[보고서]와트저울 개발

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보고서 정보
주관연구기관	한국표준과학연구원 Korea Research Institute of Standards and Science
보고서유형	연차보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2013-10
과제시작연도	2013
주관부처	미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning
등록번호	TRKO201400012112
과제고유번호	1711007797
사업명	한국표준과학연구원연구운영비지원
DB 구축일자	2014-07-05
키워드	와트 저울.킬로그램 재정의.플랑크 상수.질량 표준.전기 표준.Watt balance.kg redefinition.Planck constant.mass standards.electrical standards.

초록 ▼

연구목표
◦최종 연구목표
-와트저울을 개발하여 질량재정의에 기여하고 차세대 질량 표준기를 개발함(목표 불확도 : 2×10^-8)
◦당해년도 연구목표
-시스템 상세설계
-구동부 설계 및 1차 프로토타입 제작
-자석부 설계 및 제작
-코일속도 측정시스템 설계 및 제작
연구내용
◦1년차 연구내용
- 개념설계
- 자석부 설계 (균일도 1×10^-4)
- 구동부 설계 (피스톤/실린더 및 Sarrus 기구를 이용한 선형 안내기구)
- 코일 진직도 측정시스템 (감도 : 2.457 mV/nm, 범위 : ±7 μm)
◦2년차 연구내용
- 시스템 개념 설계
- 설계 타당성 검증 및 요소기술 평가를 위한 0호기 제작
- 정밀구동부 도면화, 치구 설계, 가공 및 조립
- 정밀구동부 프로토타입 제작 및 동작 성능 측정
- 자석부 형상 최적화 및 조립/해체 기구 설계
- 호모다인 간섭계를 이용한 코일 속도 측정 시스템 설계
- 레이저 간섭계 및 신호처리부 개발
- 조셉슨 전압표준기용 직류 및 마이크로파 바이어스 회로 제작
- 양자홀 시스템용 디지털 전류원 및 저항측정 시스템 개발
◦3년차 연구내용
- 미진동 구현, 실험실 환경 구축
- 시스템 제작 및 측정
- 조셉슨 시스템, 전기측정 시스템 구축
기대효과
◦독자적인 와트저울을 개발함으로서 킬로그램 단위 재정의에 기여
◦킬로그램 재정의 이후 1차 표준기로 활용
◦국외 NMI와 와트저울 상호비교 및 검증

목차 Contents

주요사업 연차실적·계획서 ... 1
Ⅰ. 과제 개요 ... 1
1. 현 황 ... 1
한 글 요 약 문 ... 3
Ⅱ. 2차년도(’13) 실적 ... 4
1. 연구개발 개요 ... 4
2. 연구개발 목표 및 평가의 착안점 ... 6
3. 연구범위 및 연구수행 방법 ... 7
4. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
5. 연구개발 목표 달성도 및 자체평가 ... 39
6. 연구수행방법의 우수성과 및 사회적 기여도 등 ... 40
7. 연구성과 및 활용 ... 41
8. 연구 투입 자원 내역 ... 43
9. 연구책임자의 자율 평가 의견 ... 45
10. 연구수행에 따른 문제점 및 개선방향 ... 45
11. 중요 연구변경 사항 ... 45
12. 기타 건의사항 ... 45
Ⅲ. 3차년도(’14) 계획 ... 46
1. 국내․외 관련 분야의 환경 변화 ... 46
2. 연구개발 목표 및 내용 ... 46
3. 연구 추진 계획 ... 47
4. 연구개발 추진체계 ... 47
5. 산·학·연 협동연구 추진계획 ... 48
6. 국제공동연구(협력) 추진계획 ... 48
7. 연구개발결과의 활용방안 및 기대성과 ... 48
8. 연구원 편성표 ... 49
9. 연구비 소요명세서 ... 50
10. 국가과학기술종합정보서비스(NTIS) 입력 자료 ... 57
끝페이지 ... 57

표/그림 (43)

표 Fig. 1. Proposed mass dissemination process after the kg redefinition.
표 Fig. 2. Experimental results for Planck constant.
표 Fig. 3. Quantification of the error of laser alignment to gravity.
표 Fig. 4. (Left) Alignment of electrical axis to magnetic axis. (Right) Alignment of coil mass center to magnetic center
표 Fig. 5. (Left) Aignment of coil pivot to magnetic axis. (Right) Alignment of mass pivot.
표 Fig. 6. Mass compensation using dead weight (left) and pneumatic force (right).
표 Fig. 7. Block diagram for coil velocity control.
표 Fig. 8. System configuration for the test bench system (left) and a load cell (right).
표 Fig. 9. Magnet system and magnetic field distribution
표 Fig. 10. Assembly process of the permanent magnet system.
표 Fig. 11. Photographs of the magnet assembly system (left) and watt balance prototype (right).
표 Fig. 12. (Left) Velocity profile (v = 2 mm/s, 15 Hz sampling rate). (Right) Induced voltage due to coil velocity of 2 mm/s.
표 Fig. 14. (Left) Magnet tilt and translation stage. (Right) Metrology frame including interferometers.
표 Fig. 13. Watt balance system configurations.
표 Fig. 15. Guiding stage using piston and cylinder assembly.
표 Fig. 16. Flexure connector, piston, and cylinder.
표 Fig. 17. modified piston/cylinder assembly.
표 Fig. 18. (Left) Position sensor to measure linearity of the guiding stage. (Right) measurement principle.
표 Fig. 19. Top view showing position sensor configuration.
표 Fig. 20. linearity of the guiding stage in (a) x direction and (b) y direction.
표 Fig. 21. linearity of the guiding stage after subtraction of the constant slope; (a) x direction, (b) ydirection
표 Fig. 22. juxtaposition of two cylinders to increase the travel distance of the guiding stage.
표 Fig. 23. (Right) Uniformity of magnetic flux density along the cylindrical axis at the air-gap according to the half height of middle yokes. (Left) Radial magnetic flux density at the air-gap center and its temperature coefficient according to the outer angle of a thermal compensator subsection
표 Fig. 24. Optimized dimensions of the changed magnet.
표 Fig. 25. (a) Configuration of the heterodyne interferometer (LNE); (b) schematic summary of the signals used to measure the coil velocity during the dynamic phase
표 Fig. 26. Configuration of an optical measurement system for the KRISS watt balance
표 Fig. 27. Laser interferometer for the KRISS watt balance
표 Fig. 28. Configuration of optical signal processing part
표 Fig. 29. Configuration of PXI module in the optical signal processing part
표 Fig. 30. Synchronization of the PXI module clock using an external reference signal
표 Fig. 31. Design of a laser interferometer for the KRISS watt balance
표 Fig. 32. Photographs of an experimental system
표 Fig. 33. (a) Interference signals (blue: 0°, yellow: 90°, red: 180°); (b) normalized output of interference signals
표 Fig. 34. Configuration of a program for the FPGA board
표 Fig. 35. Timing scheme for applying clock and trigger signals
표 Fig. 36. Configuration of a program for the PXI controller
표 Fig. 38. Block diagram of waveform synthesizer adopting programmable Josephson voltage standard.
표 Fig. 39. Screen shot of software package for a programmable Josephson voltage standard.
표 Fig. 40. Digital double current source with integrated nanovoltvoltmeter
표 Fig. 41. Voltage noise (a) and current noise (b) of the chopping amplifier with a frequency of 570 and 1770 Hz
표 Fig. 42. Resistance calibration setup with the digital current source.
표 Fig. 43. Cross check of the calibrated resistance values among QHR, 100 Ω, 10 kΩ and QHR, 10 k Ω, 1 MΩ standard resistors, respectively
표 Fig. 1. 2013년 현재 NIST, NRC 와트저울과 아보가드로 실험을 통하여 측정한 플랑크 상수 값

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
키워드(keyword) :	-
과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
기대효과(Effect) :	-

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