I principali componenti strutturali del nuovo micrometro NIST - un dispositivo per misurare lo spessore del filo sottile, fibre strette e oggetti simili, sono fatti di Invar, una lega di nichel-ferro che non reagisce a piccole variazioni di temperatura. Di conseguenza, il dispositivo di misurazione è meno soggetto a errori rispetto ad altri strumenti all'avanguardia. Un raggio laser entra dal lato sinistro del disegno ed entra in un cubo divisore di raggio (1), che divide la trave in due parti. Una parte rimane nel cubo, viene riflesso da uno specchio laterale verso il centro e funge da raggio di riferimento. L'altra parte colpisce il catarifrangente (2). Quando il carrello flottante (3) si allontana dal cubo divisore e si avvicina all'estremità posteriore dell'incudine (4), la distanza tra il retroriflettore e il divisore a cubo varia (5 Quando i due raggi vengono riavvicinati, il laser segnala la variazione di distanza. Credito:NIST
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato uno strumento basato su laser notevolmente migliorato che misura il diametro dei fili di calibro sottile, fibre e altri oggetti solo circa tre volte lo spessore di un capello umano. Conosciuto come micrometro laser, la precisione del dispositivo è uguale a quella delle sue controparti all'avanguardia ma è più economica, più semplice da usare e più facile da mantenere.
Gli scienziati del NIST John Stoup e Ted Doiron hanno riportato le loro scoperte il 15 dicembre, numero 2020 di metrologia .
Il nuovo micrometro utilizza un avanzato interferometro a spostamento laser, che si basa sulla luce per misurare lo spessore degli oggetti tenuti tra due contatti metallici. Con il nuovo sistema, i ricercatori possono misurare il diametro di qualsiasi oggetto largo meno di 50 millimetri, compresi fili e fibre di calibro sottile, con un'incertezza di soli 2 nanometri. È meglio del doppio della precisione dei precedenti micrometri laser sviluppati al NIST.
Stoup e Doiron hanno fabbricato il nuovo micrometro quasi interamente in Invar, una lega di nichel-ferro nota per la sua stabilità termica. Ciò significa che il materiale non reagisce a piccoli cambiamenti di temperatura, resistere all'espansione o alla contrazione. Di conseguenza, il dispositivo di misurazione è meno soggetto a errori rispetto ad altri strumenti all'avanguardia.
Infatti, il miglioramento "mette il nuovo micrometro NIST ad un livello equivalente al migliore al mondo, " disse Acquasantiera. Inoltre, il micrometro NIST è meno costoso e più semplice da usare. Ad esempio, perché lo strumento NIST non è automatizzato come altri strumenti all'avanguardia, è più economico da costruire, più semplice nel design e più facile da tenere sotto stretto controllo statistico.
"È sempre una sfida ottenere le migliori prestazioni al mondo senza spendere troppo, " Disse Acquasantiera.
I produttori stanno lavorando con fibre e fili molto più sottili di quanto non facessero anche dieci anni fa per le comunicazioni ottiche e le reti elettriche su chip. Ciò ha determinato la necessità di un micrometro laser in grado di misurare piccoli diametri con elevata precisione e stabilire fibre "master" di diametro standard che possono essere utilizzate come riferimento per valutare il diametro di altre fibre. All'altra estremità della scala, vi è una crescente necessità di misurare le dimensioni di grandi, pistoni a pressione di diametro centimetrico e manometri per cilindri, che può eseguire anche il micrometro NIST. Poiché la pressione esercitata da un pistone è proporzionale alla sua area, anche piccoli errori nella misurazione del diametro del pistone possono produrre errori critici nel calcolo della pressione.
Misurare il diametro di fibre e fili sottili è un'operazione delicata perché questi oggetti possono deformarsi, o cambiare la loro forma, relativamente facilmente. Se non si tiene conto di tali deformazioni, potrebbero portare a un errore significativo nelle dimensioni misurate. Per tenere conto della deformazione, i ricercatori del NIST hanno progettato il loro micrometro in modo da poter variare la forza applicata dai contatti che tengono in posizione l'oggetto. Misurando le variazioni di diametro dell'oggetto quando sono state applicate diverse forze di contatto, i ricercatori sono stati in grado di estrapolare il diametro quando non viene esercitata alcuna forza sull'oggetto, il diametro indeformato.
Il nuovo design consente ai ricercatori di utilizzare il dispositivo da remoto, eliminando la possibilità di introdurre calore nel sistema attraverso il contatto umano. I ricercatori hanno anche progettato un modo più stabile per i contatti in carburo di trattenere l'oggetto misurato. Tutti questi miglioramenti hanno aumentato la precisione del dispositivo.
