当代计量学的现状和发展_更新计量基本单位_质量_kg_定义的研究_续_

2002年5月COLLEGEPHYSICSMAY2002当代计量学的现状和发展更新计量基本单位质量“KG”定义的研究续赵克功中国计量科学研究院,北京101312年,实验装置目前还在建设当中,有所进展目前能说的是在图8所示装置中,如离子电流为10MA,连续运转6天可以收集到10G的金原子当然,实验会遇到很多很多困难,如离子束的损耗等等问题的影响,目前还不清楚实现上述设想,即使都利用最先进的科学技术也还再需要10年以上的时间4质量“KG”溯源到金原子质量上15把质量“KG”溯源到金原子的质量上,其原理简单一个离子源发射金离子到一个静电屏蔽器法拉第笼内,然后与千克标准的质量M进行比较,如图7所示因为离子带电,这样在离子源和离子储存器之间有带电金离子流过形成一个电流IT,T为时间这个电流值IT与流过的金原子数成正比设收集到金离子从起始时刻到终止时刻T0到TM流过的总电荷为Q因为单个金离子的电量相当於一个电子电荷E,在T0TM时间内流过的总电量Q与单个电荷E之比,就是流过的金离子的总数NXMAU为单个金原子的质量,其单位为千克,则金原子的总质量为T0ITDTIQ离子源,QL四端网络磁透镜,MS质谱分离器,AM偏转磁铁,MK质量比较仪,CSK低温电流比较仪,SM量子干涉SQUID测磁仪,QH量子化霍尔器件,JV约瑟夫森器件,FZ频率计数器图8收集金原子的实验装置QMMAUEMAUE5另外几种更新质量单位“KG”定义的设想51电功率天平这是一种机械与电功率的比较方法,是英国国家物理研究所NPLBKIBBLE提出的设想16,其原理如图9所示它由两部分组成,第一部分为在天平的一端放有质量为M的物体,由于地心引力重力加速度G所产生的重力MG与另一端的一个电磁力进行比较电磁力F是由通过电流为I、导线长度为L的线圈产生线圈与磁力线相互垂直时产生的磁通密度为B,当天平达到平衡时,有FIBLMG图7PTB收集金离子实验装置原理电流I通过量子化霍尔效应和约瑟夫森效应测得,即IKEFJFJ为约瑟夫森频率,K为校准常数通过上式我们可以将宏观的质量M与微观质量MAU联系起来TMMAUKFJTDT0这项实验从开始提出物理思想到组装实验已有10当代计量学的现状和发展连载第5期赵克功当代计量学的现状和发展更新计量基本单位45图9功率天平的原理另一部分是线圈以速度V在磁场中运动,由它产生的感应电压U被测量UVBL从上述两个方程可以得到UIMGV这种方法与线圈的几何形状和磁场磁通量无关,但需要准确知道实验装置所处地点的重力加速度G电功率可以通过约瑟夫森效应和量子化霍尔效应测量图10瑞士计量科学研究所EAM的功率天平二者各有优缺点如图10所示,利用一套完整的滑动的机械装置可以准确的使线圈在永久磁铁磁场中垂直运动在这个装置中,运动的部分与天平称重部分是完全分离的,天平的平衡状态不受干扰,所以,由于天平臂的转动造成的滞后效应被消除利用的比较天平是市场可购置的01GSARTORIUS或METTLER2TOLEDO的比较天平,当然还要作一些改进在这个实验中,还有一个重要问题是准确的确定线圈的运动速度为此,瑞士计量科学研究所与讷叶堡大学合作专门为这项任务发展了一台激光干涉仪,为满足3MMS的所需的精度要求对装置周围的技术环境,希望能利用现有的科学技术手段可以满足要求特别是对温度的要求,由于装置变小,所以容易达到要求瑞士的装置计划在2000年初可以运转估计可将普朗克常量H的相对精度确定到1108PUIKF2HJH为普朗克常量最后得到质量M为1MKF2HJGV这里应用的基本物理常量H可通过功率天平精密测量如果,通过功率天平测定的H能达到所要求的精度,那么国际计量单位制会有一个全新的面貌,见文献17目前英国的NPL和美国的NIST在进行这项研究他们是直接与1KG的质量进行比较,需要产生1KG的电磁力所以,它们的装置都十分庞大在NPL的装置上产生这个电磁力所用之永久磁铁的质量为几吨,切割磁力线的线圈需要由吊车吊起它的零位也需要调整因此,影响测量误差的因素相当多,对这些影响因素需要抑止、测试与补偿修正和保证它们的测量都在所要求的测量精度范围内NPL的研究开展了20余年,测得的H6626068911034JS,测量不确定度已达到了871081999年NPL18和NIST19的系统都作了进一步改进,估计H值的测量不确定度又提高了一个量级1995年第20届国际计量大会CIPM要求国际上有能力的科学研究院所从事质量“KG”定义更新的研究,为此,一些研究所进行不同的新探索瑞士国家计量科学研究所EAM进行了与NPL和NIST相同原理的研究,但它不是重复它们的实验瑞士的比较质量为100G,所需磁铁的质量只有几千克,因此,它们的装置大大的减小了其装置如图10目前,EAM还没有确定是移动磁铁还是移动线圈,2052磁悬浮实验该方法本身也是基于机械功率与电功率的比较,但它利用了超导物理效应比较物体是由超导材料制成的,它可以在超导线圈中悬浮着线圈的磁通变化可以准确确定,直到单个磁量子的变化这个磁通的变化作用在悬浮物体上,使悬浮物体有一高低位置的变化,它通过激光干涉仪测出当然,这里有个假设,即输入的能量全部转换为磁能和悬浮物体的势能这样,这个物体的质量就可以溯源到普朗克常量H上当然,人们也需要准确地知道装置所处位置的重力加速度G其原理如图11所示图11表示了两个电路一个是超导线圈的回路,通过的电流为IS,在这个回路中没有电压降电流和超导磁铁磁感强度的大小要能使比较超导物体处于悬浮大学物理第21卷464196905已经在均匀性和含其它原子等方面很完善了,但还存在晶体结构缺陷以及氧、氮和碳的含量所以对单晶硅晶体的生长与加工方面还要进行技术改进与更新,特别是对氧化层的分析、测试和它对DD的影响必须了解清楚另外还要达到表3给出的、必须达到的测量不确定度指标看来还需要再进行5年或更多一点时间的研究,才能实现利用阿伏伽德罗常量NA更新质量“KG”定义利用功率天平将质量“KG”归结到普朗克常量H上的研究,如果方案可行,可能需要的时间还会更长一些因为,它牵连着国际计量单位制的更新17这样更新的国际计量单位制,其计量基本单位只有时间单位秒S是一个唯一的具有实际装置的基本单位量,其它的是3个基本物理常量,它们分别是真空光速值C0、普朗克常量H和电子电荷E在这个基础上国际计量单位制的其它单位如何导出、溯源等等,要有一个整体考虑,所以需要时间利用NA或H基本物理常量更新质量“KG”定义的方向是肯定的,为了消除存在系统误差的怀疑,在国际上应有3个以上研究室从事同一原理的独立研究但它们的测量结果以及这些结果的国际比对以及它们与原图11悬浮实验装置的原理状态超导物体悬浮的高度Z由激光干涉仪测出另一个回路是供电电路,通过的电流为ID,它由量子干涉器SQUID控制,使之严格与超导电流IS相等ID通过一个已知电阻R测出在超导线圈回路中具有约瑟夫森器件JJ,它由FJ频率照射可产生0或1的约瑟夫森电压UJUJFJH2EFJ00是磁通量在时间T内,线圈中的磁通量由L变化为H,其变化量为FJT0在这个时间内,两个回路的电流也由IL升高到IH,由于磁通的升高使之悬浮物体位置由ZL提到ZH设在时间T内输入的能量全部由线圈的磁能量转换为悬浮物体的势能,则可导出H8千克原器的比对的不确定度,要达到510因此,希望在20102020年国际计量大会上能通过更新质量“KG”定义UJITDT12HIHLILZHZLMG参考文献L测量是在悬浮物体处于不同高度时进行的因为磁通是从Z0,即电流为零到悬浮物体悬起的全部积分,所以磁通是完全知道的电流也是通过量子化霍尔效应和约瑟夫森效应测出,这样质量M就归结到普朗克常量H上这项实验在日本计量科学研究所进行,目前得到的测量不确定度为106,经过改进还可以提高另外,俄国门捷列夫计量科学研究院也开始了这一研究15GLAESERMPROPOSALFORNOVELMETHODOFPRECISELYDETERMININGTHEATOMICMASSBYACCUMULATIONOFIONSJREV,SCI,INSTR,1991,622493KIBBLEBPATOMICMASSESAUDFUNDAMENTALCONSTANS5MSAUNDERSJHANDWAPSTRAAH,EDS,1976541551全国计量测试学术大会文集A赵克功二十世纪的度量衡,二十一世纪的量子计量学C北京计量学报期刊社,19982634KIBBLEBP,ROBINSONIA,BELLISSJHAREALIZATIONOFTHESIWATTBYTHENPLMOVINGCOILBALANCEJMETROLOGIA,1990,27173OLSENPT,ETALAMEASUREMENTOFTHENBSELECTRICALWATTINSIUNITSJIEEE,TRANS,INSTRUM,ANDMEAS,1989,IM38238SHIOTAF,ETALABSOLUTEDETERMINATIONOFTHEMAGNETICFLUXQUANTUMUSINGSUPERCONDUCTINGLEVITATIONJIEEE,TRANS,IN2STRUM,ANDMEAS,1995,IM445831617186总结与展望国际计