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| 編輯推薦： |
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清华大学优秀博士学位论文丛书（以下简称优博丛书）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。优博丛书选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科*秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域*的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*进展以及创新思路的有效途径。
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| 內容簡介： |
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本书介绍了一种质量量子基准新方案及其试验论证过程。通过设计一种摆动天平装置，以时间测量为纽带，建立惯性质量和普朗克常数间的联系，实现对砝码质量的*测量。本书基本反映了作者近年来在质量量子基准研究方面的研究成果，并提供了详尽的参考资料。
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| 目錄：
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第 1章引言 . 1
1.1质量量子基准研究的意义 . 1
1.1.1 质量量子基准研究是建立基本物理常数为基础的 SI新体制的需要 1
1.1.2 质量量子基准研究是建立精密基本物理常数新体系的需要 . 7
1.2质量量子基准研究现状 9
1.2.1 质量量子基准研究方法概述
. 9
1.2.2 电天平法原理及进展 .
10
1.2.3 硅球方案原理及进展 .
16
1.2.4 两种方案测量的结果及存在的问题 . 17
1.3本论文主要研究内容 . 18
第 2章摆动周期法的基本原理 . 21
2.1摆动周期法的基本思路 21
2.1.1 精密测量砝码惯性质量 21
2.1.2 建立质量-时间-电学量的精密联系 22
2.1.3 摆动周期法设计 27
2.2摆动周期法求解普朗克常数 . 29
2.2.1 摆动天平微分方程 . 29
2.2.2 摆动周期法的基本方程 31
2.2.3 替代法求解普朗克常数 33
2.3双 Kelvin电容器系统准弹性理论 .
34
2.3.1 Kelvin电容器模型概述 . 34
2.3.2恢复力矩主分量求解 . 35
2.3.3静电恢复力矩残差分量的求解 36
2.4摆动周期法的非线性分析 . 42
2.4.1相平面稳定域 . 42
2.4.2相平面极限环方程 . 44
2.4.3摆动周期方程的解及其非线性 45
2.5本章小结 46
第 3章实现摆动周期法的试验装置和测量系统研制 . 49
3.1试验装置概述 . 49
3.2传感器系统 . 50
3.2.1位移传感器 . 51
3.2.2速度传感器 . 57
3.3负阻能量补偿系统 . 60
3.3.1执行器 . 60
3.3.2负阻能量补偿的设计 . 62
3.4双 Kelvin电容器系统 64
3.5直流电压源的研制 . 67
3.6悬挂电极定位系统 . 74
3.7摆动周期测量系统 . 77
3.8自动加、减砝码系统 79
3.9自动化测量平台 80
3.10本章小结 81
第 4章试验结果及其不确定度分析 83
4.1天平灵敏度和等臂性验证 . 83
4.2摆动周期的测量结果 . 85
4.3弹性系数的测量结果 . 89
4.4电压测量结果 . 92
4.5普朗克常数测量结果 . 93
目录 19
4.6不确定度评估 . 95
4.7本章小结 97
第 5章结论与展望 . 99
5.1结论 . 99
5.2展望 101
参考文献 107
后记 .117
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| 內容試閱：
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导师序言国际单位制即 SI，共有 7个基本单位。质量的单位千克，是 SI的一个基本单位，被定义为国际千克原器的质量。截至目前，千克是最后一个仍以实物作为基准的基本 SI单位。使用实物作为基准存在的最大问题，是其量值由于受保存环境，例如海拔、湿度、温度、地磁场、空气中某些物质气体成分等的影响，发生未知的漂移。从 1889年至 2014年国际计量局共进行了 4次千克量值的比对实验，测量数据显示，国际千克原器与其他 6个副基准的质量偏差已经超过 50g。千克量值的变化，直接影响 SI单位制的准确性。因此，为质量的单位千克寻找一个更准确且易于保存、复现的新定义，已成为国际计量界最重要的任务之一。人类为克服实物基准随时间发生漂移的致命缺陷，探索依托近些年量子物理研究取得的成就，改用量子基准取代经典的实物基准。在全世界计量领域科学家的共同努力下，国际计量领域已达成普遍共识，即采用基本物理常数来定义基本 SI单位。届时，国际单位制 SI将会发生重大变革，其基本内容包括：①仍采用现行 SI单位制的 7个基本单位；②采用玻尔兹曼常数 k、电子电荷量 e、阿伏伽德罗常数 NA和普朗克常数 h分别重新定义基本单位开尔文、安培、摩尔和千克；③基本单位坎德拉、米、秒已经采用基本物理常数定义，原定义只需稍做修改；④保持重新定义的基本单位量值不变。由于各个基本物理常数之间存在相关性，例如电子电荷量 e和阿伏伽德罗常数 NA的 99.9％的不确定度，均源于普朗克常数 h的不确定度分量，关于对 h的精确测量，是实现基于基本物理常数的新 SI单位制不可或缺的重要环节。然而，精密测量普朗克常数暨质量量子基准的研究工作十分艰难， 2012年，该项研究被 Nature杂志评为世界第六大科学难题。目前，国际计量局已经基本通过了关于采用普朗克常数 h重新定义千克的草案，并提出，实现质量的量子基准，必须至少有三种基于不同原理实现的技术方案的独立试验结果，且以它们测量得到的普朗克常数的不确定度要小于 5 10.8。而截至 2012年，世界多国计量科学家长期探索并开展的质量量子基准研究的技术方法有很多种，但其原理本质上仅属于两种技术方案，即所谓功率天平方案和硅球方案，并且它们均属于对引力质量的测量。李世松攻读博士学位期间，创新性地提出了一种完全不同于功率天平和硅球的技术方案 基于惯性质量测量的质量量子基准研究新方案，其在技术实现方法上，又称摆动周期法。摆动周期法作为一种技术方案，为质量量子基准研究提供了第三种完全独立的技术路线。与此同时，摆动周期法从基本原理上是基于对宏观惯性质量测量，因而具有更为丰富的物理内涵。摆动周期法一经提出，立即就引起了国际同行的密切关注。李世松在他的博士学位论文中提出了摆动周期法的研究方案，并具体给出了可以证明该方案具有科学合理性的理论框架。具体地，在他的研究中，采用一种等臂式摆动天平实现了砝码质量与其积分量（质心、转动惯量）的解耦，克服了以传统摆动法测量惯性质量时质心难以测准的缺陷；构建了表征摆动天平系统运动特性的微分方程，并通过测量不同砝码和电容两极板间施加不同电压下的摆动周期，建立了电学量与绝对量之间的联系，导出了砝码惯性质量量值和普朗克常数值之间的联系；利用双 Kelvin电容器系统产生反弹性静电力，从而可将对电磁力的表征由三维转化为一维，明显简化了天平系统的准直问题；构建了双 Kelvin电容器系统的准弹性模型，降低了电容器两极板之间的工作电压，从而明显改善了电压源中电阻分压器的负载效应和电压效应；还推导出了摆动天平系统的相平面运动方程，分析了其非线性，并得到了摆动周期的一般解。李世松还研制、搭建了一套实现摆动周期法的试验性测量装置。具体地，设计并优化了位移传感器、速度传感器和执行器，实现了一种线性速度反馈系统，用以控制摆动天平系统的能量；提出了一种新的 Kelvin电容器产生静电力的工作方式，避免了传统工作方式下中心电极与保护电极同步运动的困难；通过拟合电容与竖直距离的相关特性，有效提高了电容测量的稳定性；研制了可输出 1.6kV直流电压的精密电压源；设计出了基于 PLC控制的砝码自动同步加减装置，并实现了摆动天平系统的计算机控制和自动化测量。最终，在所搭建的摆动周期法试验性测量装置上，对普朗克常数值实施了试验测量，并在 10.4量级上验证了以该方法实现质量单位千克的量子基准的可行性。以摆动周期法实现质量量子基准的研究方案已得到国际同行的关注，与之相关研究成果也以论文形式发表在 Metrologia、IEEE Trans. Instrum. Meas.等国际计量领域的知名期刊上。但李世松很清楚，自己在博士学位论文工作阶段，只是提出了一种完全不同于已有的功率天平和硅球的技术方案，而要使得以该技术方案构建的试验装置测量普朗克常数的不确定度达到 10.8的水平，还有许多研究工作要做。为此，李世松毕业后，立即着手开始了博士后研究工作，继续推动该课题研究的不断深入，已经与其他博士生提出一种用环形电容器产生正弹性静电力的方案，有望大幅降低摆动周期法的低频噪声，提高测量的准确性；另外，他还与其他博士生对天平横梁形变引起的系统重心和转动惯量变化进行了深入的研究，发现了这些因素之间存在的物理联系，并根据校准结果，对摆动周期法进行相应补偿，以降低试验装置测量普朗克常数的不确定度。完全有理由期待和相信，沿着李世松提出的摆动周期法的技术路线持续不断地深入研究下去，精雕细刻地研制、改进相应试验装置的每一个功能单元及其具体细节，由这一独立技术方案实现的普朗克常数的测量不确定度指标将会越来越好，我国在该领域的话语权和国际影响力将会不断提升。赵伟清华大学电机工程与应用电子技术系2016年 8月
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