能量天平质量量子基准关键问题研究

The precise measurement of the Planck constant and the redefinition of the mass unit kilogram with the Planck constant are the urgent scientific problems to be resolved in the metrology field across the world. The watt balance and silicon sphere method are the two mainstream methods proposed for the problems. To avoid the difficulty of dynamic measurement in the watt balance, the joule balance is proposed by China independently to realize the quantum standard of the mass. By 2017, the uncertainty of the second generation of joule balance is reduced to 2.4×10-7. The effect of the external field, the statistical uncertainty and alignment uncertainty are the three largest uncertainty sources in the uncertainty budget. The uncertainty resulting from these three problems is 1.7×10-7, 0.9×10-7 and 0.9×10-7 respectively. The three key problems prevent the further reduction of the uncertainty of joule balance to several parts of 108. Hence, in this project, the mathematical model and influence mechanism of the three key problems will be analyzed. Several improvement methods such as compensation coils, magnetic shielding, active damping device and new measurement procedure based on the bifilar coils will be applied to reduce the uncertainty of the three key problems. Finally, the measurement uncertainty of the joule balance can be reduced to the level of 10-8. Then the joule balance can make great contributions to the redefinition and realization of the mass in the near future.

精密测量普朗克常数以及采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。功率天平法和硅球法是国际上两种主流的研究方案，而能量天平法是我国独立提出的实现质量量子基准的新方案，避免了国外功率天平方案中动态测量的困难。到2017年，第二代能量天平装置测量不确定度达到了2.4×10-7。其中，外磁场影响，统计不确定度，准直不确定度为三项最大的不确定度来源，引入的不确定度分别为1.7×10-7，0.9×10-7，0.9×10-7。这三个关键性问题是目前限制能量天平法进入10-8量级测量不确定度的主要因素。所以，本项目将针对这三项关键问题，对其各自的数学模型与影响机理分别进行研究。并将采用补偿线圈、磁屏蔽、主动阻尼以及基于双绞线圈的新型测量方式等多种改进措施，来降低各项引入的不确定度。最终使得能量天平法整体测量不确定度水平降低到10-8量级，为质量的重新定义和日后的质量复现做出重要的贡献。

随着经济社会的快速发展，以实物为基准来传递量值越来越不适应精确测量的需要。量子理论和技术的发展，催生国际计量单位制不断发生量子化变革。2019年5月20日“世界计量日”起，已经正式实施全面重新定义的国际单位制。其中，质量单位千克采用普朗克常数进行重新定义，从而结束了“千克原器”一百多年的历史使命，克服了质量实物基准随时间与空间发生变化的固有缺陷。. 功率天平法和硅球法是国际上两种主流的将质量溯源至普朗克常数的方案，而能量天平法是我国独立提出的新方案，避免了国外功率天平方案中动态测量的困难。到2017年，第二代能量天平装置测量不确定度达到了2.4×10-7。其中，外磁场影响，统计不确定度，准直不确定度为三项最大的不确定度来源，引入的不确定度分别为1.7×10-7，0.9×10-7，0.9×10-7。这三个关键性问题是限制能量天平法进入10-8量级测量不确定度的主要因素。所以，本项目针对这三项关键问题，分别进行了详细的分析，并提出了可行的解决方案，取得了如下研究成果：.1）建立了外磁场在能量天平测量过程中的数学模型，通过有限元仿真计算以及对外磁场磁链差的测量实验，验证了外磁场的影响量级。在保留能量天平自身优点的前提下，利用有限的几何空间，设计了合理的补偿线圈与磁屏蔽装置，大大降低了外磁场引入的不确定度。.2）提出了基于双绞线圈的能量天平新型测量方法，消除了线圈电流对磁场的影响，降低了准直误差与磁场温度效应的影响，从而降低了测量数据的分散性。.3）完善了能量天平准直误差的数学模型，并通过采用新型的主动阻尼装置，实现了对悬挂线圈五个自由度的控制。不仅抑制了线圈的晃动，同时减小了准直误差。. 最终，使得能量天平整体测量不确定度水平降低到10-8量级。在首次国际千克复现方法关键比对中，我国能量天平装置测量结果与千克约定值之间的相对偏差为-1.2×10-8，相对不确定度为4.5×10-8，测量能力达到世界前列。从而，为质量单位的重新定义和复现做出了重要的贡献。