The BIPM Kibble balance for realizing the kilogram definition

Abstract

After several years of development and continuous improvement of the BIPM Kibble balance, mass measurement of a 1 kg Pt/Ir artefact in terms of the Planck constant has been carried out. The paper describes the apparatus and its alignment, and explains the measurement and data processing. The balance operates in a one-mode and two measurement phase scheme using a bifilar coil. The mass value of the artefact was measured in vacuum with a relative standard uncertainty of 49 µg. This value differs from the value deduced from the calibration following the dissemination process after the redefinition of the kilogram by 15 µg.

Neraca dengan Penyeimbang Tarikan Solenoid Linear dan Redefinisi Satuan Kilogram

“…Hingga tahun 2017, diantara tujuh satuan besaran dasar yaitu meter, kilogram, ampere, kelvin, mol dan candela, hanya satuan kilogram yang masih didefinisikan berdasarkan material atau artefak [1], [2]. Kilogram merupakan satuan massa yang sama dengan massa dari International Prototype of Kilogram (IPK).…”

“…Hasilnya pada bulan November 2018, CGPM menyetujui redefinisi kilogram sesuai dengan konstanta Planck mulai tanggal 20 Mei 2019 [2]. Untuk merealisasikan hubungan antara konstanta Planck dengan massa IPK, BIPM dan beberapa laboratorium metrologi di dunia telah mengembangkan Neraca Watt atau Neraca Kible [2], [5]. Neraca ini membandingkan energi mekanik dan energi listrik secara kuantum dalam dua fasa pengukuran yaitu fasa penimbangan dan fasa gerakan [2], [5].…”

“…Untuk merealisasikan hubungan antara konstanta Planck dengan massa IPK, BIPM dan beberapa laboratorium metrologi di dunia telah mengembangkan Neraca Watt atau Neraca Kible [2], [5]. Neraca ini membandingkan energi mekanik dan energi listrik secara kuantum dalam dua fasa pengukuran yaitu fasa penimbangan dan fasa gerakan [2], [5]. Pada fasa penimbangan, berat artefak (mg) diseimbangkan dengan gaya elektromagnetik pada kumparan induktif sepanjang L yang membawa arus I di dalam medan magnet dengan densitas flux B. Pada fasa gerakan, kumparan bergerak vertikal dengan kecepatan  melintasi medan magnet yang kemudian menginduksi tegangan U dari kumparan.…”

“…Jika gaya yang dilepaskan kumparan dan kecepatan kumparan berada sejajar dengan percepatan gravitasi g pada arah vertikal juga, maka dua fasa pengukuran tersebut dapat digambarkan dengan dua persamaan yaitu mg = I(BL) dan U = (BL). Saat digabungkan dengan asumsi nilai tetap dari BL, maka akan diperoleh kesamaan energi listrik virtual dengan energi mekanik dalam persamaan mg = I(BL) [2], [5]. Dengan mengukur besaran listrik berdasarkan efek hambatan Quantum Hall dan standar tegangan Josephson, Neraca Watt memungkinkan penentuan massa dari artefak dalam ungkapan konstanta Planck menggunakan persamaan m = h(Cf1f2/g) dimana C adalah faktor kalibrasi, f1 dan f2 merupakan frekuensi gelombang mikro yang digunakan dalam standar tegangan Josephson [2], [5].…”

Resolution of the paradox of the diamagnetic effect on the Kibble coil

“…Up to the 2000s, several different types of magnet systems were used [25][26][27][28][29] . Over time, the field matured, and the magnet systems' design converged to what is known as the air-gap type, yoke-based magnetic circuits [30][31][32][33][34][35][36][37] . Figure 1b shows a typical construction of such a permanent magnet system.…”