天平法质量量子基准准直若干关键技术研究

发布时间：2020-02-17 04:40

【摘要】：质量量子基准研究于2012年被《Nature》杂志评为世界六大难题之一。目前,质量单位千克是国际单位制(SI)中唯一一个仍依靠实物基准来复现的基本单位。2014年国际数据委员会(CODATA)基本物理常数工作组形成决议,拟于2018年实现用基本物理常数重新定义质量基本单位。在建立质量量子基准的过程中,利用普朗克常数h可导出质量量子基准的量值。目前,天平法正是利用溯源到电学量子基准的方法实现普朗克常数h的精密测量。天平法实现质量量子基准的基本原理,是通过机械功率(能量)与电功率(能量)平衡来实现质量单位的复现,它必须通过复杂的机械装置来实现,涉及准直参数众多,包括机械、光学和电学众多领域。准直问题决定了天平法实现质量量子基准的准确度,是当前各国天平法研究面对的最核心问题。本文在天平法实现质量量子基准理论的基础上,对功率(能量)天平法领域目前存在的准直问题进行了深入研究,系统地分析了功率天平法中动态准直和能量天平法中全路径各点静态准直参数的需求、内涵和关键技术,并提出和研究了磁体磁场准直、悬挂线圈准直和光束竖向准直的新方法,完成的主要研究内容如下:(1)剖析并提炼了天平法质量量子基准装置中的准直问题,建立其对测量结果影响的作用模型。在功率(能量)天平理论模型基础上,系统地研究了功率天平法和能量天平法实现质量量子基准的准直理论模型,仿真验证了磁体磁场准直、悬挂线圈准直和光束竖向准直对普朗克常数测量精度的影响,为相应解决方法的提出奠定了理论基础。(2)针对现有技术只能通过间接手段保证磁场平面的水平调整,磁场平面完全依赖于磁体的加工、装配水平这一问题,提出了一种基于绕竖直基准旋转扫描的直接式磁场平面水平准直方法。该方法以高精度电子水平仪搭建的竖直轴向标准作参考,通过测量并分析霍尔高斯计绕该竖直轴向标准旋转扫描一周的结果,实现磁场水平度的直接测量,根据该旋转扫描结果调整磁场平面,确保磁场平面的水平准直;建立了该磁场平面水平度测量方法的精确数学模型;分析了附加平面霍尔效应和磁场垂直固有分量引入的误差模型,并对其进行了消除和抑制。(3)针对现有角锥镜配合PSD测量悬挂线圈姿态过程中存在的多自由度耦合问题,提出了一种基于磁体磁场水平基准的悬挂线圈水平准直测量方法。该方法以磁体磁场准直为基础,利用固定在悬挂线圈侧面成120°分布的三个平面电容位移传感器测量与外磁轭的相对位移,平面电容位移传感器中电容极板由同一平面内位置固定的两个电容极板构成,磁体外磁轭作为平面电容的屏蔽接地,外磁轭与固定在悬挂线圈上的平面电容距离变化会影响电容的大小,根据电容变化与位移的线性关系确定位移变化,最终实现悬挂线圈水平姿态的精密测量和调整。(4)针对现有液面式水平基准反射率低、液面曲率限制准直精度、缺乏工作状态下灵活性的问题,提出了一种基于回转调平式平面镜水平基准的光束竖向准直方法。该方法将竖直轴向基准传递到平面镜的水平调整上,得到一平面基准,利用该平面基准实现激光光束竖向准直。(5)通过实验对三种准直方法进行了验证。本文的研究工作为功率(能量)天平法实现质量量子基准准直研究中磁体磁场准直提供了一种直接测量和评估方法,使得磁体磁场准直引入的标准不确定度由间接保证的100μrad减小到确定值42.3μrad;以其为基准,使得基于磁体水平基准的悬挂线圈准直引入的标准不确定度达到71μrad;为激光干涉仪测量光束竖向准直提供一种工作状态下光束竖向准直的新方法,使得光束竖向准直方法引入的标准不确定度达到41μrad。以上准直方法对天平法质量量子基准研究中普朗克常数测量的影响均达到10-9量级。从而使本文提出的准直方法为天平法实现质量量子基准研究中的准直若干问题,提供了有效解决办法。
【图文】：

普朗克常数

动态测量对测量设备及方法的依赖要小。最新测量普朗克常数结确定度为 2.6 ×10-6，与 2010 年 CODATA 推荐值的偏差为 5×10-6行第二代能量天平的研究工作，第二代能量天平全新设计的运动磁体，有望达到更好的测量结果和不确定度。图 1-2 为当前各个室测量普朗克常数的最新结果。

示意图,功率天平,原理,速度模式

图 2-1 功率天平原理示意图Fig.2-1 Schematic of watt balance(a) 称力模式 (a) Weighing phase(b) 速度模式 (b) Speed phase(2-1)和式(2-2)，即两种测量模式的数学表达式，，消
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH715.11

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