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新公斤定義施行 - 從IPK轉換至個別原級公斤實現的三個階段

自2019年5月20日開始,質量單位公斤已不再由國際公斤原器(International Prototype of Kilogram, IPK)所定義,而改由固定數值的普朗克常數定義,此數值在以SI單位焦耳×秒 (J×s)表示時為6.626 070 15 ´ 10-34。雖然新公斤定義已正式實行,但IPK仍尚未退役,其質量不確定度由原先的0公斤變為目前的10微克(mg)。這個額外的質量不確定度來自於普朗克常數之量測結果(詳見CODATA 2017數值),普朗克常數之相對標準不確定度為1´10-8,所對應之質量不確定度即為10微克。為了使新公斤定義順利施行,國際質量技術諮詢委員會(Consultative Committee for Mass and Related Quantities, CCM)訂定了以下三個轉換階段:一、IPK為國際追溯標準,並增加一額外10微克之量測不確定度,二、公斤共識值(Consensus Value, CV)為國際追溯標準,由具備原級公斤實現能力之實驗室進行比對決定,三、原級公斤實現方法為各自追溯標準。

看似一切順利的新SI定義投票通過、頒布與施行,為何IPK仍無法退役?而且又多了一個新名詞「公斤共識值」?這一切的根源還是來自於Kibble(瓦特)天平法與矽晶球(XRCD)法所得結果間仍存在著些微的不一致性。如果將CODATA 2017數值所收錄的四組Kibble天平結果與四組XRCD結果分別加權平均,兩者所得到的加權平均結果之間的偏差已經大過個別的標準不確定度;換句話說,在涵蓋因子k=1的情況下,XRCD與KB天平所得結果並不一致(即En值大於1),但若以一般國際比對計算一致性的情況,即k=2時,兩者結果則為一致。

為了確保新舊定義之間的連續性、時間穩定性以及等效性,CCM決定使用公斤共識值作為過渡時期的國際追溯標準。決定此共識值的比對實驗由BIPM每兩年舉辦一次,計畫將舉辦三次,最終之共識值將由三次結果之平均而得。第一次的公斤共識值比對已於今年(2019)九月啟動,比對參與實驗室必須於明年2月之前完成公斤實現與導引工作,並將各自之傳遞標準件送至BIPM進行比對。CCM預計2020第一季之前可以得到CV比對的初步結果,第二次與第三次的CV比對將於2021與2023舉辦。中心新質量團隊已完成矽晶球球核質量評估,與真空至大氣質量導引所需之吸附效應量測技術建置,目前則專注於矽晶球表層質量量測系統的軟硬體整合工作。在完成這項XRCD法實現公斤標準之最後一塊拼圖,將按規劃參加後續兩次的CV比對,除了對國際量測資料庫貢獻一己之力外,也確保我國未來能獨立自主的實現與傳遞公斤標準。

                                                                                                                                                           (作者: 國家度量衡標準實驗室 陳生瑞博士)

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  • 網站最新更新日期 : 2020/08/10
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