CN101819059A - 一种实现质量量子基准的方法 - Google Patents

Abstract

质量单位千克在科研、生产、贸易以至日常生活中有着广泛的应用，建成质量量子基准已成为当前计量科学研究的热点。英、美、法、瑞士、国际计量局等国际上著名的计量研究所已开始了此方面的研究。但由于巨大的技术困难，多年来进展不大。本发明申请者设计出了新的方法，利用激励线圈和挂在天平上的可移动线圈之间的作用力来导出平衡砝码的质量量值。测量过程是静态的，无需在线圈移动的过程中进行测量，从而可消除国外方案中的最大误差来源，大大提高测量准确度。

Description

一种实现质量量子基准的方法

技术领域

本发明涉及一种建立质量量子计量基准的方法。

背景技术

目前在世界范围内广泛使用的国际单位制SI有时间单位秒、长度单位米、质量单位千克、电流单位安培、温度单位开尔文、光度单位坎德拉、物质量单位摩尔七个基本单位。其他各种单位均可从这七个基本单位导出。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准——计量基准。

19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的计量基准。这些计量基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现，故称为实物基准。例如一个保存在巴黎国际计量局(BIPM)的铂铱合金圆柱——千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克，按X型截面的铂铱合金米尺上两根刻线间距离定义长度单位米，等等。

计量基准是保证整个计量工作准确度的基础。但也正是由于其重要性，不能经常使用。为了使产业界能够使用准确的计量量值，需要建立一种量值传递检定网。以最常见的称重计量为例，最高等级的质量计量基准是保存在巴黎国际计量局的铂铱合金千克砝码原器。每数年一次各国的中央计量机构把它们的国家基准千克砝码运到巴黎与砝码原器进行比对以得到各国基准砝码的准确量值，然后再由各国自行向下传递质量量值。我国则已建立了国家、省、市(县)等各级计量机构。这些计量机构都保存着它们的标准砝码，并按照国家级——省级——市、县级——企业的金字塔式的计量量值传递检定系统依次向下传递量值，开展日常的计量检定工作。

19世纪以来，各国的计量量值传递检定系统给产业界提供了计量服务，确实在帮助产业界提升产品品质的工作中做出了贡献。但是，随着科技及工农业的发展，这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出下列的不足之处：

1.最高的计量基准为某种实物(例如千克砝码原器是一个铂铱合金圆柱体)，就有其固有的缺点。尽管这些实物基准是用19世纪末工业界所能提供的最好的材料及工艺制成，在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求，但是这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例，缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。

2.最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之中断。

3.量值传递检定系统庞大繁杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然会有所下降。

上述问题已经使传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。20世纪下半叶以来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。

量子计量基准基于微观粒子的运动规律，特别是微观粒子的态和能级的概念。即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化，也不会影响物体中微观粒子的态和能级。这样，如果利用量子现象来复现计量单位，就可以从原则上消除各种宏观参数不稳定产生的影响，所复现的计量单位不再会发生缓慢漂移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生。不像实物基准是特定的物体，一旦由于事故而毁伤，就不可能再准确复制。因此用量子现象复现计量单位对于保持计量基准量值的高度连续性也有重大的价值。此类用量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基准。

目前，SI单位制七个基本单位中已经有三个实现了由量子计量基准复现其量值。如复现时间单位的铯原子钟，复现长度单位的激光波长，复现电流单位的约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准等。另外的两个基本单位，即温度单位和物质量单位也即将用相应的量子基准来复现。至于光度单位，由于与人眼感光特性有关，能否用量子基准复现尚在讨论中。目前最为人们所关心的是质量单位千克的问题。

质量单位千克在科研、生产、贸易以至日常生活中有着广泛的应用，目前这个十分重要的基本单位仍由保存在国际计量局BIPM的实物基准--铂铱合金千克砝码原器来复现。稳定性和准确度已明显跟不上时代的要求。人们非常希望建成某种量子基准来替代这个仅存的实物基准。上世纪70年代英国NPL的B.P.Kibble博士就开始探索用电磁力与砝码重力平衡的方法建立基于电学量子基准的质量量子基准。后来美国的NIST，瑞士的METAS，法国的BNM，国际计量局BIPM等国际上著名的计量研究所也开始了此方面的研究。各国使用的方案大同小异，统称为“瓦特天平”方案。

“瓦特天平”方案的基本思路是把通以电流的载流线圈挂在天平上，同时放入磁场中。如图1所示。线圈上受到的电磁作用力与砝码上的重力相平衡，就可由电磁量导出砝码质量的量值。目前，电磁量已均可溯源到约瑟夫森量子电压基准和量子化霍尔电阻基准。因此用“瓦特天平”导出的砝码质量的量值也就溯源到了这两种量子基准。这样，质量量子基准就可藉助电学量子基准而建立起来。“瓦特天平”方案目前达到的不确定度约为5×10^-8。

图1是现有技术中“瓦特天平”的示意图。可看到，一个圆形的“可动线圈”挂在天平秤的一端。“可动线圈”中通以电流I。该线圈同时处于半径方向的磁场中，磁感应强度为B。线圈上所受的力为垂直方向，大小为

其中的

表示载流线圈的微分段向量，闭合环路积分沿着整个线圈回路进行。被积分式括号右下方的角标z表示只取该向量式的z方向分量。径向磁场可以用同轴型的磁铁得到)，也可以用超导磁体产生。

当线圈上的电磁力F用砝码m上所受的重力平衡时，就有

此式左面的g为重力加速度，m为待确定的质量。g和(2)式右面的电流I均可以很高的准确度测定，因此只要能求出(2)式右面的闭合环路积分，就可求出质量m了。但是，这个闭合环路积分之值取决于线圈的几何形状以及载流线圈的微分段向量

所处位置处的磁感应强度向量

是一个十分复杂的函数，很难准确测定。为了解决这个难题，“瓦特天平”方案的倡议人，Kibble博士提出了一个相当巧妙的方法。他把整个实验分成两步来做。第一步就如图1所示的那样，使“可动线圈”上的电磁力F和砝码m上所受的重力相平衡。第二步则如图2所示。此时“可动线圈”开路，不通电流，并让天平摆动，使线圈在垂直方向以速度v运动。由于“可动线圈”切割了磁力线，在线圈两端将可测量到感应电动，如(3)式所示。

当“可动线圈”在垂直方向移动时，速度向量

只有z方向的分量v_z。(3)式就成为

比较(2)与(4)式，可以看到两个公式右面的闭合环路积分相同。把两式相除就消去了闭合环路积分而得到

$\frac{\mathrm{mg}}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{I}{v_z}---\left(5\right)$

或

        mgv_z＝εI        (6)

此式中复杂的闭合环路积分表达式已被消去，g、v_z、ε、I均可准确测定。因此质量m的量值就可由这四个量的测定值求出。这样，用两步实验就可由电磁力及重力的平衡确定质量m的量值，无需进行十分复杂的线圈几何尺寸及磁场分布的测量。另一方面，(6)式的左面为重力与速度的乘积，代表机械功率。右面为电动势与电流的乘积，代表电功率。也就是说，在天平上机械功率与电功率互相平衡。也正因为如此，上述方案一般就称为“瓦特天平”方案。因为“瓦特”正是SI单位制中功率量的单位。

由于量子质量基准十分重要，各国都投入了相当大的人力物力对此进行研究。英国首先提出“瓦特天平”方案，已进行了近30年的实验，不确定度达到7×10^-8。美国进行了类似的实验，至今也有30多年，不确定度达到了4×10^-8，尚不能满足建立质量量子基准的要求(要建立质量量子基准，测量结果的不确定度至少应该达到1～2×10^-8)。法国、瑞士、国际计量局等也正在进行此项实验。各国的实验进行到攻坚阶段，进展都很困难，主要的问题是数据的分散性较大，实验准确性不易进一步提高。因此各国专家认为应该仔细查明数据分散的原因，才可能有进一步的进展。

经过较长时间的研究和多方面的探讨，国内、外专家认为数据分散的主要原因可能在于图2所示的第二步。当“可动线圈”在磁场中运动时，感生电动势的严格表达式为(3)式。(3)式右面的闭合环路积分是个向量表达式，包含了x、y、z三个方向的分量，也就是有三个闭合环路积分式在其中出现：

假定“可动线圈”在运动时速度向量

只有z方向的分量v_z，(4)式才能成立，并与(2)式一起消去两式中的线积分而得到(5)式。但如果“可动线圈”在垂直运动的同时也有侧向的晃动，

在x、y方向的分量v_x和v_y就不为0，(7)式右面的前两项也会同时出现，并且难于分离出来，从而引起感生电动势ε的误差。另一方面，如图2所示，“可动线圈”挂在天平的一端，依靠天平横梁的摆动产生上下运动。而天平的有效臂长依照cosφ的规律而变化(φ为天平的摆角)，因此，天平摆动的过程中“可动线圈”必然会产生侧向位移，当然也就有测向晃动。同时，“可动线圈”的移动速度不能太小，否则线圈中的感应电动势太小，难以准确测量。移动的距离也不能太短，以免测量感应电动势的过程过于局促。从这些情况看来，“可动线圈”在垂直移动时产生侧向晃动是很难避免的。因此，(7)式右面的前两项总是会出现的。从这两个附加项的表达式还可以看到，如果

和

均只有水平方向的分量，

将只有z方向的分量，即使v_x和v_y不为0，(7)式右面的前两项仍会等于0。但是实际制作出来的磁体，磁场总会有很小的z方向的分量。“可动线圈”是个多匝线圈，

也不会只有水平方向的分量。因此实际情况中

并不会只有z方向的分量，而会存在水平方向的分量，其大小与磁场及导线线元的不规则分量均有关系。因此(7)式右面的头两项附加项在感生电动势ε中引起的误差分量有着随机性，导致数据分散性较大。从实际的实验数据看来，数据的分散性大约为10^-7到10^-8量级。实验不确定度要想突破这样的数据分散性而进一步提高，当然会遇到很大的困难。

“瓦特天平”方案遭遇到的困难尽管已经趋于明朗，但目前国际上尚未提出有效的对策，因此近年来“瓦特天平”方案进展缓慢。本发明申请者经过较长时间的深入研究，设计出了新的方法，无需在线圈移动的过程中进行测量，从而可消除国外方案中的最大误差来源，大大提高测量准确度。

“瓦特天平”方案中，最关键的一点就是如图2所示，让天平摆动，使可移动线圈在垂直方向以速度v运动，并测量出感应电动势，消去(2)式中的闭合环路积分，从而避免了对线圈的几何尺寸及磁场分布进行测量。因为这个闭合环路积分之值取决于线圈的几何形状以及载流线圈的微分段向量

所处位置处的磁感应强度向量

是一个十分复杂的函数，很难准确测定。消去这个闭合环路积分后(5)式或(6)式中就剩下了一些比较容易测量的量，从而可从量子电学基准导出平衡砝码的质量来。但是，在“背景技术”一节中也已论述过，正是由于可移动线圈的运动，使得“瓦特天平”方案的测量数据分散性大，一直达不到建立量子质量基准所需的准确度要求。

发明内容

本发明的申请人注意到，要避免对线圈的几何尺寸及磁场分布进行测量，使线圈进行移动并不是唯一的方法。本发明中就提出了一种不用使线圈移动就能避免对线圈的几何尺寸及磁场分布进行测量的新方法。这样就消除了国外方案中的最大误差来源。

根据本发明的一个方面，提供一种实现质量量子基准的方法，其特征在于，所述方法利用激励线圈、可移动线圈、天平、配重砝码、被测砝码和电流源进行操作，所述方法包括步骤：

通过增减所述天平的左臂上的所述配重砝码，使得天平达到平衡；

开启所述电流源从而给所述激励线圈注入电流，并在所述天平的右臂上放入所述被测砝码；

调节的述电流源的大小，使天平再次达到平衡；

通过测量所述激励线圈和所述可移动线圈之间的互感量以及流经所述激励线圈和所述可移动线圈上流过的电流大小，推导出所述被测砝码的质量，从而获得量子质量标准。

优选地，所述被测砝码的质量的计算公式为：

$\mathrm{mg}=\frac{\∂M}{\∂z}{I}_1{I}_2---\left(11\right)$

其中，m为所述被测砝码的质量，g为重力加速度，M为所述激励线圈和所述可移动线圈之间的互感量，I₁和I₂分别为流过所述激励线圈和所述可移动线圈的电流大小。

附图说明

图1示出了现有技术中线圈上的电磁力与砝码的重力相平衡的示意图；

图2示出了现有技术中线圈在磁场中垂直运动从而感生出电动势的示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的“能量天平”的原理示意图。

具体实施方式

在“瓦特天平”方案中，图1和图2中作用在“可动线圈”上的径向磁场是由永久磁铁(或超导磁体)产生的，而本发明中不采用永久磁铁，所需的径向磁场由一组固定的“激励线圈”产生。这样，作用在“可动线圈”上的力实际上就是“可动线圈”和“激励线圈”组之间的作用力。

线圈之间的作用力有现成的公式可表达。在力学中，如果某一系统的能量可表示为W(q₁，q₂，…，q_n)，则与广义坐标q_i相对应的作用力为

$F_i=\frac{\∂W(q_1,q_2,\·\·\·\·,q_n)}{{\∂q}_i}---\left(8\right)$

对于现在所讨论的线圈系统，涉及“可动线圈”和“激励线圈”组之间的相互作用能量为

    W＝MI₁I₂                        (9)

其中，M表示“可动线圈”和“激励线圈”组之间的互感量，I₁和I₂分别为“可动线圈”和“激励线圈”组中所通的电流。按照(8)和(9)式，“可动线圈”和“激励线圈”组之间的相互作用力成为

$F=\frac{\∂W}{\∂z}=\frac{\∂M}{\∂z}{I}_1{I}_2---\left(10\right)$

如果“可动线圈”挂在天平的一端，而(10)式左面的电磁力与砝码的重力相平衡，就有

$\mathrm{mg}=\frac{\∂M}{\∂z}{I}_1{I}_2---\left(11\right)$

此式中的g、I₁、I₂均可准确测定。只要能够精确测出“可动线圈”和“激励线圈”组之间的互感对z坐标的导数

就可导出砝码质量m的量值，从而建立基于量子电学基准的量子质量基准。

把(11)式和“瓦特天平”方案中的(2)式比较一下就可以看到，本发明提出的方案的最大特点是并未要求“可动线圈”在垂直方向运动以及在运动过程中进行测量，因此不存在如(7)式表示的附加随机误差量和与之相应的测量数据分散性，从而消除了国外的“瓦特天平”方案中的最大误差来源。原则上可以达到更高的准确度。

国外“瓦特天平”方案中是借助机械功率和电功率的平衡实现测量，而本发明中是借助磁能量和重力势能的平衡实现测量，因此可以称之为“能量天平”。但应指出，本发明中建立质量量子基准的工作有两个关键问题必须解决：

(1)精确测量激励线圈与可移动线圈之间的互感量M。

(2)激励线圈与可移动线圈之间的互感量M对于z坐标的导数

在垂直方向应基本上为常数。这样只要在几个不同的z坐标处测量出互感量M，就能准确地求出M对于z坐标的导数

再用(11)式就可导出砝码质量m的量值。对于这两个关键问题，本发明的申请者已另外提出两个相应的发明专利加以解决。

图3为本发明中建立质量量子基准的原理图，图3中天平的左臂上挂有配重，右臂上挂有可移动线圈。固定线圈组，即激励线圈与可移动线圈保持同轴。具体实施过程分为两个步骤：

一、激励线圈中的电流为零时，增减左臂配重砝码，使得天平达到平衡状态；

二、在右臂的托盘中放入被测砝码，开启电流源，给激励线圈注入电流。由于互感的存在，此电流将对可移动线圈产生一个向上的电磁力。调节电流的大小，就可调节托力的大小，使天平再次达到平衡状态。则此时，互感产生的电磁力与刚才放入的被测砝码的重力完全相同。如发明内容中提到的式(11)所示：

$\mathrm{mg}=\frac{\∂M}{\∂z}{I}_1{I}_2---\left(11\right)$

此式中的g、I₁、I₂均可准确测定。只要能够精确测出“可动线圈”和“激励线圈”组之间的互感对z坐标的导数就可导出砝码质量m的量值，从而建立基于量子电学基准的量子质量基准。

Claims (2)

1.一种实现质量量子基准的方法，其特征在于，所述方法利用激励线圈、可移动线圈、天平、配重砝码、被测砝码和电流源进行操作，所述方法包括步骤：

通过增减所述天平的左臂上的所述配重砝码，使得天平达到平衡；

开启所述电流源从而给所述激励线圈注入电流，并在所述天平的右臂上放入所述被测砝码；

调节所述电流源输出电流的大小，使天平再次达到平衡；

通过测量所述激励线圈和所述可移动线圈之间的互感量以及流经所述激励线圈和所述可移动线圈上流过的电流大小，推导出所述被测砝码的质量，从而建立量子质量基准。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测砝码的质量的计算公式为：

$\mathrm{mg}=\frac{\∂M}{\∂z}{I}_1{I}_2---\left(11\right)$

其中，m为所述被测砝码的质量，g为重力加速度，M为所述激励线圈和所述可移动线圈之间的互感量，I₁和I₂分别为流过所述激励线圈和所述可移动线圈的电流大小。

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