專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建立質(zhì)量量子計(jì)量基準(zhǔn)的方法。
背景技術(shù)：
目前在世界范圍內(nèi)廣泛使用的國際單位制SI有時(shí)間單位秒、長(zhǎng)度單位米、質(zhì)量單 位千克、電流單位安培、溫度單位開爾文、光度單位坎德拉、物質(zhì)量單位摩爾七個(gè)基本單位。 其他各種單位均可從這七個(gè)基本單位導(dǎo)出。用于保存和復(fù)現(xiàn)基本單位的裝置就是準(zhǔn)確度等 級(jí)最高的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)——計(jì)量基準(zhǔn)。19世紀(jì)下半葉到20世紀(jì)上半葉，各國建立起了經(jīng)典的計(jì)量基準(zhǔn)。這些計(jì)量基準(zhǔn)一 般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理，用某種特別穩(wěn)定的實(shí)物來實(shí)現(xiàn)，故稱為實(shí)物基準(zhǔn)。例如一個(gè)保 存在巴黎國際計(jì)量局(BIPM)的鉬銥合金圓柱——千克原器砝碼的質(zhì)量就定義為質(zhì)量單位 千克，按X型截面的鉬銥合金米尺上兩根刻線間距離定義長(zhǎng)度單位米，等等。計(jì)量基準(zhǔn)是保證整個(gè)計(jì)量工作準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)。但也正是由于其重要性，不能經(jīng)常 使用。為了使產(chǎn)業(yè)界能夠使用準(zhǔn)確的計(jì)量量值，需要建立一種量值傳遞檢定網(wǎng)。以最常見 的稱重計(jì)量為例，最高等級(jí)的質(zhì)量計(jì)量基準(zhǔn)是保存在巴黎國際計(jì)量局的鉬銥合金千克砝碼 原器。每數(shù)年一次各國的中央計(jì)量機(jī)構(gòu)把它們的國家基準(zhǔn)千克砝碼運(yùn)到巴黎與砝碼原器進(jìn) 行比對(duì)以得到各國基準(zhǔn)砝碼的準(zhǔn)確量值，然后再由各國自行向下傳遞質(zhì)量量值。我國則已 建立了國家、省、市(縣)等各級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)。這些計(jì)量機(jī)構(gòu)都保存著它們的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，并按 照國家級(jí)——省級(jí)——市、縣級(jí)——企業(yè)的金字塔式的計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)依次向下傳 遞量值，開展日常的計(jì)量檢定工作。19世紀(jì)以來，各國的計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)給產(chǎn)業(yè)界提供了計(jì)量服務(wù)，確實(shí)在幫 助產(chǎn)業(yè)界提升產(chǎn)品品質(zhì)的工作中做出了貢獻(xiàn)。但是，隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這樣的傳統(tǒng) 計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)開始反映出下列的不足之處1.最高的計(jì)量基準(zhǔn)為某種實(shí)物(例如千克砝碼原器是一個(gè)鉬銥合金圓柱體)，就 有其固有的缺點(diǎn)。盡管這些實(shí)物基準(zhǔn)是用19世紀(jì)末工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝 制成，在當(dāng)時(shí)也滿足了對(duì)于計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的要求，但是這樣的實(shí)物基準(zhǔn)一旦 制成后，總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使其特性發(fā)生緩慢的變化，因而它們所保存 的量值也會(huì)有所改變。以上述鉬銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內(nèi)部的 氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會(huì)使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此 種逐年積累的變化的準(zhǔn)確數(shù)量也很難確切查明。2.最高等級(jí)的實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)全世界只有一個(gè)或一套，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭(zhēng)或其他 原因發(fā)生意外損壞，就無法完全一模一樣地復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會(huì)因之 中斷。3.量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜，從最高等級(jí)的實(shí)物基準(zhǔn)到具體應(yīng)用場(chǎng)所，量值要 經(jīng)過多次傳遞，準(zhǔn)確度也必然會(huì)有所下降。上述問題已經(jīng)使傳統(tǒng)的量值傳遞檢定系統(tǒng)日益不能適應(yīng)需要。20世紀(jì)下半葉以來與傳統(tǒng)的實(shí)物基準(zhǔn)完全不同的量子計(jì)量基準(zhǔn)的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了全新的途徑。量子計(jì)量基準(zhǔn)基于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是微觀粒子的態(tài)和能級(jí)的概念。即 使物體的宏觀參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生了緩慢變化，也不會(huì)影響物體中微觀粒子的態(tài)和能級(jí)。這樣， 如果利用量子現(xiàn)象來復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位，就可以從原則上消除各種宏觀參數(shù)不穩(wěn)定產(chǎn)生的影 響，所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位不再會(huì)發(fā)生緩慢漂移，計(jì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度可以達(dá)到空前的 高度。更重要的一點(diǎn)是量子躍遷現(xiàn)象可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)用原理相同的裝置重復(fù)產(chǎn) 生。不像實(shí)物基準(zhǔn)是特定的物體，一旦由于事故而毀傷，就不可能再準(zhǔn)確復(fù)制。因此用量子 現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位對(duì)于保持計(jì)量基準(zhǔn)量值的高度連續(xù)性也有重大的價(jià)值。此類用量子現(xiàn)象 復(fù)現(xiàn)量值的計(jì)量基準(zhǔn)統(tǒng)稱為量子計(jì)量基準(zhǔn)。目前，SI單位制七個(gè)基本單位中已經(jīng)有三個(gè)實(shí)現(xiàn)了由量子計(jì)量基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)其量值。 如復(fù)現(xiàn)時(shí)間單位的銫原子鐘，復(fù)現(xiàn)長(zhǎng)度單位的激光波長(zhǎng)，復(fù)現(xiàn)電流單位的約瑟夫森電壓基 準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)等。另外的兩個(gè)基本單位，即溫度單位和物質(zhì)量單位也即將用相 應(yīng)的量子基準(zhǔn)來復(fù)現(xiàn)。至于光度單位，由于與人眼感光特性有關(guān)，能否用量子基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)尚在 討論中。目前最為人們所關(guān)心的是質(zhì)量單位千克的問題。質(zhì)量單位千克在科研、生產(chǎn)、貿(mào)易以至日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，目前這個(gè)十分 重要的基本單位仍由保存在國際計(jì)量局BIPM的實(shí)物基準(zhǔn)--鉬銥合金千克砝碼原器來復(fù) 現(xiàn)。穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度已明顯跟不上時(shí)代的要求。人們 非常希望建成某種量子基準(zhǔn)來替代 這個(gè)僅存的實(shí)物基準(zhǔn)。上世紀(jì)70年代英國NPL的B. P. Kibble博士就開始探索用電磁力 與砝碼重力平衡的方法建立基于電學(xué)量子基準(zhǔn)的質(zhì)量量子基準(zhǔn)。后來美國的NIST，瑞士的 METAS，法國的BW，國際計(jì)量局BIPM等國際上著名的計(jì)量研究所也開始了此方面的研究。 各國使用的方案大同小異，統(tǒng)稱為“瓦特天平”方案?！巴咛靥炱?，，方案的基本思路是把通以電流的載流線圈掛在天平上，同時(shí)放入磁場(chǎng) 中。如圖1所示。線圈上受到的電磁作用力與砝碼上的重力相平衡，就可由電磁量導(dǎo)出砝碼 質(zhì)量的量值。目前，電磁量已均可溯源到約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)。因 此用“瓦特天平”導(dǎo)出的砝碼質(zhì)量的量值也就溯源到了這兩種量子基準(zhǔn)。這樣，質(zhì)量量子基 準(zhǔn)就可藉助電學(xué)量子基準(zhǔn)而建立起來?！巴咛靥炱健狈桨改壳斑_(dá)到的不確定度約為5X10_8。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中“瓦特天平”的示意圖?？煽吹?，一個(gè)圓形的“可動(dòng)線圈”掛在 天平秤的一端。“可動(dòng)線圈”中通以電流I。該線圈同時(shí)處于半徑方向的磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng) 度為B。線圈上所受的力為垂直方向，大小為
F = I^xll) (1)其中的巧表示載流線圈的微分段向量，閉合環(huán)路積分沿著整個(gè)線圈回路進(jìn)行。被 積分式括號(hào)右下方的角標(biāo)ζ表示只取該向量式的ζ方向分量。徑向磁場(chǎng)可以用同軸型的磁 鐵得到)，也可以用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生。當(dāng)線圈上的電磁力F用砝碼m上所受的重力平衡時(shí)，就有
mg = /^(5x J/) (2) 此式左面的g為重力加速度，m為待確定的質(zhì)量。g和(2)式右面的電流I均可以很高的準(zhǔn)確度測(cè)定，因此只要能求出(2)式右面的閉合環(huán)路積分，就可求出質(zhì)量m 了。但 是，這個(gè)閉合環(huán)路積分之值取決于線圈的幾何形狀以及載流線圈的微分段向量3所處位置 處的磁感應(yīng)強(qiáng)度向量云，是一個(gè)十分復(fù)雜的函數(shù)，很難準(zhǔn)確測(cè)定。為了解決這個(gè)難題，“瓦特 天平”方案的倡議人，Kibble博士提出了一個(gè)相當(dāng)巧妙的方法。他把整個(gè)實(shí)驗(yàn)分成兩步來 做。第一步就如圖1所示的那樣，使“可動(dòng)線圈”上的電磁力F和砝碼m上所受的重力相平 衡。第二步則如圖2所示。此時(shí)“可動(dòng)線圈”開路，不通電流，并讓天平擺動(dòng)，使線圈在垂直 方向以速度v運(yùn)動(dòng)。由于“可動(dòng)線圈”切割了磁力線，在線圈兩端將可測(cè)量到感應(yīng)電動(dòng)，如 (3)式所示。
<formula>formula see original document page 5</formula>當(dāng)“可動(dòng)線圈”在垂直方向移動(dòng)時(shí)，速度向量v只有z方向的分量vz。(3)式就成為<formula>formula see original document page 5</formula>比較⑵與⑷式，可以看到兩個(gè)公式右面的閉合環(huán)路積分相同。把兩式相除就 消去了閉合環(huán)路積分而得到<formula>formula see original document page 5</formula>或<formula>formula see original document page 5</formula>
此式中復(fù)雜的閉合環(huán)路積分表達(dá)式已被消去，g、vz、￡、I均可準(zhǔn)確測(cè)定。因此質(zhì) 量m的量值就可由這四個(gè)量的測(cè)定值求出。這樣，用兩步實(shí)驗(yàn)就可由電磁力及重力的平衡 確定質(zhì)量m的量值，無需進(jìn)行十分復(fù)雜的線圈幾何尺寸及磁場(chǎng)分布的測(cè)量。另一方面，(6) 式的左面為重力與速度的乘積，代表機(jī)械功率。右面為電動(dòng)勢(shì)與電流的乘積，代表電功率。 也就是說，在天平上機(jī)械功率與電功率互相平衡。也正因?yàn)槿绱耍鲜龇桨敢话憔头Q為“瓦 特天平”方案。因?yàn)椤巴咛亍闭荢I單位制中功率量的單位。由于量子質(zhì)量基準(zhǔn)十分重要，各國都投入了相當(dāng)大的人力物力對(duì)此進(jìn)行研究。英 國首先提出“瓦特天平”方案，已進(jìn)行了近30年的實(shí)驗(yàn)，不確定度達(dá)到7X 10_8。美國進(jìn)行 了類似的實(shí)驗(yàn)，至今也有30多年，不確定度達(dá)到了 4X10_8，尚不能滿足建立質(zhì)量量子基準(zhǔn) 的要求(要建立質(zhì)量量子基準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果的不確定度至少應(yīng)該達(dá)到1 2X10—8)。法國、瑞 士、國際計(jì)量局等也正在進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。各國的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到攻堅(jiān)階段，進(jìn)展都很困難，主要的問題是數(shù)據(jù)的分散性較大，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性不易進(jìn)一步提高。因此各國專家認(rèn)為應(yīng)該仔細(xì)查 明數(shù)據(jù)分散的原因，才可能有進(jìn)一步的進(jìn)展。經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的研究和多方面的探討，國內(nèi)、外專家認(rèn)為數(shù)據(jù)分散的主要原因可 能在于圖2所示的第二步。當(dāng)“可動(dòng)線圈”在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感生電動(dòng)勢(shì)的嚴(yán)格表達(dá)式為(3) 式。(3)式右面的閉合環(huán)路積分是個(gè)向量表達(dá)式，包含了 x、y、z三個(gè)方向的分量，也就是有 三個(gè)閉合環(huán)路積分式在其中出現(xiàn)
<formula>formula see original document page 6</formula>(7)假定“可動(dòng)線圈”在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度向量^；只有z方向的分量vz，⑷式才能成立，并與 (2)式一起消去兩式中的線積分而得到(5)式。但如果“可動(dòng)線圈”在垂直運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也有 側(cè)向的晃動(dòng)；在x、y方向的分量就不為0，(7)式右面的前兩項(xiàng)也會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，并 且難于分離出來，從而引起感生電動(dòng)勢(shì)￡的誤差。另一方面，如圖2所示，“可動(dòng)線圈”掛在 天平的一端，依靠天平橫梁的擺動(dòng)產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)。而天平的有效臂長(zhǎng)依照cos 的規(guī)律而 變化為天平的擺角)，因此，天平擺動(dòng)的過程中“可動(dòng)線圈”必然會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移，當(dāng)然 也就有測(cè)向晃動(dòng)。同時(shí)，“可動(dòng)線圈”的移動(dòng)速度不能太小，否則線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)太小， 難以準(zhǔn)確測(cè)量。移動(dòng)的距離也不能太短，以免測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過程過于局促。從這些情 況看來，“可動(dòng)線圈”在垂直移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生側(cè)向晃動(dòng)是很難避免的。因此，(7)式右面的前兩項(xiàng) 總是會(huì)出現(xiàn)的。從這兩個(gè)附加項(xiàng)的表達(dá)式還可以看到，如果云和^均只有水平方向的分量，
(5x3)將只有z方向的分量，即使\和丨不為0，(7)式右面的前兩項(xiàng)仍會(huì)等于0。但是實(shí)
際制作出來的磁體，磁場(chǎng)總會(huì)有很小的z方向的分量?！翱蓜?dòng)線圈”是個(gè)多匝線圈，^也不會(huì)
只有水平方向的分量。因此實(shí)際情況中并不會(huì)只有 z方向的分量，而會(huì)存在水平方
向的分量，其大小與磁場(chǎng)及導(dǎo)線線元的不規(guī)則分量均有關(guān)系。因此(7)式右面的頭兩項(xiàng)附 加項(xiàng)在感生電動(dòng)勢(shì)￡中引起的誤差分量有著隨機(jī)性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散性較大。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)看來，數(shù)據(jù)的分散性大約為10_7到10_8量級(jí)。實(shí)驗(yàn)不確定度要想突破這樣的數(shù)據(jù)分散 性而進(jìn)一步提高，當(dāng)然會(huì)遇到很大的困難。“瓦特天平”方案遭遇到的困難盡管已經(jīng)趨于明朗，但目前國際上尚未提出有效的 對(duì)策，因此近年來“瓦特天平”方案進(jìn)展緩慢。本發(fā)明申請(qǐng)者經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的深入研究，設(shè) 計(jì)出了新的方法，無需在線圈移動(dòng)的過程中進(jìn)行測(cè)量，從而可消除國外方案中的最大誤差 來源，大大提高測(cè)量準(zhǔn)確度?！巴咛靥炱健狈桨钢校铌P(guān)鍵的一點(diǎn)就是如圖2所示，讓天平擺動(dòng)，使可移動(dòng)線圈在 垂直方向以速度v運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，消去(2)式中的閉合環(huán)路積分，從而避免了 對(duì)線圈的幾何尺寸及磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)檫@個(gè)閉合環(huán)路積分之值取決于線圈的幾何形 狀以及載流線圈的微分段向量i所處位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度向量i，是一個(gè)十分復(fù)雜的函數(shù)， 很難準(zhǔn)確測(cè)定。消去這個(gè)閉合環(huán)路積分后(5)式或(6)式中就剩下了一些比較容易測(cè)量的 量，從而可從量子電學(xué)基準(zhǔn)導(dǎo)出平衡砝碼的質(zhì)量來。但是，在“背景技術(shù)”一節(jié)中也已論述 過，正是由于可移動(dòng)線圈的運(yùn)動(dòng)，使得“瓦特天平”方案的測(cè)量數(shù)據(jù)分散性大，一直達(dá)不到建 立量子質(zhì)量基準(zhǔn)所需的準(zhǔn)確度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的申請(qǐng)人注意到，要避免對(duì)線圈的幾何尺寸及磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量，使線圈 進(jìn)行移動(dòng)并不是唯一的方法。本發(fā)明中就提出了一種不用使線圈移動(dòng)就能避免對(duì)線圈的幾 何尺寸及磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量的新方法。這樣就消除了國外方案中的最大誤差來源。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)的方法，其特征在于，所述方 法利用激勵(lì)線圈、可移動(dòng)線圈、天平、配重砝碼、被測(cè)砝碼和電流源進(jìn)行操作，所述方法包括 步驟通過增減所述天平的左臂上的所述配重砝碼，使得天平達(dá)到平衡；開啟所述電流源從而給所述激勵(lì)線圈注入電流，并在所述天平的右臂上放入所述 被測(cè)砝碼；調(diào)節(jié)的述電流源的大小，使天平再次達(dá)到平衡；通過測(cè)量所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng)線圈之間的互感量以及流經(jīng)所述激勵(lì)線圈和 所述可移動(dòng)線圈上流過的電流大小，推導(dǎo)出所述被測(cè)砝碼的質(zhì)量，從而獲得量子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)選地，所述被測(cè)砝碼的質(zhì)量的計(jì)算公式為
rndM T T....mg =——/,/2(11)
dz其中，m為所述被測(cè)砝碼的質(zhì)量，g為重力加速度，M為所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng) 線圈之間的互感量，L和12分別為流過所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng)線圈的電流大小。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中線圈上的電磁力與砝碼的重力相平衡的示意圖；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中線圈在磁場(chǎng)中垂直運(yùn)動(dòng)從而感生出電動(dòng)勢(shì)的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的“能量天平”的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式在“瓦特天平”方案中，圖1和圖2中作用在“可動(dòng)線圈”上的徑向磁場(chǎng)是由永久磁 鐵(或超導(dǎo)磁體)產(chǎn)生的，而本發(fā)明中不采用永久磁鐵，所需的徑向磁場(chǎng)由一組固定的“激 勵(lì)線圈”產(chǎn)生。這樣，作用在“可動(dòng)線圈”上的力實(shí)際上就是“可動(dòng)線圈”和“激勵(lì)線圈”組 之間的作用力。線圈之間的作用力有現(xiàn)成的公式可表達(dá)。在力學(xué)中，如果某一系統(tǒng)的能量可表示 為W(qi，q2,…，qn)，則與廣義坐標(biāo)qi相對(duì)應(yīng)的作用力為
,,F _ 觀 fawn)⑶—----(6)對(duì)于現(xiàn)在所討論的線圈系統(tǒng)，涉及“可動(dòng)線圈”和“激勵(lì)線圈”組之間的相互作用 能量為ff = MIJ2(9)其中，M表示“可動(dòng)線圈”和“激勵(lì)線圈”組之間的互感量，和12分別為“可動(dòng)線 圈”和“激勵(lì)線圈”組中所通的電流。按照(8)和(9)式，“可動(dòng)線圈”和“激勵(lì)線圈”組之間
7<formula>formula see original document page 8</formula>如果“可動(dòng)線圈”掛在天平的一端，而(10)式左面的電磁力與砝碼的重力相平衡， 就有
dM r rmg --IXI2(11)
dz此式中的g、Ip 12均可準(zhǔn)確測(cè)定。只要能夠精確測(cè)出“可動(dòng)線圈”和“激勵(lì)線圈”
jf
組之間的互感對(duì)z坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)t，就可導(dǎo)出砝碼質(zhì)量m的量值，從而建立基于量子電學(xué)基
dz
準(zhǔn)的量子質(zhì)量基準(zhǔn)。把(11)式和“瓦特天平”方案中的(2)式比較一下就可以看到，本發(fā)明提出的方案 的最大特點(diǎn)是并未要求“可動(dòng)線圈”在垂直方向運(yùn)動(dòng)以及在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行測(cè)量，因此不存 在如(7)式表示的附加隨機(jī)誤差量和與之相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)分散性，從而消除了國外的“瓦 特天平”方案中的最大誤差來源。原則上可以達(dá)到更高的準(zhǔn)確度。國外“瓦特天平”方案中是借助機(jī)械功率和電功率的平衡實(shí)現(xiàn)測(cè)量，而本發(fā)明中是 借助磁能量和重力勢(shì)能的平衡實(shí)現(xiàn)測(cè)量，因此可以稱之為“能量天平”。但應(yīng)指出，本發(fā)明中 建立質(zhì)量量子基準(zhǔn)的工作有兩個(gè)關(guān)鍵問題必須解決(1)精確測(cè)量激勵(lì)線圈與可移動(dòng)線圈之間的互感量M。
^SJkyf(2)激勵(lì)線圈與可移動(dòng)線圈之間的互感量M對(duì)于z坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)；一在垂直方向應(yīng)
OZ
基本上為常數(shù)。這樣只要在幾個(gè)不同的Z坐標(biāo)處測(cè)量出互感量M，就能準(zhǔn)確地求出M對(duì)于z 坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)^。再用(11)式就可導(dǎo)出砝碼質(zhì)量m的量值。對(duì)于這兩個(gè)關(guān)鍵問題，本發(fā)明的
dz
申請(qǐng)者已另外提出兩個(gè)相應(yīng)的發(fā)明專利加以解決。圖3為本發(fā)明中建立質(zhì)量量子基準(zhǔn)的原理圖，圖3中天平的左臂上掛有配重，右臂 上掛有可移動(dòng)線圈。固定線圈組，即激勵(lì)線圈與可移動(dòng)線圈保持同軸。具體實(shí)施過程分為 兩個(gè)步驟一、激勵(lì)線圈中的電流為零時(shí)，增減左臂配重砝碼，使得天平達(dá)到平衡狀態(tài)；二、在右臂的托盤中放入被測(cè)砝碼，開啟電流源，給激勵(lì)線圈注入電流。由于互感 的存在，此電流將對(duì)可移動(dòng)線圈產(chǎn)生一個(gè)向上的電磁力。調(diào)節(jié)電流的大小，就可調(diào)節(jié)托力的 大小，使天平再次達(dá)到平衡狀態(tài)。則此時(shí)，互感產(chǎn)生的電磁力與剛才放入的被測(cè)砝碼的重力 完全相同。如發(fā)明內(nèi)容中提到的式(11)所示
dM r r…、mg =-/j/2(11)
dz此式中的g、Ip 12均可準(zhǔn)確測(cè)定。只要能夠精確測(cè)出“可動(dòng)線圈”和“激勵(lì)線圈”
dM
組之間的互感對(duì)Z坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)；-，就可導(dǎo)出砝碼質(zhì)量m的量值，從而建立基于量子電學(xué)基
OZ
準(zhǔn)的量子質(zhì)量基準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)的方法，其特征在于，所述方法利用激勵(lì)線圈、可移動(dòng)線圈、天平、配重砝碼、被測(cè)砝碼和電流源進(jìn)行操作，所述方法包括步驟通過增減所述天平的左臂上的所述配重砝碼，使得天平達(dá)到平衡；開啟所述電流源從而給所述激勵(lì)線圈注入電流，并在所述天平的右臂上放入所述被測(cè)砝碼；調(diào)節(jié)所述電流源輸出電流的大小，使天平再次達(dá)到平衡；通過測(cè)量所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng)線圈之間的互感量以及流經(jīng)所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng)線圈上流過的電流大小，推導(dǎo)出所述被測(cè)砝碼的質(zhì)量，從而建立量子質(zhì)量基準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述被測(cè)砝碼的質(zhì)量的計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，m為所述被測(cè)砝碼的質(zhì)量，g為重力加速度，M為所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng)線圈 之間的互感量，I1和I2分別為流過所述激勵(lì)線圈和所述可移動(dòng)線圈的電流大小。
全文摘要
質(zhì)量單位千克在科研、生產(chǎn)、貿(mào)易以至日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，建成質(zhì)量量子基準(zhǔn)已成為當(dāng)前計(jì)量科學(xué)研究的熱點(diǎn)。英、美、法、瑞士、國際計(jì)量局等國際上著名的計(jì)量研究所已開始了此方面的研究。但由于巨大的技術(shù)困難，多年來進(jìn)展不大。本發(fā)明申請(qǐng)者設(shè)計(jì)出了新的方法，利用激勵(lì)線圈和掛在天平上的可移動(dòng)線圈之間的作用力來導(dǎo)出平衡砝碼的質(zhì)量量值。測(cè)量過程是靜態(tài)的，無需在線圈移動(dòng)的過程中進(jìn)行測(cè)量，從而可消除國外方案中的最大誤差來源，大大提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
文檔編號(hào)G01G21/26GK101819059SQ201010156390
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者張鐘華, 李正坤, 李辰, 賀青, 趙建亭, 韓冰, 魯云峰 申請(qǐng)人:中國計(jì)量科學(xué)研究院