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Development of a method for small mass measurements using the new definition of the kilogram based on the Planck constant

Research Project

Project/Area Number 20H02630
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 29030:Applied condensed matter physics-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

倉本 直樹  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (60356938)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 藤田 一慧  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (80759952)
大田 由一  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (60737237)
張 麓ルウ  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (50392634)
大久保 章  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (30635800)
稲場 肇  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (70356492)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2020: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Keywordsプランク定数 / キログラム / 微小質量 / 標準 / 電圧天びん
Outline of Research at the Start

2019年5月20日、質量の単位「キログラム」の定義が130年ぶりに改定された。新たな定義は物理定数「プランク定数」にもとづく。この歴史的な定義の改定によって、これまで実現することが難しかった、微小な質量をキログラムの定義にもとづき高精度に測定することが原理的に可能となっている。本研究では、このキログラムの定義改定という質量の基準に関する歴史的なパラダイムシフトを積極的に活用し、プランク定数を基準として、1ミリグラムから10マイクログラムの範囲の微小な質量を0.001 %の精度で測定することができる電圧天びんを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

2019年5月20日、質量の単位「キログラム」の定義が130年ぶりに改定された。新たな定義は普遍的な物理定数「プランク定数」にもとづく。この歴史的な定義の改定によって、これまで実現することが難しかった、微小な質量をキログラムの定義にもとづき高精度に測定することが原理的に可能となっている。本研究では、このキログラムの定義改定という質量の基準に関する歴史的なパラダイムシフトを積極的に活用し、以下の項目を実施する。
①プランク定数を基準として、1ミリグラムから10マイクログラムの範囲の微小な質量を0.001 %の精度で測定することができる電圧天びんを開発する。②原子数計測にもとづき質量を測定した微小参照分銅を用いて、①で開発した電圧天びんの健全性を検証する。
令和2年度は以下の項目を実施した。
1. 原子数計測にもとづくシリコン球体質量測定および微小質量分銅の開発:球体体積測定用レーザー干渉計および球体表面分析システムを用い、シリコン単結晶球体の質量をプランク定数を基準として決定した。さらにシリコン単結晶球体を基準として、微小参照分銅の質量を測定した。プランク定数にもとづくシリコン球体質量測定および微小参照分銅の開発結果をまとめ、インパクトファクターの付与された国際誌に論文として発表した。
2. 電圧天びん温度制御システムの開発:外部循環恒温槽で温度を一定に制御された水を循環させることで、電圧天びんの温度を制御するシステムを開発した。温度を一定に制御した条件でステンレス製分銅の質量を測定し、4桁の精度で測定が可能であることをそれらの結果を論文としてまとめ、インパクトファクターの付与された国際誌に論文として発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

電圧天びんの高精度化およびその健全性を検証するための微小参照分銅の開発は予定通り順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

現時点で、電圧天びんによる質量測定の主要な不確かさ要因は、電気的なノイズおよび振動ノイズである。これらを低減するための改良をすすめ、本課題の目標である0.001 %の精度での質量測定を実現する。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(23 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 6 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ドイツ物理工学研究所(PTB)(ドイツ)

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  • [Int'l Joint Research] オーストラリア計測研究所(NMIA)(オーストラリア)

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  • [Journal Article] New Definitions of the Kilogram and the Mole: Paradigm Shift to the Definitions Based on Physical Constants2021

    • Author(s)
      KURAMOTO Naoki
    • Journal Title

      Anal. Sci.

      Volume: 37 Issue: 1 Pages: 177-188

    • DOI

      10.2116/analsci.20sar08

      10.2116/analsci.20SAR08

    • NAID

      130007966709

    • ISSN
      0910-6340, 1348-2246
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  • [Journal Article] Reproducibility of the Realization of the Kilogram Based on the Planck Constant by the XRCD Method at NMIJ2021

    • Author(s)
      Kuramoto Naoki、Mizushima Shigeki、Zhang Lulu、Fujita Kazuaki、Okubo Sho、Inaba Hajime、Azuma Yasushi、Kurokawa Akira、Ota Yuichi、Fujii Kenichi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3061805

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  • [Journal Article] Verifying the Reliability of a Voltage Balance Apparatus to Measure Small Mass and Force Standards at NMIJ2021

    • Author(s)
      Fujita Kazuaki、Fujii Kenichi、Yamamoto Yasuyuki、Ota Yuichi、Kuramoto Naoki
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3052020

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  • [Journal Article] Determination of Defect Concentrations in 28Si Crystals Using EPR for the Realization of the Kilogram2021

    • Author(s)
      Mizushima Shigeki、Kuramoto Naoki、Umeda Takahide
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3062186

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  • [Journal Article] XPS Analysis of a 28Si-Enriched Sphere for Realization of the Kilogram2021

    • Author(s)
      Zhang Lulu、Kuramoto Naoki、Kurokawa Akira
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3066190

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  • [Journal Article] Volume Measurement of a 28Si-Enriched Sphere to Realize the Kilogram Based on the Planck Constant at NMIJ2021

    • Author(s)
      Ota Yuichi、Okubo Sho、Inaba Hajime、Kuramoto Naoki
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 70 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/tim.2021.3061249

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  • [Journal Article] Evaluation of an automated mass comparator performance for mass calibration of sub-milligram weights2021

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      Ota Y.、Ueki M.、Kuramoto N.
    • Journal Title

      Measurement

      Volume: 172 Pages: 108841-108841

    • DOI

      10.1016/j.measurement.2020.108841

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  • [Journal Article] Realization of the New Kilogram Using 28Si-Enriched Spheres and Dissemination of Mass Standards at NMIJ2020

    • Author(s)
      Kuramoto Naoki、Mizushima Shigeki、Zhang Lulu、Fujita Kazuaki、Ota Yuichi、Okubo Sho、Inaba Hajime
    • Journal Title

      MAPAN

      Volume: 35 Pages: 491-498

    • DOI

      10.1007/s12647-020-00393-2

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  • [Journal Article] Report on the CCM key comparison of kilogram realizations CCM.M-K8.20192020

    • Author(s)
      Stock M、Kuramoto N et al.
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 57 Pages: 07030-07030

    • DOI

      10.1088/0026-1394/57/1a/07030

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  • [Journal Article] 40 GHz continuous, precise, and low power-loss laser frequency sweep using an electro-optic modulator2020

    • Author(s)
      Okubo Sho、Kuramoto Naoki、Inaba Hajime
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 28 Pages: 11956-11956

    • DOI

      10.1364/oe.389297

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Surface Analysis of a <sup>28</sup>Si-enriched Sphere for a New Kilogram Definition2020

    • Author(s)
      張ルウルウ
    • Journal Title

      JSA

      Volume: 27 Issue: 1 Pages: 2-14

    • DOI

      10.1384/jsa.27.2

    • NAID

      130008070313

    • ISSN
      1341-1756, 1347-8400
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  • [Presentation] 新しいキログラムの作り方2020

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      倉本直樹、藤田一慧、大田由一
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      第37回合同シンポジウム(第87回日本分析化学会有機微量分析研究懇談会、第113回計測自動制御学会力学量計測部会)、2020年6月11日、講演予稿集発行をもって発表成立
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      倉本直樹、藤田一慧、大田由一
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  • [Presentation] Reproducibility of the realization of the kilogram based on the Planck constant by the XRCD method at NMIJ2020

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      Naoki Kuramoto, Lulu Zhang, Shigeki Mizushima, Kazuaki Fujita, Yasushi Azuma, Akira Kurokawa, Yuichi Ota, and Kenichi Fujii
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      CPEM2020(Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020), August 2020, online virtual conference
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      Shigeki Mizushima, Naoki Kuramoto, Takahide Umeda
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      CPEM2020(Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020), August 2020, online virtual conference
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    • Author(s)
      Lulu Zhang, Naoki Kuramoto, Akira Kurokawa
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      CPEM2020(Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020), August 2020, online virtual conference
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      Yuichi Ota, Hajime Inaba, Naoki Kuramoto, Sho Okubo
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      CPEM2020(Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020), August 2020, online virtual conference
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    • Author(s)
      Kazuaki Fujita, Kenichi Fujii, Yasuyuki Yamamoto, Yuichi Ota, Naoki Kuramoto
    • Organizer
      CPEM2020(Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2020), August 2020, online virtual conference
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  • [Presentation] 普遍的な物理定数にもとづくキログラムの新しい定義2020

    • Author(s)
      倉本直樹
    • Organizer
      日本学術振興会 将来加工技術第136委員会 令和2年度第1回研究会、2020年11月2日、オンライン開催
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    • Invited
  • [Remarks] 産業技術総合研究所工学計測標準研究部門質量標準研究グループホームページ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/riem/mass-std/

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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