[論文レビュー] An Oscillating Magnet Watt Balance

H. Ahmedov|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、静止したコイルに誘導電圧を発生させるために振動する磁石を用いた、新しいワットバランスの設計を提案している。この手法により、力の測定を機械的運動から分離でき、環境への影響や機械的ノイズに対する感受性が低減される。可動コイルを排除し、装置を簡素化することで、環境への感受性が低く、機械的ノイズに強く、1回の実験で直接的にプランク定数を決定できる。

ABSTRACT

We establish the principles for a new generation of simplified and accurate watt balances in which an oscillating magnet generates Faraday's voltage in a stationary coil. A force measuring system and a mechanism providing vertical movements of the magnet are completely independent in an oscillating magnet watt balance. This remarkable feature allows to establish the link between the Planck constant and a macroscopic mass by a one single experiment. Weak dependence on variations of environmental and experimental conditions, weak sensitivity to ground vibrations and temperature changes, simple force measuring procedure, small sizes and other useful features offered by the novel approach considerably reduce the complexity of the experimental setup. We formulate the oscillating magnet watt balance principle and establish the measurement procedure for the Planck constant. We discuss the nature of oscillating magnet watt balance uncertainties and give a brief description of the National Metrology Institute (UME) watt balance apparatus.

研究の動機と目的

• 実験的複雑性と環境への感受性を低減する、簡素化され、耐障害性の高いワットバランスの設計を開発すること。
• 力の測定系を磁石の垂直運動から分離することで、安定性と精度を向上させること。
• 振動によって機械的力と電気的電圧を結びつけることで、1回の実験で直接的にプランク定数を決定できること。
• 静止コイル構成により、地面の振動、温度変動、機械的ドリフトに対する感受性を低減すること。
• 高精度なプランク定数測定を目的とする国立計量研究所に実用的でスケーラブルな設計を提供すること。

提案手法

• 制御された調和振動で垂直に駆動される振動磁石を、静止コイルの上に配置する。
• コイルに誘導される電圧は、ファラデーの電磁誘導の法則に従い、磁石の速度に比例して測定される。
• スプリングやロードセルなどの力測定システムを用いて、磁石にかかる力を別個に測定する。
• 振動磁石の速度と発生電圧の関係を用いて、磁束リンクを特定し、その結果としてプランク定数を求める。
• 実験は2段階に分けられる：1つは磁石がコイルの磁場内で振動している状態（電圧測定）、もう1つは磁石が重力下で吊り下げられている状態（力測定）。
• 振動数と質量を考慮した基本的関係式 h = 4m g v / (2πf) を用いて、測定された電圧と力の比からプランク定数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静止コイルと振動磁石を用いたワットバランスを設計することで、実験的セットアップを簡素化できるか？
• RQ2 力の測定を運動から分離することで、プランク定数の決定における安定性と精度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 この振動磁石ワットバランスは、温度変動や振動などの環境的要因に対してどの程度感受性を示すか？
• RQ4 この新規構成を用いて1回の実験で高精度なプランク定数の値を取得できるか？
• RQ5 この設計における測定不確かさは、従来のワットバランスと比較してどの程度か？

主な発見

• 振動磁石ワットバランスの設計により、力の測定を機械的運動から分離でき、機械的複雑性が顕著に低減された。
• 静止コイルと制御された振動により、温度変動や地面の振動といった環境変動に対する依存性が弱い。
• 測定手順により、1回の実験で直接的にプランク定数を決定でき、複数回の走行や複雑なキャリブレーション手順の必要がなくなる。
• 国立計量研究所（UME）は、振動磁石ワットバランスのプロトタイプを実装し、この手法の実現可能性を示した。
• 理論的分析により、機械的ドリフトやアライメント誤差に起因する不確かさが低減され、高い精度を維持できることが示された。
• 可動コイルや複雑な位置決めシステムが不要なため、小型でよりコンactなセットアップが可能になった。