基于雙球體吸引質(zhì)量的扭秤周期法測(cè)量牛頓引力常G.pdf

1、Cavendish 1798年采用扭秤取得歷史上第一個(gè)牛頓引力常數(shù)G的測(cè)量值以來(lái)，人們?cè)谶@一領(lǐng)域內(nèi)做出了艱苦卓絕的努力，將不斷發(fā)展的近代科學(xué)技術(shù)與巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合，力求得到精確可靠的結(jié)果。然而由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的困難，在其他基本物理量常數(shù)的精度均已達(dá)到1ppm以下時(shí)，G的精度仍然停留在100ppm的水平上。不僅如此，世界上各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的測(cè)量結(jié)果之間的吻合程度總是差于其各自的標(biāo)稱(chēng)精度。這暗示著目前的測(cè)G實(shí)驗(yàn)中，可能存在未被認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)誤差。

2、
　　 我們實(shí)驗(yàn)室于1998年利用扭秤周期法得到了一個(gè)相對(duì)精度為105ppm的G值。該結(jié)果被CODATA98收錄并命名為HUST-99。但后來(lái)的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)HUST-99實(shí)驗(yàn)中存在圓柱體密度分布不均以及空氣浮力的影響。為了進(jìn)一步提高G值的測(cè)量精度，我們?cè)贖UST-99實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了新的實(shí)驗(yàn)方案。新的實(shí)驗(yàn)方案不僅克服了HUST-99實(shí)驗(yàn)中存在的系統(tǒng)誤差，并且由于一系列技術(shù)上的改進(jìn)，使得各個(gè)幾何參量的測(cè)量精度有了較大提高：例如利

3、用紅外傳感器測(cè)量使得回轉(zhuǎn)臺(tái)中心的定位精度達(dá)到2μm；利用改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)量塊法使得吸引質(zhì)量球面間距測(cè)量精度達(dá)到0.06μm以及吸引質(zhì)量球直徑的測(cè)量精度達(dá)到0.3μm以下；利用紅外傳感器測(cè)量以及水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)使得扭秤的水平定位精度達(dá)到13μm；利用自準(zhǔn)直儀以及一系列的標(biāo)準(zhǔn)傳遞使得扭秤和吸引質(zhì)量球心連線之間的夾角的測(cè)量精度達(dá)到91μrad等等，這樣幾何參量貢獻(xiàn)給測(cè)G的測(cè)量不確定度從HUST-99實(shí)驗(yàn)的73ppm降低至11ppm。此外，盡管新方案中周期

4、變化量比HUST-99實(shí)驗(yàn)要小了近300倍，但是同樣歸功于一系列技術(shù)的改進(jìn)，如基頻信號(hào)的高精度提取方法，磁阻尼隔振系統(tǒng)的采用，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度效應(yīng)的修正，靜電作用的補(bǔ)償以及A-B-A方法的引進(jìn)等等，使得扭秤系統(tǒng)的周期穩(wěn)定性以及周期測(cè)量精度有了較大提高，其引入的不確定度由HUST-99實(shí)驗(yàn)的75ppm降低至14ppm。
　　 除了這些技術(shù)上的改進(jìn)外，為了減小人為主觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，我們?cè)诮M內(nèi)采取了”雙盲”法則，即由不同的實(shí)驗(yàn)者按