普朗克常数的精密测量及质量单位千克的重新定义

The precise measurement of the Planck constant and the redefinition of the mass unit kilogram with the Planck constant to establish a kind of quantum mass standard is a hot research topic in measurement and metrology field. Several approaches, such as watt balance method, silicon sphere method, etc., have been proposed for this purpose. So far, National Research Council of Canada (NRC), National Institute of Standards and Technology of USA (NIST), and International Avogadro Cooperation (IAC) have published measurement results with an uncertainty of several parts in E8, but not all of their results can agree with each other and the requirement of the CCM – Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM) of International Committee of Weights and Measures (CIPM) has not been fulfilled yet. CIPM requires that at least three results should be published with different approaches before the final determination of the Planck constant and the redefinition of the kilogram. Thus, some more new results, especially those obtained with new approach in principle, are expected very much. To actively join the redefinition of the mass unit kilogram and make China’s contribution for the important change of the International System of Units, the applicant and his team has proposed a new approach named “Joule balance method”, which is different from the watt balance method widely used in other countries’ national institutes. The main advantage of the joule balance is that the trouble from the dynamic measurement is avoided. Since 2007, with the support from the Ministry of Science and Technology of China (MOST), we have put a lot of efforts on the research of this new approach. At present, it has been verified with an uncertainty of several parts in E6. To decrease the uncertainty contributions founded in the existing joule balance experiment apparatus, we have proposed a series of corresponding solutions. Some of the solutions has been test and verified. The measurement result with an uncertainty of several parts in E7 or better could be expected. We wish contribute the final determination of the new Planck constant and the redefinition of the mass unit kilogram.

精密测量普朗克常数及用普朗克常数重新定义质量单位千克，是国际上急需解决的科学难题之一，国际上已提出功率天平和硅球法等方案进行研究。目前，加、美、德等国的测量结果虽然达到了E-8量级的不确定度，但数据之间差异在E-7量级，仍不满足重新定义质量单位的条件。国际计量委员会要求至少有三种独立方案提供有效测量数据，以确保重新定义的可靠。为积极参与这一重大变革，避免我国将来无法独立复现质量单位，申请人于2007年提出了基于电磁能与机械势能平衡的能量天平法测量普朗克常数，其优点是避免了国外方案中动态测量的困难；经过近7年的研究，测量普朗克常数的不确定度达到 E-6量级，验证了新方案原理可行。本项申请拟在前期研究基础上，针对现有试验装置中几项主要的不确定度来源，提出切实有效的削弱和抑制方案并研制新装置，有望大幅减小不确定度至E-7量级甚至更小，为普朗克常数的最终定值和质量单位千克的重新定义做出我国的贡献。

普朗克常数的精密测量及利用普朗克常数定义质量单位千克，是国际计量领域的前沿和热点课题。为了积极参与国际单位制的重大变革，建立我国的质量量子基准装置，项目组提出了能量天平方案测量普朗克常数。在重大研究计划的支持下，经过4年多的研究，项目组研制成NIM-2能量天平试验装置，对1颗铂铱合金砝码测量的相对标准不确定度达到了5.2 E-8，完成了项目任务书的指标，成为继加、美、法和国际计量局之后，第5个利用电天平法实现了E-8量级测量结果的实验室。能量天平法也成为了国际上复现千克新定义的三种方法之一，并已经报名参加了国际计量局组织的国际关键比对。.项目组首先对能量天平方案的原理和准直模型等进行了分析和完善，对关键的测量原理或系统进行了仿真分析，从顶层设计上消除了前期研究中存在的主要的不确定度来源。2016年12月，项目组初步研制成NIM-2能量天平试验装置，实现了真空环境下自动化测量与数据处理。.2017年5月，项目组发表了NIM-2能量天平在真空中的首次测量结果，测量结果的相对标准不确定度为2.4E-7。虽然此次结果未能进入E-8的不确定度量级，作为一种独立的方案，已在国际上取得了最快的研究进展（美、加、德、日等国已经有了30余年的研究积累，我国于2007年才提出能量天平并开始研究），仍受到国际上的重视和关注。.自2017年7月，项目组开始对NIM-2能量天平装置进行改进研究，研制成永磁磁体、双层磁屏蔽和补偿线圈等系统，对外磁场的影响进行消除；研制成一种双重铰链结构，使得悬挂线圈和砝码盘充分解耦，确保了悬挂线圈产生的电磁力与砝码的重力的作用点一致。改进准直测量模型及调控系统，使得准直性能得到较大的改善。以上措施大幅改进了能量天平装置的A类和B类不确定度，其中A类相对标准不确定度已降至3E-8。.2019年10月，NIM-2能量天平装置参加了国际计量局主导的千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019），在真空环境下对两颗1kg比对样品的质量进行了测量。其中铂铱合金砝码的测量结果的相对标准不确定度为5.2E-8；不锈钢砝码的测量结果的相对标准不确定度为6.5E-8。.由于此项比对将连续进行三次、每两年一次，因此，项目组将继续深入研究，以进一步降低能量天平装置的测量不确定度，并增强其长期稳定性，为最终建立我国独立自主的千克复现装置而努力。