プランク定数にもとづくキログラムの新たな定義を利用した微小質量測定方法の開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02630
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 微小質量 / プランク定数 / キログラム / 標準 / 電圧天びん

研究実績の概要

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4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、これまでに実施した球体質量測定結果との比較を行った。球体表面分析についてはシミュレーションによる分析の妥当性評価を行った。また、微小参照分銅を自動搬送する機能を備えた分銅自動校正システムを開発し、その性能を評価した。
2. 電圧天びんの開発：電圧天びんによる微小質量測定におよぼす装置形状の影響を、有限要素法を用いて評価した。
1および2の実施によって、合計4本の論文を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。また、1件の国内学会発表、2件の国際学会発表を行った。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ドイツ物理工学研究所（PTB）(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ドイツ物理工学研究所（PTB）
• [国際共同研究] イタリア計量研究所（INRiM）(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: イタリア計量研究所（INRiM）
• [国際共同研究] オーストラリア計量研究所（NMIA）(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: オーストラリア計量研究所（NMIA）
• [国際共同研究] 国際度量衡局（BIPM）(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: 国際度量衡局（BIPM）
• [雑誌論文] Final report on the CCM key comparison of kilogram realizations CCM.M-K8.2021 (2023)
  • 著者名/発表者名: Stock M、Fujita K、Inaba H、Kano K、Kuramoto N、Mizushima S、Okubo S、Ota Y、Zhang L et al.
  • 雑誌名: Metrologia 巻: 60 ページ: 07003～07003
  • DOI: 10.1088/0026-1394/60/1A/07003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 新しいキログラムの定義とキログラム原器の重要文化財指定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 雑誌名: 計測標準と計量管理 巻: 72 ページ: 2～9
• [雑誌論文] Evaluation of automatic sub-multiple mass calibration for sub-milligram weights at NMIJ (2022)
  • 著者名/発表者名: Ota Y.、Ueki M.、Kuramoto N.
  • 雑誌名: Measurement 巻: 198 ページ: 111320～111320
  • DOI: 10.1016/j.measurement.2022.111320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Finite-Element Simulation of Effect of Surface Roughness of Coaxial Cylindrical Electrodes on Small Mass and Force Measurements Using Voltage Balance Apparatus (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujita Kazuaki、Kuramoto Naoki
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 巻: 71 ページ: 1003306～1003306
  • DOI: 10.1109/TIM.2022.3165249
  • 査読あり
• [雑誌論文] Realization of the New Kilogram Based on the Planck Constant by the X-Ray Crystal Density Method (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto Naoki
  • 雑誌名: Handbook of Metrology and Applications 巻: - ページ: 1～22
  • DOI: 10.1007/978-981-19-1550-5_11-1
• [学会発表] Present status of the realization of the kilogram by counting atoms in 28Si-enriched crystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoki KURAMOTO
  • 学会等名: CPEM2022（ウェリントン・ニュージーランド）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical Investigation of Effective Optical Characteristics of Dielectric Mixture Layer on Si Sphere by FDTD Method (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki FUJITA and Naoki KURAMOTO
  • 学会等名: CPEM2022（ウェリントン・ニュージーランド）
• [学会発表] Torque generating machine based on the principle of the Kibble balance at NMIJ (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoki KURAMOTO, Atsuhiro NISHINO, Sayaka HAMAJI, Koji Ohgushi
  • 学会等名: CPEM2022（ウェリントン・ニュージーランド）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 新しい1キログラムの作り方 (2022)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹、藤田一慧、大田由一
  • 学会等名: 第89回日本分析化学会有機微量研究懇談会（オンライン）
• [学会発表] キログラムの新しい定義 (2022)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 学会等名: 京都府計量協会計量士部会総会（オンライン）
  • 招待講演
• [学会発表] キログラムの新しい定義 (2022)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 学会等名: 力学量標準トレーサビリティ・ワークショップ（京都国際会館）
  • 招待講演
• [学会発表] 新しいキログラムの定義と日本国キログラム原器の重文指定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 学会等名: NMIJ法定計量セミナー（東京ビッグサイト）
  • 招待講演
• [備考] 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/