Watt-Waage

• Forschungsstelle: METAS
• Projektnummer: 911.97.01
• Projekttitel Englisch: The METAS Watt Balance

Schlüsselwörter (Deutsch)

Internationales Einheitensystem, Masseneinheit, Kilogramm, elektrische Quanten-Normale, Planck-Konstante, Watt

Schlüsselwörter (Englisch)

electrical quantum standards, international system of units, kilogram, Planck's constant, watt

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ein modernes Einheitensystem hat den Bedürfnissen von Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft zu genügen. Parallel zum rasanten technischen Fortschritt sind deshalb auch die Definitionen der Einheiten im metrischen System einem steten Wandel unterworfen. Die Masse-Einheit, das Kilogramm, ist die letzte der Basiseinheiten, die immer noch auf einem materialisierten Artefakt, dem in Paris sorgsam gehüteten Urkilogramm, beruht. Diese Definition genügt jedoch heutigen Anforderungen nicht mehr.
Genauso wie der Meter heute über die Strecke definiert ist, die Licht in einem bestimmten Bruchteil einer Sekunde zurücklegt, möchte man in Zukunft auch das Kilogramm auf eine unveränderliche Grösse zurückführen. Mehrere experimentelle Ansätze werden heute verfolgt, um das angestrebte Ziel zu erreichen.
Der beim heutigen Stand der Technik gangbarste Weg führt über die elektrischen Einheiten. Durch einen geschickten experimentellen Aufbau, Watt-Waage genannt, gelingt es, mechanische und elektrische Leistung mit grosser Genauigkeit miteinander zu vergleichen. Da die elektrischen Einheiten dank quantenphysikalischer Effekte bereits heute an Naturkonstanten angebunden sind, stellt das Experiment eine Beziehung zwischen dem Kilogramm und der Plankschen Konstante her, einer Naturkonstanten, die in der modernen Physik eine ähnlich bedeutende Rolle wie die Lichtgeschwindigkeit spielt. Der benötigte experimentelle Aufbau ist sehr komplex. Er wurde schon vor Jahren an den nationalen Metrologie-Iinstituten in England und den U.S.A. in Angriff genommen.
Anfangs 1997 entschied sich METAS ebenfalls für den Bau einer Watt-Waage, wobei sich jedoch sein Instrument in wesentlichen Punkten von denen seiner Mitkonkurrenten unter-scheidet. Eines der Hauptmerkmale ist das geringe Volumen der Apparatur, das durch eine optimierte Grösse der Testmasse und einen geschickten mechanischen Aufbau erreicht wird. Um die Entwicklungszeit möglichst gering zu halten, wird zudem durch eine intensive Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Hochschule konsequent auf bereits vorhandenes Know-how zurückgegriffen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

A modern system of units has to satisfy all the demands of science, business and society. The definitions of units in the metric system are in a continuous state of change as a result of the rapid progress of technology. The kilogram is the last of the base units still to make ultimate reference to a material artefact: the international prototype kilogram - stored with great care in Paris. This definition is no longer able to satisfy the demands placed upon it.
Just as the metre is defined as the distance which light covers in a specified fraction of a second, the desire is to define the kilogram in terms of an unchanging natural quantity. A number of experimental attempts are being undertaken in order to achieve this goal.
Given the current state of technology, the most practicable solution appears to be via electrical measurements. Using an ingenious experimental apparatus, called a Watt Balance, it has been becomes possible to make a direct comparisons of mechanical and electrical quantities power at a very high degree of accuracy. Since electrical power current, thanks to quantum physical effects, has already been linked to natural constants, this experiment creates a relationship between the kilogram and Planck's constant, which in modern physics enjoys a role as fundamental and important as that of the speed of light. The experimental apparatus needed however is very complex. An intensive collaboration with partners in industry and tertiary institutions allows know-how already existing in Switzerland to be fully taken advantage of.

Projektziele (Deutsch)

Die am METAS realisierte Watt-Waage soll eine Verbindung zwischen der Masseneinheit kg und der Planckschen Konstante h mit einer realtiven Genauigkeit von 10^-8 herstellen. Nach seiner Fertigstellung wird das Instrument in einer ersten Phase dazu eingesetzt, die Stabilität des Urkilogramms zu überwachen. Längerfristig soll die Watt-Waage einen wichtigen Beitrag zu einer Neudefinition des kg auf der Basis von Naturkonstanten liefern.

Projektziele (Englisch)

The METAS watt balance should establish a link between the kg and the Planck constant h with a relative uncertainty of 10^-8. After the complete characterization, the instrument will first be used to monitor the stability of the kg which is the last base unit in the SI still based on a material artefact. The experiment should also open a way to a future new definition of the unit of mass based on natural constants.

Abstract (Deutsch)

Die am METAS entwickelte Watt-Waage ist voll operationell und die vollständige Charakterisierung des Aufbaus ist weit fortgeschritten. Umfangreiche Mess-Kampagnen wurden durchgeführt, um mögliche systematische Fehlerquellen zu erfassen. Die Resultate zeigen eine gute Langzeitstabilität (rel. Standardabweichung 2 10^-8). Trotz kontinuierlichen Verbesserungen, konnte mit dem bestehenden Aufbau noch kein absoluter Wert für die Planck-Konstante bestimmt werden. Die verbleibenden Probleme werden im Rahmen eines europäischen Zusammenarbeitsprojekts weiter behandelt.

Abstract (Englisch)

The watt balance developed at METAS is fully operational and the complete characterization of the experimental set-up is in progress. Measurement campaigns have been conducted to test various possible sources of systematic errors. The data have shown promising long term reproducibility of 2 parts in 10⁸. Despite constant progress and improvements, the present apparatus hasn't yet delivered an absolute value for the Planck constant. One of the most critical points is the alignment of the system. The stability of the coil alignment is a recurrent problem and appropriate devices are currently being developed to address the remaining issues. The watt balance activities at METAS will continue within the framework of a collaboration project at the European level. This collaboration with different partners will focus on several aspects like alignments, magnetism, electrical noise and gravimetry.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die METAS Watt-Waage wird in Kürze einen neuen Wert für die Planck-Konstante liefern. Dieser Wert und die Resultate weiterer Experimente, welche eine Beziehung zwischen einer makroskopischen Masse und einer Naturkonstante herstellen, werden die Grundlage für die Neudefinition des kg im Internationalen Einheitensystem SI bilden.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

The METAS watt balance will produce a mew value for the Planck constant in the near future. This value together with the results from other experiments linking a macroscopic mass to a fundamental constant will serve as the basis for a new definition of the mass unit kg in the International System of units SI.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Publications in scientific journals:

W. Beer, B. Jeanneret, B. Jeckelmann, P. Richard, A. Courteville, Y. Salvadé, and R. Dändliker, "A proposal for a new moving-coil experiment", IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 192-195 (1999).

A. Courteville, Y. Salvadé, and R. Dändliker, "High-precision velocimetry: optimization of a Fabry-Perot interferometer", Appl. Opt. 39, 1521-1526 (2000).

W. Beer, A.L. Eichenberger, B. Jeanneret, B. Jeckelmann, P. Richard, H. Schneiter, A.R. Pourzand, A. Courteville, and R. Dändliker, "The OFMET watt balance: progress report", IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, 583-586 (2001).

B. Jeanneret, A. Rüfenacht, and C. J. Burroughs, "High precision comparison between SNS and SIS Josephson voltage standards", IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, 188-191 (2001).

A.L. Eichenberger, "The Watt Balance: Towards a New Definition of the Kilogram", NIDays, 2001, Lausanne (CH).

Philippe Richard, "The Watt balance experiments for the determination of the Planck constant, and monitoring the kilogram," BIPM Metrology Summerschool, 21 July – 1 August 2003, Sèvres, France.

W. Beer, A.L. Eichenberger, B. Jeanneret, B. Jeckelmann, A.R. Pourzand, P. Richard, and J.P. Schwarz, "Status of the METAS Watt balance experiment", IEEE Trans. Instrum. Meas. 52, 626-630 (2003).

A.L. Eichenberger, B. Jeckelmann, P. Richard, "Tracing Planck’s constant to the kilogram by electromechanical methods", Metrologia 40, 356-365 (2003).

A.L Eichenberger, J. Butty, B. Jeanneret, B. Jeckelmann, A. Joyet, T. Krebs, and P. Richard, "A New Magnet Design for the METAS Watt Balance" Proceedings CPEM 2004, London (GB).

W. Schwitz, B. Jeckelmann, and P. Richard, "Towards a new kilogram definition based on a fundamental constant", C. R. Physique 5, 881-892 (2004).

A.L. Eichenberger, A. Joyet, B. Jeckelmann, B. Jeanneret, and P. Richard, "Mechanical Improvements in the METAS Watt Balance", Proceedings CPEM 2006, Torino (I).

Philippe Richard, "Redefinition of the kilogram based on a fundamental constant", Proceedings of the International School of Physics "Enrico Fermi", Course CLXVI, Metrology and Fundamental Constants, edited by T. W. Hänsch, S. Leschiutta and A. J. Wallard, p. 499-517, IOS Press, 2007.

A.L. Eichenberger, "Determination of the Planck Constant by Means of a Watt Balance", International School "Quantum Metrology and Fundamental Constants", paper in preparation, Les Houches (F) 1-12.10.2007.