2002年5月COLLEGEPHYSICSMAY2002當(dāng)代計(jì)量學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展更新計(jì)量基本單位質(zhì)量“KG”定義的研究續(xù)趙克功中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京101312年,實(shí)驗(yàn)裝置目前還在建設(shè)當(dāng)中,有所進(jìn)展目前能說(shuō)的是在圖8所示裝置中,如離子電流為10MA,連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)6天可以收集到10G的金原子當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)會(huì)遇到很多很多困難,如離子束的損耗等等問(wèn)題的影響,目前還不清楚實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想,即使都利用最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)也還再需要10年以上的時(shí)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(jiǎn)單一個(gè)離子源發(fā)射金離子到一個(gè)靜電屏蔽器法拉第籠內(nèi),然后與千克標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量M進(jìn)行比較,如圖7所示因?yàn)殡x子帶電,這樣在離子源和離子儲(chǔ)存器之間有帶電金離子流過(guò)形成一個(gè)電流IT,T為時(shí)間這個(gè)電流值IT與流過(guò)的金原子數(shù)成正比設(shè)收集到金離子從起始時(shí)刻到終止時(shí)刻T0到TM流過(guò)的總電荷為Q因?yàn)閱蝹€(gè)金離子的電量相當(dāng)於一個(gè)電子電荷E,在T0TM時(shí)間內(nèi)流過(guò)的總電量Q與單個(gè)電荷E之比,就是流過(guò)的金離子的總數(shù)NXMAU為單個(gè)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(cè)磁儀,QH量子化霍爾器件,JV約瑟夫森器件,FZ頻率計(jì)數(shù)器圖8收集金原子的實(shí)驗(yàn)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(jī)械與電功率的比較方法,是英國(guó)國(guó)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(gè)電磁力進(jìn)行比較電磁力F是由通過(guò)電流為I、導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)的線圈產(chǎn)生線圈與磁力線相互垂直時(shí)產(chǎn)生的磁通密度為B,當(dāng)天平達(dá)到平衡時(shí),有FIBLMG圖7PTB收集金離子實(shí)驗(yàn)裝置原理電流I通過(guò)量子化霍爾效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)測(cè)得,即IKEFJFJ為約瑟夫森頻率,K為校準(zhǔn)常數(shù)通過(guò)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(lái)TMMAUKFJTDT0這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)從開(kāi)始提出物理思想到組裝實(shí)驗(yàn)已有10當(dāng)代計(jì)量學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展連載第5期趙克功當(dāng)代計(jì)量學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展更新計(jì)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng),由它產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U被測(cè)量UVBL從上述兩個(gè)方程可以得到UIMGV這種方法與線圈的幾何形狀和磁場(chǎng)磁通量無(wú)關(guān),但需要準(zhǔn)確知道實(shí)驗(yàn)裝置所處地點(diǎn)的重力加速度G電功率可以通過(guò)約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)測(cè)量圖10瑞士計(jì)量科學(xué)研究所EAM的功率天平二者各有優(yōu)缺點(diǎn)如圖10所示,利用一套完整的滑動(dòng)的機(jī)械裝置可以準(zhǔn)確的使線圈在永久磁鐵磁場(chǎng)中垂直運(yùn)動(dòng)在這個(gè)裝置中,運(yùn)動(dòng)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(dòng)造成的滯后效應(yīng)被消除利用的比較天平是市場(chǎng)可購(gòu)置的01GSARTORIUS或METTLER2TOLEDO的比較天平,當(dāng)然還要作一些改進(jìn)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,還有一個(gè)重要問(wèn)題是準(zhǔn)確的確定線圈的運(yùn)動(dòng)速度為此,瑞士計(jì)量科學(xué)研究所與訥葉堡大學(xué)合作專門為這項(xiàng)任務(wù)發(fā)展了一臺(tái)激光干涉儀,為滿足3MMS的所需的精度要求對(duì)裝置周圍的技術(shù)環(huán)境,希望能利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)手段可以滿足要求特別是對(duì)溫度的要求,由于裝置變小,所以容易達(dá)到要求瑞士的裝置計(jì)劃在2000年初可以運(yùn)轉(zhuǎn)估計(jì)可將普朗克常量H的相對(duì)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(guò)功率天平精密測(cè)量如果,通過(guò)功率天平測(cè)定的H能達(dá)到所要求的精度,那么國(guó)際計(jì)量單位制會(huì)有一個(gè)全新的面貌,見(jiàn)文獻(xiàn)17目前英國(guó)的NPL和美國(guó)的NIST在進(jìn)行這項(xiàng)研究他們是直接與1KG的質(zhì)量進(jìn)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(gè)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(cè)量誤差的因素相當(dāng)多,對(duì)這些影響因素需要抑止、測(cè)試與補(bǔ)償修正和保證它們的測(cè)量都在所要求的測(cè)量精度范圍內(nèi)NPL的研究開(kāi)展了20余年,測(cè)得的H6626068911034JS,測(cè)量不確定度已達(dá)到了871081999年NPL18和NIST19的系統(tǒng)都作了進(jìn)一步改進(jìn),估計(jì)H值的測(cè)量不確定度又提高了一個(gè)量級(jí)1995年第20屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)CIPM要求國(guó)際上有能力的科學(xué)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(jìn)行不同的新探索瑞士國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究所EAM進(jìn)行了與NPL和NIST相同原理的研究,但它不是重復(fù)它們的實(shí)驗(yàn)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(méi)有確定是移動(dòng)磁鐵還是移動(dòng)線圈,2052磁懸浮實(shí)驗(yàn)該方法本身也是基于機(jī)械功率與電功率的比較,但它利用了超導(dǎo)物理效應(yīng)比較物體是由超導(dǎo)材料制成的,它可以在超導(dǎo)線圈中懸浮著線圈的磁通變化可以準(zhǔn)確確定,直到單個(gè)磁量子的變化這個(gè)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(guò)激光干涉儀測(cè)出當(dāng)然,這里有個(gè)假設(shè),即輸入的能量全部轉(zhuǎn)換為磁能和懸浮物體的勢(shì)能這樣,這個(gè)物體的質(zhì)量就可以溯源到普朗克常量H上當(dāng)然,人們也需要準(zhǔn)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(gè)電路一個(gè)是超導(dǎo)線圈的回路,通過(guò)的電流為IS,在這個(gè)回路中沒(méi)有電壓降電流和超導(dǎo)磁鐵磁感強(qiáng)度的大小要能使比較超導(dǎo)物體處于懸浮大學(xué)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(duì)單晶硅晶體的生長(zhǎng)與加工方面還要進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與更新,特別是對(duì)氧化層的分析、測(cè)試和它對(duì)DD的影響必須了解清楚另外還要達(dá)到表3給出的、必須達(dá)到的測(cè)量不確定度指標(biāo)看來(lái)還需要再進(jìn)行5年或更多一點(diǎn)時(shí)間的研究,才能實(shí)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(shí)間還會(huì)更長(zhǎng)一些因?yàn)?它牽連著國(guó)際計(jì)量單位制的更新17這樣更新的國(guó)際計(jì)量單位制,其計(jì)量基本單位只有時(shí)間單位秒S是一個(gè)唯一的具有實(shí)際裝置的基本單位量,其它的是3個(gè)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(gè)基礎(chǔ)上國(guó)際計(jì)量單位制的其它單位如何導(dǎo)出、溯源等等,要有一個(gè)整體考慮,所以需要時(shí)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(guó)際上應(yīng)有3個(gè)以上研究室從事同一原理的獨(dú)立研究但它們的測(cè)量結(jié)果以及這些結(jié)果的國(guó)際比對(duì)以及它們與原圖11懸浮實(shí)驗(yàn)裝置的原理狀態(tài)超導(dǎo)物體懸浮的高度Z由激光干涉儀測(cè)出另一個(gè)回路是供電電路,通過(guò)的電流為ID,它由量子干涉器SQUID控制,使之嚴(yán)格與超導(dǎo)電流IS相等ID通過(guò)一個(gè)已知電阻R測(cè)出在超導(dǎo)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(shí)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(gè)時(shí)間內(nèi),兩個(gè)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(shí)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(shì)能,則可導(dǎo)出H8千克原器的比對(duì)的不確定度,要達(dá)到510因此,希望在20102020年國(guó)際計(jì)量大會(huì)上能通過(guò)更新質(zhì)量“KG”定義UJITDT12HIHLILZHZLMG參考文獻(xiàn)L測(cè)量是在懸浮物體處于不同高度時(shí)進(jìn)行的因?yàn)榇磐ㄊ菑腪0,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(guò)量子化霍爾效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)測(cè)出,這樣質(zhì)量M就歸結(jié)到普朗克常量H上這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在日本計(jì)量科學(xué)研究所進(jìn)行,目前得到的測(cè)量不確定度為106,經(jīng)過(guò)改進(jìn)還可以提高另外,俄國(guó)門捷列夫計(jì)量科學(xué)研究院也開(kāi)始了這一研究15GLAESERMPROPOSALFORNOVELMETHODOFPRECISELYDETERMININGTHEATOMICMASSBYACCUMULATIONOFIONSJREV,SCI,INSTR,1991,622493KIBBLEBPATOMICMASSESAUDFUNDAMENTALCONSTANS5MSAUNDERSJHANDWAPSTRAAH,EDS,1976541551全國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)術(shù)大會(huì)文集A趙克功二十世紀(jì)的度量衡,二十一世紀(jì)的量子計(jì)量學(xué)C北京計(jì)量學(xué)報(bào)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(guó)際計(jì)