2002年5月COLLEGEPHYSICSMAY2002當代計量學的現(xiàn)狀和發(fā)展更新計量基本單位質(zhì)量“KG”定義的研究續(xù)趙克功中國計量科學研究院,北京101312年,實驗裝置目前還在建設(shè)當中,有所進展目前能說的是在圖8所示裝置中,如離子電流為10MA,連續(xù)運轉(zhuǎn)6天可以收集到10G的金原子當然,實驗會遇到很多很多困難,如離子束的損耗等等問題的影響,目前還不清楚實現(xiàn)上述設(shè)想,即使都利用最先進的科學技術(shù)也還再需要10年以上的時間4質(zhì)量“KG”溯源到金原子質(zhì)量上15把質(zhì)量“KG”溯源到金原子的質(zhì)量上,其原理簡單一個離子源發(fā)射金離子到一個靜電屏蔽器法拉第籠內(nèi),然后與千克標準的質(zhì)量M進行比較,如圖7所示因為離子帶電,這樣在離子源和離子儲存器之間有帶電金離子流過形成一個電流IT,T為時間這個電流值IT與流過的金原子數(shù)成正比設(shè)收集到金離子從起始時刻到終止時刻T0到TM流過的總電荷為Q因為單個金離子的電量相當於一個電子電荷E,在T0TM時間內(nèi)流過的總電量Q與單個電荷E之比,就是流過的金離子的總數(shù)NXMAU為單個金原子的質(zhì)量,其單位為千克,則金原子的總質(zhì)量為T0ITDTIQ離子源,QL四端網(wǎng)絡(luò)磁透鏡,MS質(zhì)譜分離器,AM偏轉(zhuǎn)磁鐵,MK質(zhì)量比較儀,CSK低溫電流比較儀,SM量子干涉SQUID測磁儀,QH量子化霍爾器件,JV約瑟夫森器件,FZ頻率計數(shù)器圖8收集金原子的實驗裝置QMMAUEMAUE5另外幾種更新質(zhì)量單位“KG”定義的設(shè)想51電功率天平這是一種機械與電功率的比較方法,是英國國家物理研究所NPLBKIBBLE提出的設(shè)想16,其原理如圖9所示它由兩部分組成,第一部分為在天平的一端放有質(zhì)量為M的物體,由于地心引力重力加速度G所產(chǎn)生的重力MG與另一端的一個電磁力進行比較電磁力F是由通過電流為I、導線長度為L的線圈產(chǎn)生線圈與磁力線相互垂直時產(chǎn)生的磁通密度為B,當天平達到平衡時,有FIBLMG圖7PTB收集金離子實驗裝置原理電流I通過量子化霍爾效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)測得,即IKEFJFJ為約瑟夫森頻率,K為校準常數(shù)通過上式我們可以將宏觀的質(zhì)量M與微觀質(zhì)量MAU聯(lián)系起來TMMAUKFJTDT0這項實驗從開始提出物理思想到組裝實驗已有10當代計量學的現(xiàn)狀和發(fā)展連載第5期趙克功當代計量學的現(xiàn)狀和發(fā)展更新計量基本單位45圖9功率天平的原理另一部分是線圈以速度V在磁場中運動,由它產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U被測量UVBL從上述兩個方程可以得到UIMGV這種方法與線圈的幾何形狀和磁場磁通量無關(guān),但需要準確知道實驗裝置所處地點的重力加速度G電功率可以通過約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)測量圖10瑞士計量科學研究所EAM的功率天平二者各有優(yōu)缺點如圖10所示,利用一套完整的滑動的機械裝置可以準確的使線圈在永久磁鐵磁場中垂直運動在這個裝置中,運動的部分與天平稱重部分是完全分離的,天平的平衡狀態(tài)不受干擾,所以,由于天平臂的轉(zhuǎn)動造成的滯后效應(yīng)被消除利用的比較天平是市場可購置的01GSARTORIUS或METTLER2TOLEDO的比較天平,當然還要作一些改進在這個實驗中,還有一個重要問題是準確的確定線圈的運動速度為此,瑞士計量科學研究所與訥葉堡大學合作專門為這項任務(wù)發(fā)展了一臺激光干涉儀,為滿足3MMS的所需的精度要求對裝置周圍的技術(shù)環(huán)境,希望能利用現(xiàn)有的科學技術(shù)手段可以滿足要求特別是對溫度的要求,由于裝置變小,所以容易達到要求瑞士的裝置計劃在2000年初可以運轉(zhuǎn)估計可將普朗克常量H的相對精度確定到1108PUIKF2HJH為普朗克常量最后得到質(zhì)量M為1MKF2HJGV這里應(yīng)用的基本物理常量H可通過功率天平精密測量如果,通過功率天平測定的H能達到所要求的精度,那么國際計量單位制會有一個全新的面貌,見文獻17目前英國的NPL和美國的NIST在進行這項研究他們是直接與1KG的質(zhì)量進行比較,需要產(chǎn)生1KG的電磁力所以,它們的裝置都十分龐大在NPL的裝置上產(chǎn)生這個電磁力所用之永久磁鐵的質(zhì)量為幾噸,切割磁力線的線圈需要由吊車吊起它的零位也需要調(diào)整因此,影響測量誤差的因素相當多,對這些影響因素需要抑止、測試與補償修正和保證它們的測量都在所要求的測量精度范圍內(nèi)NPL的研究開展了20余年,測得的H6626068911034JS,測量不確定度已達到了871081999年NPL18和NIST19的系統(tǒng)都作了進一步改進,估計H值的測量不確定度又提高了一個量級1995年第20屆國際計量大會CIPM要求國際上有能力的科學研究院所從事質(zhì)量“KG”定義更新的研究,為此,一些研究所進行不同的新探索瑞士國家計量科學研究所EAM進行了與NPL和NIST相同原理的研究,但它不是重復它們的實驗瑞士的比較質(zhì)量為100G,所需磁鐵的質(zhì)量只有幾千克,因此,它們的裝置大大的減小了其裝置如圖10目前,EAM還沒有確定是移動磁鐵還是移動線圈,2052磁懸浮實驗該方法本身也是基于機械功率與電功率的比較,但它利用了超導物理效應(yīng)比較物體是由超導材料制成的,它可以在超導線圈中懸浮著線圈的磁通變化可以準確確定,直到單個磁量子的變化這個磁通的變化作用在懸浮物體上,使懸浮物體有一高低位置的變化,它通過激光干涉儀測出當然,這里有個假設(shè),即輸入的能量全部轉(zhuǎn)換為磁能和懸浮物體的勢能這樣,這個物體的質(zhì)量就可以溯源到普朗克常量H上當然,人們也需要準確地知道裝置所處位置的重力加速度G其原理如圖11所示圖11表示了兩個電路一個是超導線圈的回路,通過的電流為IS,在這個回路中沒有電壓降電流和超導磁鐵磁感強度的大小要能使比較超導物體處于懸浮大學物理第21卷464196905已經(jīng)在均勻性和含其它原子等方面很完善了,但還存在晶體結(jié)構(gòu)缺陷以及氧、氮和碳的含量所以對單晶硅晶體的生長與加工方面還要進行技術(shù)改進與更新,特別是對氧化層的分析、測試和它對DD的影響必須了解清楚另外還要達到表3給出的、必須達到的測量不確定度指標看來還需要再進行5年或更多一點時間的研究,才能實現(xiàn)利用阿伏伽德羅常量NA更新質(zhì)量“KG”定義利用功率天平將質(zhì)量“KG”歸結(jié)到普朗克常量H上的研究,如果方案可行,可能需要的時間還會更長一些因為,它牽連著國際計量單位制的更新17這樣更新的國際計量單位制,其計量基本單位只有時間單位秒S是一個唯一的具有實際裝置的基本單位量,其它的是3個基本物理常量,它們分別是真空光速值C0、普朗克常量H和電子電荷E在這個基礎(chǔ)上國際計量單位制的其它單位如何導出、溯源等等,要有一個整體考慮,所以需要時間利用NA或H基本物理常量更新質(zhì)量“KG”定義的方向是肯定的,為了消除存在系統(tǒng)誤差的懷疑,在國際上應(yīng)有3個以上研究室從事同一原理的獨立研究但它們的測量結(jié)果以及這些結(jié)果的國際比對以及它們與原圖11懸浮實驗裝置的原理狀態(tài)超導物體懸浮的高度Z由激光干涉儀測出另一個回路是供電電路,通過的電流為ID,它由量子干涉器SQUID控制,使之嚴格與超導電流IS相等ID通過一個已知電阻R測出在超導線圈回路中具有約瑟夫森器件JJ,它由FJ頻率照射可產(chǎn)生0或1的約瑟夫森電壓UJUJFJH2EFJ00是磁通量在時間T內(nèi),線圈中的磁通量由L變化為H,其變化量為FJT0在這個時間內(nèi),兩個回路的電流也由IL升高到IH,由于磁通的升高使之懸浮物體位置由ZL提到ZH設(shè)在時間T內(nèi)輸入的能量全部由線圈的磁能量轉(zhuǎn)換為懸浮物體的勢能,則可導出H8千克原器的比對的不確定度,要達到510因此,希望在20102020年國際計量大會上能通過更新質(zhì)量“KG”定義UJITDT12HIHLILZHZLMG參考文獻L測量是在懸浮物體處于不同高度時進行的因為磁通是從Z0,即電流為零到懸浮物體懸起的全部積分,所以磁通是完全知道的電流也是通過量子化霍爾效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)測出,這樣質(zhì)量M就歸結(jié)到普朗克常量H上這項實驗在日本計量科學研究所進行,目前得到的測量不確定度為106,經(jīng)過改進還可以提高另外,俄國門捷列夫計量科學研究院也開始了這一研究15GLAESERMPROPOSALFORNOVELMETHODOFPRECISELYDETERMININGTHEATOMICMASSBYACCUMULATIONOFIONSJREV,SCI,INSTR,1991,622493KIBBLEBPATOMICMASSESAUDFUNDAMENTALCONSTANS5MSAUNDERSJHANDWAPSTRAAH,EDS,1976541551全國計量測試學術(shù)大會文集A趙克功二十世紀的度量衡,二十一世紀的量子計量學C北京計量學報期刊社,19982634KIBBLEBP,ROBINSONIA,BELLISSJHAREALIZATIONOFTHESIWATTBYTHENPLMOVINGCOILBALANCEJMETROLOGIA,1990,27173OLSENPT,ETALAMEASUREMENTOFTHENBSELECTRICALWATTINSIUNITSJIEEE,TRANS,INSTRUM,ANDMEAS,1989,IM38238SHIOTAF,ETALABSOLUTEDETERMINATIONOFTHEMAGNETICFLUXQUANTUMUSINGSUPERCONDUCTINGLEVITATIONJIEEE,TRANS,IN2STRUM,ANDMEAS,1995,IM445831617186總結(jié)與展望國際計