能量天平研究进展

能量天平法已在中国计量科学研究院开展了几年的研究。研究的目的与功率天平法是一致的,即通过测量普朗克常数来建立质量量子基准,但具体方法不同。2010年以来该项研究取得一定进展。例如对于直流互感量测量这一关键问题,已研究出一种新的方波补偿方法,测量不确定度达到10^-7量级（k=1）。还研发了一种涡流传感器,可更准确地对可动线圈定位。线圈系统的准直问题也得到进展,研制了一种油阻尼器,大大减小了由于天平基础振动和线圈加热上升气流引起的线圈抖动。这些措施改善了线圈位置及互感测量的不确定度。测量普朗克常数h的最新结果为6626104(59)×10^-34J·s,综合的相对不确定度为8.9×10^-6（k=1）。对所遇到的困难和进一步的改进措施也在文中进行了讨论。     

焦耳天平（量子质量基准）磁场系统的不确定度分析

基于焦耳天平激励线圈系统的具体结构,分析了磁场系统几何中心磁场强度的不确定度分量,磁场的相对合成标准不确定度ΔH/H达到1.8×10^-3。证明了影响焦耳天平磁场最大的不确定度分量来源于线圈中加载电流的不确定度u(I),它对磁场的相对合成标准不确定度ΔH/H影响达到1.8×10^-3,因此推荐采用高稳定的恒流源来较少焦耳天平磁场的不确定度。     

面向能量天平同步测量的磁链差测量方法研究

能量天平法作为一种质量量子基准研究方案,其中磁链差测量是能量天平测量过程的核心,其基本原理是对线圈感应电压的时间积分进行测量。原有的磁链差测量方法是基于数字积分原理的,当其应用于能量天平同步测量方法中时,难以克服数据采集卡的本征弱点,无法满足10^-8量级的相对标准不确定度需求。为此,基于双积分型模数转换器(ADC)提出了一种模拟积分测量原理的磁链差测量方法。该方法利用双积分型ADC的模拟积分测量特性,消除原方法中电平保持采样过程引入的测量误差;通过定序触发多个并联的ADC进行接续测量,去除ADC数字量化过程引入的测量死区;配合使用多ADC分时清零方法,抑制时变噪声累积导致的测量分散性。测试结果表明,在同步测量过程中应用上述方法之后, 磁链差测量的相对标准不确定度由原来的10^-6量级抑制至1.7×10^-8。     

GPS在轨卫星原子钟性能评估

卫星钟在轨性能评估对于卫星钟差预报与系统完好性监测具有重要作用。利用国际GNSS服务组织发布的事后GPS精密卫星钟差数据,基于频率准确度、漂移率、万秒稳定度及天稳定度对GPS Block IIR、IIR-M、IIF与IIIA 4类卫星的星载钟性能进行评估。结果表明:1) GPS卫星钟的频率准确度与天漂移率分别在10^-13～10^-12量级与10^-15～10^-14量级;2) 星载铷钟的万秒稳定度与天稳定度分别可达10^-14与10^-15量级,比星载铯钟的同类指标高近一个数量级;3) 新型Block IIIA卫星的星载钟的天稳定度比另外3种类型卫星的星载钟的天稳定度更高,达到(3～5)×10^-15的水平;4) 无论对于不同系列卫星还是同一系列卫星,各星载钟之间均存在一定的性能差异,这种差异与卫星钟在轨运行时间长短无显著关系。     

超灵敏度真空检漏技术进展

文章主要介绍国内外超灵敏度真空检漏技术的现状与发展。超灵敏度真空检漏是指对小于10^-12 Pa·m³/s的漏率进行检测的技术,它是高可靠长寿命真空器件封装的重要诊断手段。当前普通商用检漏仪受质谱分析下限和微小电流测量下限等因素的限制,其实际检漏下限一般为10^-11 Pa·m³/s量级,采用软件修正后显示的检漏下限可达10^-12 Pa·m³/s量级。为了解决对微小漏率的超高灵敏度检测,国际上自上世纪60年代开始相关技术研究,主要围绕检漏下限的延伸和检漏精度的提高两方面开展工作。国内突破了多项技术难题,最新研制出下限为5×10^-16 Pa·m³/s的超灵敏度真空检漏仪,并将检漏结果的合成标准不确定度减小到15%以内。     

面向凝汽器检漏需求的多工质泄漏研究

凝汽器作为核电站重要的冷却设备，其密封性直接关系核电站的安全运行。本文模拟凝汽器真实工况(真空侧7500Pa，压力侧110kPa)，基于四极质谱仪搭建了实验系统，研究了不同量级漏孔(氦气等效漏率为10^-7～10^-1Pa·m³/s)下氦气、空气、SF₆三种气体介质的漏率。结果表明，在凝汽器工况下，所研究量级范围内气体介质漏率与介质种类无关，只与标称漏率有关。     

NEG泵抽气性能仿真模拟与测试系统设计

烧结型非蒸散吸气剂(NEG)泵HV400具有对氢及氢同位素有很高的亲和力,即使室温状态下也能发生吸附效应。为了适用于EAST托卡马克中性束注入器工作条件下稳定抽气,针对HV400的抽气性能开展了模拟仿真和实验研究。采用Molflow软件仿真分析了工作状态下不同进气量的压力分布规律与抽气性能,得到了系统平衡压力与进气量以及抽速随着平衡压力而变化的特性曲线,发现三种气体在10^-3～10^-2 Pa时抽速有微小起伏,表明HV400对H₂、CO₂和N₂抽气性能稳定,评估结果与实际抽速相比误差分别为1.95%、3.13%和2.09%,均在合理误差范围内。基于标准化流量计法完成了NEG泵抽速测试系统设计与平台搭建,并进行了抽速性能测试实验,实验结果与仿真模拟都验证了系统设计的可行性,且在10^-3 Pa量级下抽氢效果最好,为NEG泵在中性束注入器的真空系统设计提供了理论依据和技术支持。     

圆柱微波谐振法测量氩气折射率

氩气等单原子气体的折射率,是检验量子力学从头算理论的重要参数。基于圆柱微波谐振法,精确测量了234～303 K、 0～750 kPa范围内氩气的折射率。测量了圆柱腔内不同压力下4种横磁 (TM) 模式的微波谐振频率,对谐振频率进行非理想因素修正后,结合真空下的微波谐振频率获得氩气的折射率。圆柱腔内微波谐振频率测量不确定度为2×10^-8,4种模式获得的氩气折射率的相对标准偏差小于1×10^-6。通过氩气的折射率计算获得了氩气的第一介电维里系数,与国际上已发表的结果具有良好的一致性。基于建立的实验系统,后续可开展其他气体的折射率测量。     

声学法砝码体积测量系统的研究

利用声学原理,设计了一套声学法砝码体积测量系统,以满足高精度砝码体积的测量需求。实际测量实验中,通过系统对10～100g的砝码进行了体积测量,测量结果同液体静力法相比,相对误差低于8.3×10^-4;系统的相对扩展不确定度小于4.3×10^-4。     

超导稳频振荡器的研究

基于理论分析和计算机仿真,得到了超导稳频振荡器的设计方案,主要包括高Q超导腔、低温环境及锁相环电路等组件的设计。通过实验验证,超导腔的Q值达到2×10⁹,低温环境温度达到1.8 K,温度的稳定度优于0.001K。根据实验结果优化设计后进行系统联调,得到了初步实验结果,超导稳频振荡器的1s频率稳定度达到10^-13量级     

A calibrating device for large direct current instruments up to 320kiloampere-turns

A device for calibrating large dc instruments ranging up to 320 kA has been designed. The calibrating coil simulates the actual busbar and its turns can readily be changed to meet various required measurement ranges. The calibrating coil is arranged in the shape of a cross so that we can determine the influence of the external magnetic field. The accuracies are 6×10^-6 when a differential current measuring method is adopted and 200×10^-6 when a differential voltage measuring method is adopted. The stability of the power supply is 0.02% per hour. The error due to the current fluctuation is very small and thus can be neglected     

A 100000-A high precision on-site measurement calibration devicefor heavy direct current

A 100000-A, high precision device of the magnetic modulation current comparator type, which can be used in industrial heavy direct current systems for online calibration and measurement, is presented. Testing of the comparator indicates that its current ratio accuracy is 5×10^-5, and that measurements of voltage with a standard resistor achieve an accuracy of 5×10^-4. These are slightly degraded to 3×10^-4 for on-site calibration and 1×10^-3 for on-site measurement. The device, which has a toroidal configuration, can be opened for each installation on a busbar, with a variation in accuracy of less than 2×10^-5. Its magnetic shielding renders it insensitive to magnetic fields up to 1×10^-2 Tea. Its accuracy is better by a factor of two than that of similar industrial measuring devices. The principle of operation and the characteristics of the comparator, the double shielded design, and an analysis of its errors are discussed     

Highly Selective Cyanide Coated-Wire Electrode Based on a Recently Synthesized Co(II) Complex With the N,N′ -Bis(2-Quinolinecarboxamido)- 1,2-Benzene Applying Batch and Flow Injection Analysis Techniques

A poly(vinyl chloride) (PVC)-based coated wire electrode based on [Co(II)bqb] (bqb = N,N'-bis(2-quinolinecarboxamido)-1,2-benzene) as a novel sensing material for determination of trace amounts of cyanide ions is successfully developed. The effect of electrode substrate, membrane composition and pH of the working solution on the behavior of the sensor was investigated. The electrode was also used in flow injection potentiometry by a home-made flow cell. The electrode revealed Nernstian response towards cyanide anion over the concentration ranges 3.2times10^-7 to 2.0times10^-4 molldrL^-1 and 5.0times10^-6 to 1.0times10^-3 molldrL^-1 applying batch and flow injection analysis (FIA), respectively. The lower detection limits are 3.2times10^-7 molldrL^-1 and 5.0times10^-6 molldrL^-1 for batch and FIA, respectively. The electrode shows a short response time (<5 s) in the whole concentration range. The selectivity of the electrode in comparison with most of cyanide selective electrodes is high. The flow cell is simple to construct and free from memory effect problems over long periods of use. The proposed electrode was successfully applied for the determination of cyanide in commercially available spring water under both batch and flow injection conditions. A comparative study revealed no significant difference between ASTM method and the proposed technique.     

气体活塞式压力计基准量值传递自动化研究

研制和改进了基于传感器辅助方法的活塞式压力计自动化校准系统,介绍了基于LabVIEW编制的校准软件的组成和功能。通过与传统方法的比对,实验研究了自动校准系统应用于气体活塞式压力计国家基准量值传递工作的可靠性。研究表明,传感器系数γ与1的偏差和相对压差β的乘积小于10^-6时,γ可作为1处理;测量上限为7MPa的反压型气体活塞,全量程和半量程的拟合数据表明活塞的压力形变具有一定的非线性,因此对于高压活塞应进行全量程校准;PG7607活塞底座发热导致0.33 ℃的活塞温度测量误差,由此产生3×10^-6的压力测量误差,对于压力基准是不可忽略的;180kPa、360kPa和3MPa 活塞的2种方法校准结果偏差分别约为标准不确定度的10%、1%和2%,验证了自动化校准系统的高可靠性。     

基于压浮原理的单晶硅球密度比较测量方法研究

为了克服单晶硅球密度测量静力称重法精度受液体表面张力的影响,研究了压浮法进行单晶硅球密度精密比较测量方法和测量系统。在一定的温度下,调节压力,利用液体压缩系数控制液体密度使标准单晶硅球和被测单晶硅球稳定悬浮于工作液体中,通过温度、压力和悬浮高度的测量,计算出二者之间的密度差值。通过双层控温系统保证了液体温度长期波动在±0.25 mK内,利用标准单晶硅球在不同温度-压力悬浮条件线性关系计算出液体压缩系数。试验证明,压浮法测量装置实现了单晶硅球密度差值的精密测量,标准测量相对不确定度为2×10^-7。     

Dielectric property measurement system at cryogenic temperature andmicrowave frequencies

A system based on the resonant cavity method has been developed to measure the permittivity and loss tangent at 12-18 GHz over the temperature range 80-300 K. Changes of permittivity as low as 0.01% in the range 1-30, 3x10^-6 for loss tangent values below 10^-2, can be measured without requiring temperature stability. The thermal expansion coefficient and resistivity factor of copper have been measured between 80 K and 300 K. The permittivity of sapphire and loss tangent of alumina of 99.9% purity in the same temperature range are presented     

超低温用紫外光快速固化丙烯酸酯树脂体系的制备及性能

在丙烯酸酯体系中加入填料酚酞基聚芳醚酮（PEKC）,通过紫外光（UV）固化交联制备出可快速固化且耐超低温（液氮）的PEKC/丙烯酸酯体系,通过考察PEKC/丙烯酸酯体系的凝胶率及固化收缩率,确定了其在UV固化下的交联程度及固化收缩状况;通过动态热机械分析表征了PEKC/丙烯酸酯体系的线性热膨胀系数（α）,研究了其在温度变化下的尺寸稳定性;测试并比较了PEKC/丙烯酸酯体系在超低温及室温下的剪切强度,表征了其耐超低温性能。结果表明,PEKC与丙烯酸酯质量比为0~4%的PEKC/丙烯酸酯体系可以实现快速固化,固化5 s后树脂的凝胶率可达80%以上。随着PEKC/丙烯酸酯中PEKC质量比从0增加到4%,固化后PEKC/丙烯酸酯体系在-150~50℃温度范围的线性热膨胀系数由6.71×10^-5℃^-1降低至5.29×10^-5℃^-1,体收缩率由25.61%降低至6.24%,线收缩率由1.78%降低至0.41%,而其断裂延伸率逐渐提高,韧性增强。研究发现,PEKC/丙烯酸酯复配体系的室温拉伸强度都在20 MPa以上,PEKC与丙烯酸酯质量比为3%的PEKC/丙烯酸酯体系铝-玻璃搭接在室温和液氮温度下的拉伸剪切强度分别可达17.48 MPa和17.23 MPa。     

基于电压串联加法的1000kV国家工频电压计量标准

国家高电压计量站使用了特殊设计的准确度达0.01级的1000kV串联式标准电压互感器成功地进行了1000kV工频电压加法试验,比值差和相位差测量不确定度均小于等于2×10^-5和0.06′。所得量值与800kV电容式工频电压比例标准装置测量结果比对,比值差的最大偏差为2.7×10^-5,相位差的最大偏差为0.11′,均没有超出双方的90%置信概率区间。