UME2) Amerika'daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji

Enstitüsündeki (NIST) standart hücreleri ile toplam 11 gün karşılaştırılmışlardır.

Karşılaştırma sonuçlarını gösteren sonuçlar Şekil 3'de verilmiştir. Buradan da görüldüğü gibi

352

UMF/de yeni SÜN yapım yöntemi ile yapılan hücrelerin NIST standart SÜN hücrelerinden

farkı ±0.1 ınK niıı altında olduğu bulunmuştur. Özellikle UME4, SÜN hücresinin, NIST.

SÜNhücresinden yalnızca -0.037 ınK farklı okluğu bulunmuştur. 25.5 olun direnç

lerınomelrcsinin I nıA kııllaıııldıj-ıııdaki Johonson ^iiriillüsü (direııçduı kaynaklanan) yaklaşık

I ınikro ohnı dur (I mikro ohm-=().0lıuK). Ölçüm sisteminde ki hu jiüriillü jjö/. önüne

alındığında UMH4 SÜN hücresi için elde edilen farkın çok küçük olduğunu görmekleyiz.

] flfl!» ti'Hı J00

2 ı nofi ot»)

fi 99») ıM)(> 200

m

^.1 ınK)

A

m

o

A

•

O

A

m

o

4

•

n'-1 •

ı IMI-:l ' M I : 4

N I S T s ı ı ı m l a r t h ı i r

- ı ) . ( ) 2 ı ı ı K

ı ı ) f ) 2 ı ı ı K

4-l(>->)5 4-12-9,'i 4-14-95 4-16-95 4-18-95 4-20-95 4-27.-c)5

Kiirşılaşıırmanın aerçekleştiriklİEİ zaman dilimi ıay. gün ve vıl sırasına lîöıeı

Vkil 3. UME Yapımı. UMF.2 ve IJME4 suyun üçlü noktası hücrelerinin NIST standart.

A-13 1289 numaralı suvun ticiü îuıktası hücresi ile karsılaştınlınası. Snnuclnı 0nı/\

nkım hesaplanarak deöeılendinimıştir.

353

Karşılaştırma esnasında kullanılan SÜN hücrelerinin daldırma derinliklerinin farklı

olmasından dolayı (Tablo 1 'e bak) test hücreler ve standart hücreler için termometre daldırma

derinliğine göre basınç düzelmesi yapılmıştır. Bu düzeltmenin dışında her bir SÜN hücresinin

uzunluklar» farklı olduğundan termometrenin ölçüm esnasında yeterli derecede daldırıldığının

kontrolünün yapılması gerekmektedir. Bunun için termometre SÜN'na tamamen daldırıldıktan

sonra her İcm de kaldırılarak toplam 4 cm daldırma derinliği testi yapılarak teorik olarak

beklenen değer ile aynı olup olmadığı kontrol edilmesi gerekir, aksi takdirde alınan

sonuçların sıcaklık ölçümleri acısından yanlış yorumlar yapılmasına neden olabilir. Şekil 4"de

UME, SÜN hücrelerinde UME4 içjn daldırma derinliğinin teorik olarak bulunması gereken

değerle karşılaştırılması verilmektedir. Görüldüğü gibi UMR SÜN hücresindeki sıcaklık

ölçümlerinde kullanılan termometrenin tamamen daldırıldığı göstermektedir.

0.04

0.03

% 0 02

M 0.01

0.00 <

-0 01

' ' 1

^ - ^ ^ " ^ '

I 2 3 J

Daldırma derinliei/cm

Şekil 4. IJME4 Suyun üçlü noktası hücresi ieiıı ııvculanan 3 cin daldırma derinlisi reMi.

Teorik olarak hesaplanan değer kalın çizgiyle . deneysel olmak ölçülen deâerler

noktalar ile gösterilmiştir.

354

UME'de yakın gelecekte metal sabit noktalann yapımlan başlatılacaktır. Bu metal

sabit noktalarıda SÜN'da olduğu gibi diğer birinci seviyedeki laboratuvarlar ile

karşılaştırmalar sukularak Türkiye'de tanımlanan ITS-90 ölçeğinin güvenilir ve

tekrarlanabirliği gerçekleştirilecektir.

Yapılan bu sabit noktalar sonuçda ITS-90'a izlenebilirliği yapılan uluslararası

karşılaştırmalar ile sağlanalacaktır. Sıcaklık ölçümlerinde izlenmesi gerekli izlenebilirlik

zinciri Tablo 2 de verilmektedir.

Termodinamik

Sıcaklık

ITS-90

CIPM tarafından tanımlanan

ITS-90

TKS

kalibrasyonlar

servisi

UME'de kurulan

VReferans

Direnç

termometresi

. Iİkinci

kalibrasyon lab

Endüstri

çalışma standartı

Son ölçüm

ulusal standartlara

izlenebilir

ITS-90

Diğer ülkelerdeki standart lab.

Tablo 2. Sıcaklık ölçümlerinde izlenmesi gereken izlenebilirlik zinciri

35,5i

4. Sonuç

SÜN ölçümü ITS-90 ölçeği ile önem kazanmış olup, bu ölçekdeki bütün sıcaklık

ölçümlerinden sonra SÜN ölçümlerinin sürekli tekrarlanmasından dolayı, suyun üçlü /

noktasındaki ölçümlerin doğruluk seviyesi ITS-90 ölçeğini önemli derecede etkilemektedir.

Böyle bir hassas bir sabit noktanın UME'de yapılması gerçekleştirilmiştir. UME'de yapılan

SÜN hücrelerinin diğer uluslararası birinci seviyedeki metroloji kuruluşları ile

karşılaştırıldığında önemli bir farklılığın olmadığı bulunmuştur. Böylece UME sıcaklık

ölçümlerinde hem endüstri ve hem de kalibrasyon laboratuvarları tarafından en çok kullanılan

SÜN hücrelerinin, kendine has yöntemle yapımı ve ölçümünü başarı ile gerçekleştirerek

uluslararası katıldığı karşılaştırmalar ile kanıtlamıştır. Bundan sonra ITS-90 daki diğer sabit /

noktaların yapımının UME'de gerçekleştirecek ve böylece ITS-90 ölçeğinin UME'de yapılan

sabit noktalar ile sürekliliği sağlanacaktır.

Kaynaklar

1. CGPM, Comptes Rendus des Seances de la Septieme General des Poids et Mesures

94-99, 1927. j

2. CGBP, Comptes Rendus des Seances de la Neuvieme Conference Generale des Poids

et Mesures, 89-100, 1948.

3. CGBP, Comptes Rendus des Seances de la Treizieme Conference Generale des Poids

et Mesures, A1-A24, 1967-1948.

4. CGBP, Comptes Rendus des Seances de la Qutizieme Conference Generale des Poids

et Mesures, A1-A21, 1975.

5. H.Preston-Thomas, Metrologia 27, 3-10, (1990), errata in Metrologia 27, 107, 1990. i

6. George T. Furukavva and William R.Bigge, American Institute of Physics, Its

Measurement and Control in Science and Industry, 5, p 291, 1982.

7. Gregory F. Strouse., George F.Furukavva, and Billy W. Mangum, BIPM Com. Cons.

Thermometrie 18, CCT/93-24, 1993.

8. J.P. Evans and D.M.Sweger, The review of Scientific Instruments, Vol.40, No.2,

376-377, 1969.

356

ÜLKEMİZDE METEROLOJİ VE KALİBRASYON AĞI

Bülent ÖZDAĞ/Sanayi ve Ticaret Bakanlığı Ölçüler ve Standardlar Genel Müdürlüğü

METROLOJİNÎN TANIMI VE ÖNEMÎ

Metrolojinin günümüzdeki sözlük anlamı "Ölçü Bilimi" dir.Metroloji, ölçme sistemiile ilgiliteknoloji alanındaki doğruluk seviyesini hem pratik, hem de teorik olarak bütünözellikleri inceleyen bilim dalıdır. Metrolojinin gerek bilimsel, gerekse endüstriyeltekniklerin bireyler, toplumlar ve ülkeler arasındaki ilişkilerin sürdürülmesinde vegeliştirilmesinde son derece önemli bir yeri olduğu şüphesizdir. Dış pazarlaraaçılınması,ürünlerin ihracatta kalite düzeyinin yüksek olması standardlara uygunluğu veetkili bir kalite kontrol sistemi içersinde tescilli olarak pazarlamayı kolaylaştırmasıbakımından önem arzetmektedir.

Ülkemizde Ölçüler ve Ayar Teşkilatı ve çalışmalarının tarihçesine kısaca göz atacakolursak , ülkemizde 1933 yılma kadar Mesahat, Evzan ve Ekyali Cedideye dair 1285(Miladi 1869 ) tarihli bir kanun uyarınca, bazı belediyeler tarafından görevlendirilen ve hertürlü mesleki eğitimden yoksun tutulan memurların, oldukça ilkel metodlarla, sadece birkısım ölçü ve tartı aletlerini kontroldan ibaret uygulamaları bulunduğu, bunun ise alıcı vesatıcı hukuku ve dolayısıyla piyasa düzeninin sağlanmasını gerçekleştirmekten hayli uzakolduğu görülmektedir. Özellikle, ölçü aletlerinin standart hale getirilmemiş olmasısebebiyle ülkemizin çeşitli bölgelerine ve hatta kişilere göre değişen değerler taşıyan ölçübirimlerinin kullanılması bu konuda tam bir kargaşa yaratıyordu. Örneğin; uzunluk ölçübirimi olarak yurdun bazı bölgelerinde endaze (65 cm ) kullanılırken, bazı yerlerde arşın"çarşı arşını" (68 cm) , bina ve arazi ile ilgili konularda ise mimar arşını (75,8 cm) gibifarklı ölçüler kullanılmakta idi.Alan ölçülerinde mimar arşını endaze ve çarşı arşınına görebulunan günlük,girip ve dönüm ile bunun alt katı olan feddan ve katı olan evlek gibideğişik birimler vardı. Hacim ölçü birimi olarak en yaygın şekilde kullanılan kile,İstanbul'da 37^ Anadolu'da ise 101 litreye tekabül ediyordu, askatları İstanbul'da ölçekşinik, kutu ve zarf şeklinde adlandırılırken, Anadolu'da hak,ölçek,gödük ve ruplağı olarakbiliniyordu. Kütle ölçülerinde ise okka veya kıyye ( 1,283 kg) esas birim olarak kabuledilmekle beraber , bunun katları olan ratıl bazı yerlerde 9, bazı yerlerde 2,5 okka ; batmanise yer yer 4,6 veya 12 okka karşılığında kullanılıyordu.

Geçmişe yönelik bazı örnekler vermek suretiyle kısaca açıklanmaya çalışılanülkemizdeki bölgelere göre değişen çeşitli ölçülerin yarattığı karışıklıklara "MetreSözleşmesi" ni imzaladığımız 1875 tarihinden 58 yıl sonra nihayet ,26.3.1931 tarihindekabul edilmiş olan 1782 Sayılı "Ölçüler Kanunu" nun yürürlüğe konulması ve ÖlçülerTeşkilatının kurulması ile 1.1.1933 tarihinde son verilmiştir. 26.3.1931 tarihinde kabuledilen 1782 Sayılı Ölçüler Kanununun 23'üncü maddesi gereğince Uluslararası Ölçüler veTartılar Bürosunun bir üyesi olarak ülkemiz bu konuda Batılı ülkeler arasında yerinialmıştır.

Metrik sistemin uygulamaya konulduğu 1.1.1933 tarihinden 22 yıl sonra ise ölçüaletlerinde meydana gelen gelişmelere uyabilmek amacıyla, 1782 Sayılı Kanunun bazımaddelerini değiştiren ve bazı yeni maddeler ekleyen 6621 Sayılı "Ölçüler Kanunu "21.5.1955 tarihinde kabul olunarak yürürlüğe konulmuştur.

357

Bu sırada, uluslararası alanda ölçme ve ölçü aletleri ile ilgili teknik ve idari konularınçözülmesi ve yasal metroloji çalışmalarının koordinasyonu amacıyla 1955 yılında "BirMilletlerarası Kanuni Metroloji Kurulmasını Sağlayan Mukavelename" ile "BureuInternational de Metrologie Legale" (OIML) adı ile "Uluslararası Nizami ÖlçülerTeşkilatı" kurulmuştur ve Türkiye Muhabir Üye olmuştur. Böylece OIML ve BIPM 'e üye jolunması ile metroloji alanında uluslararası platformda yapılan çalışmalar ve ilerlemelerin /izlenmesine imkan sağlanmıştır. Daha sonraki yıllarda gelişen ve değişen ölçü ve ölçüaletleri teknolojisi karşısında mer'i mevzuat yetersiz kalmış, toplumdaki nüfus artışı,ticaretin gelişmesi, ölçüler ve ayarlarla ilgili hizmetleri büyütmüş ve teşkilat bu durumkarşısında uygulamalara cevap veremez hale gelmiştir.

Bu nedenle, 1782 Sayılı Ölçüler Kanunu ve bu kanunun bazı maddelarini değiştirenve bazı maddeler ekleyen 6621 Sayılı kanunun yerine yeni bir kanun tasarısı hazırlanmış,21.1.1989 tarihinde kabul olunan 3516 Sayılı "Ölçüler ve Ayar Kanunu "21.1.1989 Tarihve 20056 Sayılı Resmi Gazete'de yayımlanarak yürürlüğe konulmuştur. 3516 sayılı"Ölçüler ve Ayar Kanunu" nun yürürlüğe girmesi ile ilmi değerini kaybetmiş ölçü birimleri jve tanımları yerine, Uluslararası Birimler Sistemi ve bu birimlere ait yeni tanımlarülkemizce uygulamaya konulmuş,Kanunla öngörülen özellikle AT ülkeleriyle BatıAvrupada uygulanan Uluslar arası Ölçü Standartlarının dikkate alınması sözkonusuolmuştur.

ULUSLARLARASI PLATFORMDAKİ DURUM

Fiziki ölçümlerin Dünya'nm her tarafında aynı olmasını temin etmek amacıyla,20Mayıs 1875 tarihinde Paris'te imzalanan METRE SÖZLEŞMESİ'nin l'nci maddesiuyarınca kurulan "Uluslararası Ölçüler ve Ayar Bürosu" (BIPM) bugün Dünyadaki ölçü ve jayar sisteminin en üst kurumudur.

TÜRKİYE'DE METROLOJİ ÇALIŞMALARI

Bilindiği üzere,ülkemizde metroloji çalışmalarıyla doğrudan doğruya ilgili kamukuruluşları Sanayi ve Ticaret Bakanlığı,TÜBİTAK ve TSE'dir. Sanayi ve TicaretBakanlığı'nın Ölçüler ve Ayar Teşkil atı,merkezde Ölçüler ve Standartlar GenelMüdürlüğü'ne bağlı olarak Ölçüler ve Ayar Daire Başkanlığı,taşrada ise 64 Sanayi veTicaret Müdürlüğü bünyesinde kurulmuş bulunan Ölçüler ve Ayar Şube Müdürlüklerindenoluşmakta,ayrıca Sanayi ve Ticaret Bakanlığı'na bağlı olarak çalışan Grup Merkezi /Belediye Ölçüler ve Ayar Memurlukları tarafından hizmetler yürütülmektedir.

TÜBİTAK Kuruluş Kanunu'nun 1. maddesine göre,amacı Türkiye'de müspet bilimlerve kalkınma planlan doğrultusunda araştırma ve geliştirme yapmak, yapılmasını sağlamak,koordine etmek, bu alanlarda mevcut bilgilere erişmek ve erişilmesini sağlamaktır. TSEise, endüstriye yönelik her türlü madde ve mamuller ile usul ve hizmet standartlarınıhazırlamak ve uygulamaktır.

3516 sayılı Ölçüler ve Ayar Kanunu'na göre ülkemizdeki yasal metrolojiuygulamalarından sorumlu olan Bakanlığımızca ölçüler ve ayar hizmetlerinin etkin veyaygın bir biçimde uygulanmasının sağlanması,ticarette kullanılan ölçü ve tartı aletlerinin i

358

periyodik kontrollarının düzenli bir şekilde yapılmasının sağlanması amacıyla projehazırlanmış ve bu proje Başbakanlık Devlet Planlama Müsteşarlığı'nca da kabul edilerek1991 Yılı Yatırım Programına alınmıştır.

Projeyle,esas itibarıyla,merkezde (Ankara'da) bir merkez laboratuvarı,taşrada ise,74ilde şube laboratuvarları ve hareketli sistemler olarak tanımlanan Ölçü ve Ölçü ÂletleriMuayene Araçlarının uygulamaya konulması amaçlanmaktadır.

Ankara'da Metroloji ve Kalibrasyon Laboratuvarı adı altında kurulması öngörülenmerkez laboratuvarında 74 ilde kurulacak olan şube laboratuvarında kullanılan ölçü ve tartıaletlerinin kalibrasyonları yapılacak ayrıca çok yaygın olarak kullanılmayan ve bu sebebleher şube laboratuvarında bulunması gerekli olmayan ölçü ve ölçü etalonlarıbulundurulacaktır.Mekez laboratuvarındaki etalonlar da TÜBiTAK'ça kurulmuş olanUlusal Metroloji Enstitüsü (UME) tarafından kalibre edilecektir.

Bu çalışmalara paralel olarak Dışişleri Bakanlığınca F.Almanya Cumhuriyeti'ne deiletilen ve uygun görülen sözkonusu projenin 19-21 Haziran 1990 tarihleri arasındaTürkiye Cumhuriyeti ile yapılan teknik işbirliği görüşmeleri sonucunda imzalanan protokolçerçevesinde Federal Almanya Hükümeti'nce de desteklenmesi öngörülmüştür.

Sözkonusu projeyle ilgili çalışmalar ve Federal Almanya Milli Fizik Enstitüsü (PTB)ile müşterek olarak,iki ülke hükümetleri arasında imzalanan teknik işbirliği. programıçerçevesinde yürütülmektedir.PTB'yi temsilen ülkemize gönderilen 4 uzman,29.4.1991-17.5.1991 tarihleri arasında Bakanlığımız merkez ve taşra teşkilatlarında gerekliincelemelerde bulunmuşlarve sonuçta Bakanlığımızda TÜBİTAK,TSE ve İçişleri Bakanlığıtemsilcilerinin de katıldığı değerlendirme toplantıları yapılmıştır. Ölçüler ve AyarTeşkilatının Kuruluşu Projesi "Metroloji Alanında İleri Seviyede danışmanlık yardımı" adıaltında Birleşmiş Milletler Sınai Kalkınma Teşkilatı (UNIDO) tarafından dadesteklenmektedir.Konu ile ilgili karar 22.8.1990 Tarih ve 20613 sayılı Resmi Gazetedeyayınlanmış olan Milletlerarası Andlaşmasının 7.sayfasında yer almaktadır. Proje iki aylıkbir süreyi kapsamakta olup,hareketli bir sistem dizaynı da dahil olmak üzere piyasadakullanılan ölçü aletlerinin doğruluğunun sağlanması ve tüketicinin korunması amacıyla tambir kalibrasyon sistemi adaptasyonu için Bakanlığımıza Tavsiyelerde bulunulmasınıamaçlamaktadır.

KALİBRASYON AĞININ OLUŞTURULMASI

Gelişen teknoloji ile birlikte kalite bilinci çok daha duyarlı Metroloji ve Kalibrasyonihtiyaçlarını beraberinde getirmektedir.Çünkü sağlıklı ölçme yapılmaksızın ne ürünün ne deüretim teknolojisinin istenene uyduğu söylenemez.

Ölçmenin güvenirliliği,ölçü aygıtlarının teknik gereklere göre kalibre edilmesi ilebaşlar.Ölçü aletlerinin bilinçli kullanımları bakımları ve periyodik kalibrasyonukaçınılmazdır.Bu nedenle altyapı gelişmesini tamamlamış ülkelerde ulaşım,iletişim,enerjişebekeleri gibi temel sosyoteknik sistemlerden biri olarak kabul edilen Ulusal MetrolojiMerkezi ve bunun güdümünde bir ölçme ve kalibrasyon ağı kurulmuştur.

359

Ulusal Metroloji Enstitüsü,gerekli ve teknik uygunluğu olan,ölçmede kullanılan birimve yöntem standardizasyonu akreditasyon ve belgeleme faaliyetlerinin güvenirliliğini veuluslararası geçerliliği sağlayan unsurdur.Böyle bir örgütlenmede en üst düzeyde genellikleülke primer standardlarını geliştirip muhafaza eden ve sistemi koordine eden bir merkezbulunur.Bu merkezin altında uygun sayıda ve bölgelerde ikincil (sekonder) düzeyde jlaboratuvarlar,bu deneye bağlı ve onun altında sınai kalibrasyon merkezleri bulunmaktadır. /

Sözü edilen kalibrasyon ağı bir yandan geniş kesimlere hizmet götürme gereğiniyerine getirirken diğer yandan da primer ve sekonder laboratuvarjarın ölçü güvenirliğinimuhafaza etmesini sağlar.Primer düzeydeki ulusal merkez ise Uluslararası Sistemin Paris'tebulunan merkezi "Bureau International des Poids et Measures" (BIPM) ile diğer ulusalmerkezler arasında ölçme standardı karşılaştırmalarını yaparak sistemin ölçüm becerisininuluslararası onayını temin eder.

Türkiye'de ulusal ölçme sisteminin yasal yönü 3516 sayılı Ölçüler ve Ayar Kanunu ileyürütülmektedir.Bu yasa OIML (Ulusal Yasal Metroloji Örgütü) kriterlerine göre yetersizkalmakta olup , özellikle Avrupa Topluluğu ile Gümrük Birliği'ne girebilmemiz için yeni /bir düzenleme yapılmasını zorunlu kılmıştır.Bu nedenle, Bakanlığımız 3516 sayılı Ölçülerve Ayar Kanununun revizyonu çalışmalarına başlamış ve bir hayli mesafe ahnmıştır.Aynızamanda Türkiye Cumhuriyeti ile Uluslararası İmar ve Kalkınma Bankası arasında 5 Nisan1991 tarihinde imzalanarak 4 Temmuz 1991 tarih ve 20919 sayılı Resmi Gazete'deyayımlanan "İkraz anlaşması" ile yürütülmekte olan "Teknoloji Geliştirme Projesi"çerçevesinde TSE 'ce Milli Kalite Konseyi (MKK) oluşturulmuştur. 1995 yılından itibarende Avrupa Topluluğu ile Gümrük Birliğine girilecek olması nedeniyle'de MilliAkreditasyon Konseyi (MAK) kurulup çalışmalarına başlamıştır.Ulusal Sistemin idareolarak denetimini sağlayacak olan Milli Akreditasyon Konseyi'nin Teknik Altyapısıoluşturulduğunda endüsriyel dışsatımdaki sıkıntılar kalkacak ve ekonomik kayıplar jazalacaktır. •',

SONUÇ VE ÖNERİLER

Bilindiği üzere Yasal Metroloji ile ilgili çalışmalar 3516 sayılı Ölçüler ve Ayar KanunuHükümleri çerçevesinde Bakanlığımızca yürütülmektedir.Konuyla ilgili olarak görev alanıolan TSE veTÜBİTAK'ın yetki ve sorumluluklarına dair herhangi bir yasabulunmamaktadır.Öncelikle ülkemizde Metroloji çalışmalarının koordinasyonunusağlayacak bir yasal düzenleme yapılması zorunludur. ,

F.Almanya'da olduğu gibi Bakanlık,TÜBİTAK,TSE,üniversiteler ve diğer ilgili /kuruluşların katılımı ile bir Metroloji Koordinasyon Kurulu oluşturulmalı,bu kurul yıldabirkaç defa toplanarak konu ile ilgili çalışmaları değerlendirilmeli ve alınması gerekentedbirleri tesbit etmelidir. Bakanlığımız ve TSE'ce yapılacak müşterek bir çalışma ileMetroloji ve Ölçü Aletleri Kanununda gerekli standardları tesbit edilerek hazırlanmalı veBakanlığımız'ca mecburi uygulamaya konulmalıdır. Tam üyelik için başvurudabulunduğumuz Avrupa Topluluğu ile ilgili olarak Mevzuatımızın belirli bir programçerçevesinde Topluluk Mevzuatı ile harmonizasyonu çabuklaştırılmalıdır. Metroloji veKalibrasyon Kanunu'nun önemi ve tanımı için basın radyo ve televizyona yönelikçalışmalar yapılarak halkın bilinçlenmesi sağlanmalıdır. j

360