焦耳天平(量子質量基準)的磁場系統(tǒng)研究.pdf

1、質量的單位千克是國際單位制中7個基本單位之一,卻是現(xiàn)在唯一仍在使用的實物基準?，F(xiàn)代計量的發(fā)展方向是用基于量子物理的自然基準替代實物基準,當前有關更新國際單位制中質量單位定義的幾種設想都是把質量單位歸結到基本物理常數(shù)上,特別是定義在普朗克常數(shù)h上。
　　 本論文通過深入分析研究量子質量基準的熱點方案——功率天平,結合最近受到普遍重視的焦耳天平方案,提出了一種全新的空間尺寸配比的軸對稱激勵線圈組結構。理論分析和實驗驗證均表明,這種新

2、型軸對稱線圈系統(tǒng)提供的磁場均勻區(qū)滿足結構參數(shù)互感量M的準確測量要求。
　　 本論文作為焦耳天平方案磁場系統(tǒng)的開創(chuàng)性工作,緊緊圍繞準確測量互感結構參數(shù)的要求,在以下方面進行了卓有成效的工作:
　　 1.提出了一種新的空間尺寸配比的軸對稱激勵線圈組結構,利用解析方法和數(shù)值計算證明只要內部激勵線圈和外部激勵線圈的間距R與激勵線圈與懸掛線圈的距離H滿足R=4/3 H2,內部激勵線圈、外部激勵線圈、懸掛線圈匝數(shù)比滿足10000:2

3、700:430時,在焦耳天平磁場對稱平面附近會形成軸向長度為2cm的環(huán)形磁場均勻區(qū),在該均勻區(qū)線圈系統(tǒng)互感參數(shù)具有四階均勻性。
　　 2.利用解析方法計算了焦耳天平軸對稱激勵線圈系統(tǒng)的靜磁場參數(shù),對焦耳天平磁場均勻區(qū)的磁場強度,互感結構參數(shù),懸掛線圈洛侖茲力情況均進行了分析計算。
　　 3.利用有限元軟件ANSYS對焦耳天平的磁場系統(tǒng)進行仿真計算,模擬焦耳天平激勵線圈組磁場的空間分布,驗證磁場均勻區(qū)的范圍和大小。根據(jù)軸對

4、稱線圈組矢量磁位A的特點,利用LabVIEW語言編寫了六套計算不同靜磁場參數(shù)的計算程序。通過數(shù)值積分計算橢圓函數(shù),可以快速準確計算不同軸對稱線圈組合其空間磁感應強度、磁場梯度、互感參數(shù),互感梯度參數(shù),共軸與不共軸軸對稱線圈組作用力等靜磁場參數(shù),計算程序具有普適性。
　　 4.實際構建了焦耳天平磁場系統(tǒng),包括激勵線圈組和懸掛線圈,通過仔細裝配準直,構成焦耳天平共軸激勵線圈系統(tǒng)。利用自制空間磁場分布測量系統(tǒng),測量焦耳天平的空間磁場分