焦耳天平(量子質(zhì)量基準(zhǔn))的磁場(chǎng)系統(tǒng)研究.pdf

1、質(zhì)量的單位千克是國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一,卻是現(xiàn)在唯一仍在使用的實(shí)物基準(zhǔn)?，F(xiàn)代計(jì)量的發(fā)展方向是用基于量子物理的自然基準(zhǔn)替代實(shí)物基準(zhǔn),當(dāng)前有關(guān)更新國(guó)際單位制中質(zhì)量單位定義的幾種設(shè)想都是把質(zhì)量單位歸結(jié)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(zhì)量基準(zhǔn)的熱點(diǎn)方案——功率天平,結(jié)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(duì)稱激勵(lì)線圈組結(jié)構(gòu)。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均表明,這種新

2、型軸對(duì)稱線圈系統(tǒng)提供的磁場(chǎng)均勻區(qū)滿足結(jié)構(gòu)參數(shù)互感量M的準(zhǔn)確測(cè)量要求。
　　 本論文作為焦耳天平方案磁場(chǎng)系統(tǒng)的開創(chuàng)性工作,緊緊圍繞準(zhǔn)確測(cè)量互感結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求,在以下方面進(jìn)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(duì)稱激勵(lì)線圈組結(jié)構(gòu),利用解析方法和數(shù)值計(jì)算證明只要內(nèi)部激勵(lì)線圈和外部激勵(lì)線圈的間距R與激勵(lì)線圈與懸掛線圈的距離H滿足R=4/3 H2,內(nèi)部激勵(lì)線圈、外部激勵(lì)線圈、懸掛線圈匝數(shù)比滿足10000:2

3、700:430時(shí),在焦耳天平磁場(chǎng)對(duì)稱平面附近會(huì)形成軸向長(zhǎng)度為2cm的環(huán)形磁場(chǎng)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(jì)算了焦耳天平軸對(duì)稱激勵(lì)線圈系統(tǒng)的靜磁場(chǎng)參數(shù),對(duì)焦耳天平磁場(chǎng)均勻區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,互感結(jié)構(gòu)參數(shù),懸掛線圈洛侖茲力情況均進(jìn)行了分析計(jì)算。
　　 3.利用有限元軟件ANSYS對(duì)焦耳天平的磁場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,模擬焦耳天平激勵(lì)線圈組磁場(chǎng)的空間分布,驗(yàn)證磁場(chǎng)均勻區(qū)的范圍和大小。根據(jù)軸對(duì)

4、稱線圈組矢量磁位A的特點(diǎn),利用LabVIEW語言編寫了六套計(jì)算不同靜磁場(chǎng)參數(shù)的計(jì)算程序。通過數(shù)值積分計(jì)算橢圓函數(shù),可以快速準(zhǔn)確計(jì)算不同軸對(duì)稱線圈組合其空間磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度、互感參數(shù),互感梯度參數(shù),共軸與不共軸軸對(duì)稱線圈組作用力等靜磁場(chǎng)參數(shù),計(jì)算程序具有普適性。
　　 4.實(shí)際構(gòu)建了焦耳天平磁場(chǎng)系統(tǒng),包括激勵(lì)線圈組和懸掛線圈,通過仔細(xì)裝配準(zhǔn)直,構(gòu)成焦耳天平共軸激勵(lì)線圈系統(tǒng)。利用自制空間磁場(chǎng)分布測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量焦耳天平的空間磁場(chǎng)分