【摘要】：質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究于2012年被《Nature》雜志評(píng)為世界六大難題之一。目前,質(zhì)量單位千克是國(guó)際單位制(SI)中唯一一個(gè)仍依靠實(shí)物基準(zhǔn)來(lái)復(fù)現(xiàn)的基本單位。2014年國(guó)際數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)基本物理常數(shù)工作組形成決議,擬于2018年實(shí)現(xiàn)用基本物理常數(shù)重新定義質(zhì)量基本單位。在建立質(zhì)量量子基準(zhǔn)的過(guò)程中,利用普朗克常數(shù)h可導(dǎo)出質(zhì)量量子基準(zhǔn)的量值。目前,天平法正是利用溯源到電學(xué)量子基準(zhǔn)的方法實(shí)現(xiàn)普朗克常數(shù)h的精密測(cè)量。天平法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)的基本原理,是通過(guò)機(jī)械功率(能量)與電功率(能量)平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量單位的復(fù)現(xiàn),它必須通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn),涉及準(zhǔn)直參數(shù)眾多,包括機(jī)械、光學(xué)和電學(xué)眾多領(lǐng)域。準(zhǔn)直問(wèn)題決定了天平法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度,是當(dāng)前各國(guó)天平法研究面對(duì)的最核心問(wèn)題。本文在天平法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)理論的基礎(chǔ)上,對(duì)功率(能量)天平法領(lǐng)域目前存在的準(zhǔn)直問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,系統(tǒng)地分析了功率天平法中動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直和能量天平法中全路徑各點(diǎn)靜態(tài)準(zhǔn)直參數(shù)的需求、內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù),并提出和研究了磁體磁場(chǎng)準(zhǔn)直、懸掛線(xiàn)圈準(zhǔn)直和光束豎向準(zhǔn)直的新方法,完成的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)剖析并提煉了天平法質(zhì)量量子基準(zhǔn)裝置中的準(zhǔn)直問(wèn)題,建立其對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的作用模型。在功率(能量)天平理論模型基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地研究了功率天平法和能量天平法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)的準(zhǔn)直理論模型,仿真驗(yàn)證了磁體磁場(chǎng)準(zhǔn)直、懸掛線(xiàn)圈準(zhǔn)直和光束豎向準(zhǔn)直對(duì)普朗克常數(shù)測(cè)量精度的影響,為相應(yīng)解決方法的提出奠定了理論基礎(chǔ)。(2)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)只能通過(guò)間接手段保證磁場(chǎng)平面的水平調(diào)整,磁場(chǎng)平面完全依賴(lài)于磁體的加工、裝配水平這一問(wèn)題,提出了一種基于繞豎直基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)掃描的直接式磁場(chǎng)平面水平準(zhǔn)直方法。該方法以高精度電子水平儀搭建的豎直軸向標(biāo)準(zhǔn)作參考,通過(guò)測(cè)量并分析霍爾高斯計(jì)繞該豎直軸向標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)掃描一周的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)水平度的直接測(cè)量,根據(jù)該旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)果調(diào)整磁場(chǎng)平面,確保磁場(chǎng)平面的水平準(zhǔn)直;建立了該磁場(chǎng)平面水平度測(cè)量方法的精確數(shù)學(xué)模型;分析了附加平面霍爾效應(yīng)和磁場(chǎng)垂直固有分量引入的誤差模型,并對(duì)其進(jìn)行了消除和抑制。(3)針對(duì)現(xiàn)有角錐鏡配合PSD測(cè)量懸掛線(xiàn)圈姿態(tài)過(guò)程中存在的多自由度耦合問(wèn)題,提出了一種基于磁體磁場(chǎng)水平基準(zhǔn)的懸掛線(xiàn)圈水平準(zhǔn)直測(cè)量方法。該方法以磁體磁場(chǎng)準(zhǔn)直為基礎(chǔ),利用固定在懸掛線(xiàn)圈側(cè)面成120°分布的三個(gè)平面電容位移傳感器測(cè)量與外磁軛的相對(duì)位移,平面電容位移傳感器中電容極板由同一平面內(nèi)位置固定的兩個(gè)電容極板構(gòu)成,磁體外磁軛作為平面電容的屏蔽接地,外磁軛與固定在懸掛線(xiàn)圈上的平面電容距離變化會(huì)影響電容的大小,根據(jù)電容變化與位移的線(xiàn)性關(guān)系確定位移變化,最終實(shí)現(xiàn)懸掛線(xiàn)圈水平姿態(tài)的精密測(cè)量和調(diào)整。(4)針對(duì)現(xiàn)有液面式水平基準(zhǔn)反射率低、液面曲率限制準(zhǔn)直精度、缺乏工作狀態(tài)下靈活性的問(wèn)題,提出了一種基于回轉(zhuǎn)調(diào)平式平面鏡水平基準(zhǔn)的光束豎向準(zhǔn)直方法。該方法將豎直軸向基準(zhǔn)傳遞到平面鏡的水平調(diào)整上,得到一平面基準(zhǔn),利用該平面基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)激光光束豎向準(zhǔn)直。(5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)三種準(zhǔn)直方法進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的研究工作為功率(能量)天平法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)準(zhǔn)直研究中磁體磁場(chǎng)準(zhǔn)直提供了一種直接測(cè)量和評(píng)估方法,使得磁體磁場(chǎng)準(zhǔn)直引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由間接保證的100μrad減小到確定值42.3μrad;以其為基準(zhǔn),使得基于磁體水平基準(zhǔn)的懸掛線(xiàn)圈準(zhǔn)直引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到71μrad;為激光干涉儀測(cè)量光束豎向準(zhǔn)直提供一種工作狀態(tài)下光束豎向準(zhǔn)直的新方法,使得光束豎向準(zhǔn)直方法引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到41μrad。以上準(zhǔn)直方法對(duì)天平法質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究中普朗克常數(shù)測(cè)量的影響均達(dá)到10-9量級(jí)。從而使本文提出的準(zhǔn)直方法為天平法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究中的準(zhǔn)直若干問(wèn)題,提供了有效解決辦法。
【圖文】：

動(dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)測(cè)量設(shè)備及方法的依賴(lài)要小。最新測(cè)量普朗克常數(shù)結(jié)確定度為 2.6 ×10-6，與 2010 年 CODATA 推薦值的偏差為 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設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)磁體，有望達(dá)到更好的測(cè)量結(jié)果和不確定度。圖 1-2 為當(dāng)前各個(gè)室測(cè)量普朗克常數(shù)的最新結(jié)果。

圖 2-1 功率天平原理示意圖Fig.2-1 Schematic of watt balance(a) 稱(chēng)力模式 (a) Weighing phase(b) 速度模式 (b) Speed phase(2-1)和式(2-2)，即兩種測(cè)量模式的數(shù)學(xué)表達(dá)式，，消
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH715.11

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 劉勝松;;長(zhǎng)度單位米的兩代量子基準(zhǔn)比較[J];中國(guó)計(jì)量;2010年10期

2 張悅琴;;關(guān)于計(jì)量單位向量子基準(zhǔn)發(fā)展的趨勢(shì)[J];中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào);1991年01期

3 張鐘華,賀青;量子基準(zhǔn)與基本物理常數(shù)[J];現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試;1998年02期

4 盧敬叁;;計(jì)量科學(xué)在創(chuàng)新中不斷發(fā)展——用基本物理常數(shù)定義計(jì)量單位是國(guó)際發(fā)展的新方向[J];工業(yè)計(jì)量;2012年06期

5 岳峻峰;朱鶴年;;SI基本單位的研究進(jìn)展與改制動(dòng)向[J];物理;2007年07期

6 張鐘華;;電磁計(jì)量的量子基準(zhǔn)及量子三角形[J];前沿科學(xué);2008年03期

7 陸祖良;黃璐;楊雁;趙建亭;錢(qián)進(jìn);陸文駿;劉忠有;張鐘華;;可移動(dòng)屏蔽型計(jì)算電容研究[J];電測(cè)與儀表;2013年11期

8 ;[J];;年期

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 記者 楊蕾;我國(guó)能量天平質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究取得核心技術(shù)突破[N];中國(guó)質(zhì)量報(bào);2011年

2 記者 楊蕾;“上帝粒子”有助于解釋質(zhì)量起源[N];中國(guó)質(zhì)量報(bào);2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 魯云峰;天平法質(zhì)量量子基準(zhǔn)準(zhǔn)直若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 譚紅;擺動(dòng)天平法的能量平衡控制研究[D];中國(guó)計(jì)量學(xué)院;2012年

本文編號(hào)：2580319