摆动周期法实现质量量子基准

在质量传递和溯源过程中测量的是质量量值，而国内外进行的建立量子质量基准的工作中，都是通过测量砝码的重力来导出质量量值的，涉及到重力加速度、空气浮力等因素，影响了测量结果的准确性。本申请书提出了一种摆动周期法实现质量量子基准的新方案，不再测量力而是直接测量砝码的惯性质量，避免了重力加速度、空气浮力的影响。具体实施时是使挂在天平上的砝码受到一套线圈之间的弹性力的作用。砝码的摆动周期只与砝码的惯性质量及弹性力有关。基于我国已完成的量子化霍尔电阻基准及频率量值可以测出线圈之间的互感从而求出弹性力的准确数值。弹性力及摆动周期测出后即可导出砝码的惯性质量。同时，线圈产生的弹性力只需几十mN（相当于几克到几十克物体的重力），无需产生接近1公斤的电磁力，线圈发热也可大大减小。因此本方案消除了国内外方案中的一些高难度问题。因此本方案简单易行，准确度高，与国内外现有方案相比有很多优点，值得进行探索。

本项目提出了一种“摆动周期法”的惯性质量测量方案。该方案通过测量一架天平在不同砝码和不同静电准弹性力作用下摆动周期的变化，建立了电学单位和SI单位的联系，进而推导出砝码惯性质量量值和普朗克常数值。摆动周期法利用天平边刀将质量和质量积分量（质心、转动惯量）解耦，避免了传统复摆测量惯性质量时质心难以测量的缺陷；利用双Kelvin电容系统产生准弹性静电力改变摆动天平的摆动周期，用屏蔽电极将三维电磁力转化为一维问题，避免了用线圈系统时困难的准直问题；加在Kelvin电容极板上的电压最高只需1.6kV，电阻分压器的温度特性和电压特性被极大的改善；空气浮力和重力为非弹性力，不会对测量结果产生影响，故摆动周期法对真空条件的要求大大降低。.本项目建立了摆动周期法的基本理论框架。推导了摆动天平的基本方程，给出了砝码质量和普朗克常数之间的联系方程。用保角变换推导了Kelvin电容器静电力计算公式，建立了双Kelvin电容系统的准弹性模型。分析了摆动周期法存在的非线性效应，在相平面上推导了摆动天平的运动方程，计算了天平运动的极限环和稳定域。.在理论分析的基础上，项目组研制了一套摆动周期法试验装置。该装置包括摆动天平主体、自动加减砝码系统、传感器系统（位移传感器、速度传感器）、负阻能量控制系统、双开尔文电容器系统、高精度电压源和悬挂电极位置测量系统等，并编制了测量控制和数据处理软件，并实现了整套装置的自动测量和数据采集、处理与存储。采用本装置测量天平在加载不同砝码和不同静电力情况下摆动周期的不确定度小于1E-5，测量得到的普朗克常数数值为6.624851E-34Js，与CODATA2010推荐值的偏差约为-1.85E-4，不确定度为5E-4。