砝码对千克组的从**定义研究

  千克重**定义使用的基布尔天平法、能量天平法、X射线晶体密度法等都是在真空条件下实现普朗克常数的测量，与空气中质量量值传递方法有着本质的区别。为了在千克重**定义后，在真空条件下****、****地完成质量量值传递工作，中国计量**研究院质量实验室从2013年开始致力于质量单位重**定义后量值传递关键技术的研究。量值传递关键技术研究主要包括表面吸附研究、空气浮力修正研究、真空传递关键技术研究、真空质量测量关键技术研究等。目前已自主研制了砝码表面吸附测量装置、空气浮力修正装置和真空质量测量装置，实现了真空条件下1千克的砝码测量不确定度优于3.0×10^-8。

根据千克重**定义指南的描述，千克重**定义涉及两方面的**研究工作，一方面是量值复现研究，另一方面是量值传递研究。

针对普朗克常数的精密测量及千克单位的重**定义，目前**上主流的方案有两种：

1. 基于电学量子基准（量子化霍尔电阻基准、约瑟夫森量子电压基准）测定普朗克常数h的“基布尔天平”（功率天平）方案；

1. X射线单晶密度法测定阿伏伽德罗常数N_A，进而也可得到普朗克常数h的量值的“硅球方案”。

图：**联邦物理技术研究院（PTB）的硅球方案装置

基布尔天平方案由英国**物理研究院（NPL）的Kibble博士于1975年提出并开展研究工作，此后，陆续有****标准与技术研究院（NIST）、瑞士**（METAS）、法国**（LNE）、****（B**M）和加拿大研究理事会（NRC）等采用功率天平方案开展研究，历时10到30多年不等。近些年来，**西兰、**、土耳其也开展了类似的研究，**于2007年也启动了“功率天平（普朗克天平）”项目的研究，英国NPL于2009年将其研制的第二代“功率天平”装置Mark II转**加拿大NRC继续进行研究。2007年，NPL启动了**功率天平装置的研究。这说明**对于千克单位的重**定义**重视和关注。鉴于千克单位重**定义的难度，2012年，千克单位的重**定义被Nature杂志评为像寻找希格斯粒子一样困难的**五大**难题之一。

我国目前正在积**参与这一重大变革，目标是未来能够独立复现质量单位，无需溯源到其他**，以保护我国技术主权的完整。为应对这一重大变革，中国计量**研究院研究团队于2006年提出了一种基于电磁能量与机械势能平衡的“能量天平”方案，其特点是测量结果只与天平中线圈的静态位置有关，而线圈运动过程中产生的动态误差则可被消除。该项研究由于采用了不同原理的方案而备受**关注，采用不同原理的方案进行测试并相互验证是**研究中经常采用的方法，如果测量结果能够在不确定度允许的范围内一致，将**有说服力。

2007年，在**科技部支撑计划的支持下，能量天平项目开始原型验证阶段的研究，于2011年研制成原型验证装置，在空气中测量普朗克常数的相对标准不确定度达到2.6×10^-6，验证了能量天平方案原理可行。2013年，能量天平项目组在前期研究基础上，开始了第二代能量天平试验装置的设计和研制，于2016年12月完成**装置全部硬件、软件系统的研制和调试，并实现了真空测量。2017年，能量天平项目组向****技术数据委员会基本物理常数任务组（CODATA TGFC）提交了普朗克常数测量结果，相对标准不确定度为2.4×10^-7，这一结果与国外相比仍有**差距。2018年，项目组在抑制外磁场影响、优化悬挂线圈系统结构和准直技术研究等方面取得突破。能量天平装置测量数据的相对标准不确定度**进入10^-8量级，其中A类不确定度达到5×10^-8（k =1）。

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