工学計測標準研究部門 質量標準研究グループ
質量標準研究グループでは、産業・科学分野の基盤となる質量標準の供給および質量の単位「キログラム」の新たな定義を導くための研究を実施しています。
 日本国キログラム原器    プランク定数を決定するためのシリコン球体    シリコン球体の形状を評価するためのレーザー干渉計
日本国キログラム原器:国際キログラム原器の複製の一つであり、我が国の質量の国家標準です。   28Si同位体濃縮シリコン球体:左のキログラム原器に替わって新たなキログラムの基準になるプランク定数を決定するための球体です。   シリコン球体の形状をサブナノメートルの精度で計測するレーザー干渉計:プランク定数を世界最高レベルの精度で決定するのに必要な装置です。

What's new! (更新日:2018年12月12日)
◇New! 2018年12月11日:報道各社の皆様や実験施設の見学においでになる方から良くいただくご質問とそのご回答をまとめさせていただきました。
・ 「キログラム」の新しい定義に関して良くいただくご質問
New! 2018年12月12日更新)
◇New!
2018年11月16日:パリ郊外のベルサイユで開催された第26回国際度量衡総会でキログラムの定義を改定する決議案が採択されました。キログラムの定義が改定されるのは130年ぶりであり、新たなキログラムの定義の基準となるプランク定数の決定には、質量標準研究グループ長の倉本らの測定結果(N. Kuramoto et al., Metrologia, 54, 716-729, 2017)が決定的な役割を果たしました。欧米以外の研究機関が世界共通の単位の定義の決定に貢献するのは歴史上初のことであり、我が国の科学技術力が世界最高レベルにあることを示すことができました。また、歴史上初めて、人工物ではなく普遍的な物理定数によって質量の単位が定義されることになります。科学の歴史に残る大きな研究成果をあげることができました。
倉本らの測定結果をまとめた論文について(日本語による説明付き)
・ 普遍的な物理定数「プランク定数」を用いた質量の単位「キログラム」の新たな定義を導くための研究開発について
・ プランク定数に基づく新たなキログラムの定義に関する説明
プランク定数に基づく新たなキログラムの定義を導いたレーザー干渉計によるシリコン球体体積測定について(New! 2018年11月23日
◇New! 2018年11月2日、8日、12日:日本国キログラム原器を報道各社の皆様に公開し、質量標準研究グループ長の倉本から日本国キログラム原器の歴史、現在の管理状況、今後の予定などについてご説明させていただきました。
メディア向けキログラム原器撮影会資料
◇New! 2018年8月21日:新たなキログラムの基準となるプランク定数決定について、臼田計量標準総合センター長および倉本質量標準研究グループ長から報道各社の皆様にご紹介させていただきました。当研究グループで開発し、プランク定数の決定に直結する成果をあげた測定装置もあわせて公開させていただきました。
新たなキログラムの定義に関するメディア向け説明会資料
◇2018年5月2日:論文 "N. Kuramoto et al., Determination of the Avogadro constant by the XRCD method using a 28Si-enriched sphere"がイギリス物理学会誌 MetrologiaのHighlights of 2017に選出されました。
Highlights of 2017:2017年にMetrologiaに掲載された論文の中から選出された12報のベストペーパー
◇2018年4月2日:産総研論文賞を、倉本直樹、水島茂喜、藤田一慧が受賞しました
(近代度量衡の歴史上初となる、人工物ではなく普遍的な物理定数に基づく質量の単位の定義実現にむけた貢献が評価されました。)
◇2018年4月1日:大田由一研究員がグループに加わりました
◇2017年10月24日:プレスリリース「質量の単位「キログラム」の新たな基準となるプランク定数の決定に貢献−世界最高レベルの精度でプランク定数を測定−」
(2019年以降、国際キログラム原器に替わって、普遍的な物理定数である「プランク定数」がキログラムの基準となる予定です。新たな基準となるプランク定数の値の決定に、下の論文で報告したアボガドロ定数から導出されたプランク定数が公式に採用されました。)
◇2017年8月10日:論文 "N. Kuramoto et al., Determination of the Avogadro constant by the XRCD method using a 28Si-enriched sphere"がイギリス物理学会誌 Metrologiaに掲載されました。

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グループのミッションメンバー 研究テーマ研究成果主な研究業績 リンク お問い合わせ

研究グループのミッション

◇ 新たなキログラムの定義を導くためのプランク定数測定

現在、質量の単位「キログラム」は約130年以前に製作された世界に一つしかない分銅「国際キログラム原器」の質量として定義されています。近年の質量測定技術の飛躍的な向上により、国際キログラム原器の安定性が疑問視されています。そこで、分銅のような人工物に頼らずにキログラムを定義する方法が世界各国で検討されています。2011年には、将来、普遍的な物理定数である「プランク定数」を基準とする定義に移行する国際的な合意が得られています。質量標準研究グループでは、28Siのみを濃縮した特殊なシリコン単結晶を用いて「アボガドロ定数」を測定し、「プランク定数」を世界最高精度で導出することに成功しています。2017年には当グループを含む世界の五つの研究機関が決定したプランク定数から、新たなキログラムの定義の基準となるプランク定数の値が決定されています。2018年11月に開催されるメートル条約の総会で定義改定の決議案が承認されれば、2019年の5月から新たな定義が施行されます。キログラムの定義改定は秒読み段階に入っているのです。キログラムの歴史などについては
さらばキログラム原器、基礎物理定数に基づくキログラムの定義を導くためのプランク定数測定
をご参照下さい。
アボガドロ定数およびプランク定数の決定には、シリコン結晶の密度を測定する必要があります。ほぼ真球に研磨された質量1 kgの球体を特殊なシリコン単結晶を用いて製作し、その質量と体積から密度を決定します。体積の決定にはレーザー干渉計を用い、サブナノメートルの精度でシリコン球体の形状を評価します。詳細は
プレスリリース「質量の単位「キログラム」の新たな基準となるプランク定数の決定に貢献−世界最高レベルの精度でプランク定数を測定−」 2017年10月24日

プレスリリース「普遍的な物理定数に基づく新しいキログラムの再定義に道を拓く−アボガドロ定数の高精度化に成功−」 2012年2月27日
をご参照下さい。


プランク定数を決定するためのシリコン球体    シリコン球体の形状を評価するためのレーザー干渉計    シリコン球体の質量を日本国キログラム原器を基準として測定するための天びん    シリコン球体の表面層を分析するための分光エリプソメーター
28Si同位体濃縮シリコン球体:いずれも質量は1 kgであり、製作には1個あたり約1億円の費用が必要でした。   光の波長の精密制御によりシリコン球体の形状をサブナノメートルの精度で計測するレーザー干渉計   シリコン球体の質量を、日本国キログラム原器を基準として測定するための真空天びん   シリコン球体表面上の酸化膜の厚さを評価するための分光エリプソメーター

基礎物理定数に基づく微小質量測定技術の開発
2018年以降、「キログラム」は「国際キログラム原器」ではなく、「プランク定数」により定義される予定です。新たな定義を利用することで、特に創薬の分野で必要とされるサブミリグラム領域での高精度質量測定が可能となります。これを実現するために、「電圧天びん」の研究開発をおこなっています。

重力加速度絶対測定技術の確立
重力加速度の精密計測技術は、力学量標準の共通的基盤であり、重力加速度の高精度絶対測定技術を開発しています。また、重力加速度計測の国際整合性確保のために国内外の研究機関との研究協力を行っています。

研究グループメンバー
(研究グループ長) 倉本 直樹 E-mail: n.kuramoto<at>aist.go.jp
(主任研究員) 水島 茂喜
(研究員) 大田 由一
(研究員) 藤田 一慧
(テクニカルスタッフ) 植木 正明
(テクニカルスタッフ) 孫 建新
(アシスタント) 倉本 久仁子
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主な研究テーマ
◇ 質量の単位「キログラム」を基礎物理定数によって定義するための研究(平成28年度〜30年度、科研費 基盤研究(B))、倉本、水島、藤田、藤井
◇ 二次元ダークフリンジ法による球体直径測定原理開発とアボガドロ定数精密決定への応用(平成24年度〜26年度、科研費 基盤研究(B))倉本、水島、藤井

質量の単位であるキログラムは基本単位の中で唯一人工物である国際キログラム原器によって定義され、その質量の歳月に伴う変動が報告されています。このため、2011年に開催された国際度量衡総会において、国際キログラム原器を将来廃止し、プランク定数に基づく定義へ移行することが決議されています。産業技術総合研究所ではアボガドロ定数(プランク定数)を世界最高精度で決定してきたが、再定義実施のためにさらに高精度な測定が求められています。このニーズに応えるべく、アボガドロ定数を2×10-8の世界最高精度で決定します。また、キログラム再定義後の質量標準実現・維持に必要な技術基盤を構築します。

◇ 質量標準の開発に関する研究(産業技術総合研究所運営費交付金)
質量および重力加速度に関して、現行の国家計量標準を高精度化し範囲を拡大するための研究、国際整合性を確保するための各国の標準研究機関との研究協力、国家標準から現場の一般計測器につながるレーサビリティを確保するために必要とされる校正技術や特性評価技術の開発などを行います。また、これらの標準を産業界に対して安定的に供給するとともに、計量法に基づく標準供給制度(JCSS制度)の運営に技術面で協力し、はかりなどの一般計測器に至る計測のトレーサビリティ確保に貢献します。
■ 質量:分銅の表面吸着の評価と安定した保管方法の開発。分銅の特性(磁気・体積・表面粗さ)評価技術の開発と高精度化・効率化。大質量分銅の校正の高精度化
■ 重力加速度:重力加速度計測の国際整合性確保のための国内外の研究機関との研究協力

質量標準研究グループの主な研究成果

質量標準研究グループの将来の課題
  • 質量・重力加速度の各標準の安定的な供給体制の整備と維持
  • 質量・重力加速度の各標準の国際整合性確保のための国際比較への参加・運営
  • 真空秤量技術、表面状態評価技術の開発による質量の国家標準の高精度化とキログラムの再定義への対応
  • 標準分銅の諸特性の評価技術の高度化による分銅校正の更なる高精度化および効率化
  • 大質量分銅の高精度な校正法の確立
  • 微小質量計測の信頼性確保
質量標準研究グループの研究業績
受賞
査読付き論文(英文)
解説(和文
招待講演

受賞
2018年
産総研論文賞(AIST Best Paper Award)倉本 直樹、水島 茂喜、張 ルウルウ、藤田 一慧、東 康史、黒河 明、大久保 章、稲場 肇、藤井 賢一, 2018年4月2日


査読付き論文(英文)
2018年
1) D. Mari, E. Massa, N. Kuramoto and G. Mana, "Self-weight effect in the measurement of the volume of silicon spheres," Metrologia, 55, 294-301 (2018)
2) K. Fujii, E. Massa, H. Bettin, N. Kuramoto and G. Mana, "Avogadro constant measurements using 28Si monocrystals," Metrologia, 55, L1-L4 (2018)
3) D. Newell et al., "The CODATA values of h, e, k, and NA for the revision of the SI", Metrologia, 55, L13-L16 (2018)
4) M. Stock et al, "A comparison of future realizations of the kilogram," Metrologia, 55, T1-T7 (2018)
2017年
1) N. Kuramoto, S. Mizushima, L. Zhang, K. Fujita, Y. Azuma, A. Kurokawa, S. Okubo, H. Inaba and K. Fujii, "Determination of the Avogadro constant by the XRCD method using a 28Si enriched sphere," Metrologia, 54, 716-729 (2017)
2) G. Bartl et al., "A new 28Si single crystal: counting the atoms for the new kilogram definition," Metrologia, 54, 693-715 (2017)
3) N. Kuramoto, Y. Azuma, H. Inaba and K. Fujii, "Volume measurements of 28Si-enriched spheres using an improved optical interferometer for the determination of the Avogadro constant," Metrologia, 54, 193-203 (2017)
4) N. Kuramoto, L. Zhang, S. Mizushima, K. Fujita, Y. Azuma, A. Kurokawa and K. Fujii, "Realization of the kilogram based on the Planck constant at NMIJ," IEEE Trans. Instrum. Meas., 66, 1267-1274 (2017)
5) S. Mizushima, N. Kuramoto, L. Zhang and K. Fujii, "Mass measurement of 28Si-enriched spheres at NMIJ for the determination of the Avogadro constant," IEEE Trans. Instrum. Meas., 66, 1275-1282 (2017)
6) K. Fujita, N. Kuramoto, Y. Azuma, S. Mizushima and K. Fujii, "Surface layer analysis of a 28Si-enriched sphere both in vacuum and in air by ellipsometery," IEEE Trans. Insturm. Meas., 66, 1283-1288 (2017)
7) L. Zhang, N. Kuramoto, Y. Azuma, A. Kurokawa and K. Fujii, "Thicknes measurement of oxide and carbonaceous layers on a 28Si sphere by XPS," IEEE Trans. Instrum. Meas., 66, 1297-1303 (2017)
8) A. Waseda, H. Fujimoto, X. W. Zhang, N. Kuramoto and K. Fujii, "Uniformity evaluation of lattice spacing of 28Si single crystals," IEEE Trans. Insturm. Meas., 66, 1304-1308 (2017)
2015年
1) Y. Azuma, K. Fujii, N. Kuramoto, S. Mizushima et al., "Improved measurement results for the Avogadro constant using a 28Si-enriched crystal," Metrologia, 52, 360-375 (2015)
2) N. Kuramoto, Y. Azuma, H. Inaba, F.-L. Hong and K. Fujii, "Improvements to the volume measurement of 28Si spheres to determine the Avogadro constant," IEEE Trans. Instrum. Meas., 64, 1650 (2015)
3) S. Mizushima, N. Kuramoto, K. Ueda and K. Fujii,"Mass measurement of 1-kg silicon spheres for determination of the Avogadro and Planck constants," IEEE Trans. Instrum. Meas, 64, 1527-1532 (2015)
4) L. Zhang, Y. Azuma, A. Kurokawa, N. Kuramoto, K. Fujii, "Surface layer analysis of Si spheres by XRF and XPS, " IEEE Trans. Instrum. Meas, 64, 1509-1513 (2015)
5) A. Waseda, H. Fujimoto, X. Zhang, N. Kuramoto and K. Fujii, "Homogeneity characterization of lattice spacing of silicon single crystals," IEEE Trans. Instrum. Meas, 64, 1692-1695 (2015)
2014年
1) N. Kuramoto, K. H. Chang, K. Fujii and Y. J. Lee, "International comparison of volume measurement for a 1 kg silicon sphere between KRISS and NMIJ," Measurement, 49, 187-195 (2014)
2) T. Narukawa, A. Hioki, N. Kuramoto and K. Fujii, "Molar-mass measurement of a 28Si-enriched silicon crystal for determination of the Avogadro constant," Metrologia, 51, 161-168 (2014)
2012年
1) B. Andreas, K. Fujii, N. Kuramoto and G. Mana,"The uncertainty of the phase-correction in sphere-diameter measurements", Metrologia, 49, 479-486 (2012)
2011年
1) B. Andreas, K. Fujii, N. Kuramoto, S. Mizushima et al, "Determination of the Avogadro constant by counting the atoms in a 28Si crystal," Phys. Rev. Lett., 106, 030801 (2011)
2) B. Andreas, K. Fujii, N. Kuramoto, S. Mizushima et al., "Counting the atoms in a 28Si crystal for a new kilogram definition," Metrologia, 48, S1-S13 (2011)
3) N. Kuramoto, K. Fujii, A. Nicolaus, G. Bartl, M. Gray, P. Mason and W. Giradini, "Diameter comparison of a silicon sphere for the International Avogadro Coordination project," IEEE Trans. Instrum. Meas, 60, 2615-2620 (2011)
4) N. Kuramoto, K. Fujii and K. Yamazawa, "Volume measurements of 28Si spheres using an interferometer with a flat etalon to determine the Avogadro constant," Metrologia, 48, S83-S95 (2011)
5) I. Busch, K. Fujii, N. Kuramoto, S. Mizushima et al., "Surface layer determination for the Si spheres of the Avogadro project," Metrologia, 48, S62-S82 (2011)
6) B. Andreas, L. Ferroglio, K. Fujii, N. Kuramoto and G. Mana, "Phase corrections in the optical interferometer for Si sphere volume measurements at NMIJ," Metrologia 48, S104-S111 (2011)

解説(和文)
2016年
倉本直樹、藤井賢一, "秒読み段階に入ったキログラムの定義改定," パリティ, 31, 46-50 (2016)
2015年
1) 倉本直樹ら, "基礎物理定数に基づく新しいキログラムとモルの定義−キログラム、モル、アボガドロ定数の現在と将来−", 日本分析化学会誌「ぶんせき」, 229-236 (2015)
2014年
1) 藤井賢一, "質量標準の現状とキログラム(kg)の定義改定をめぐる最新動向", 計測と制御, 53, 144-149 (2014)
2) 藤井賢一, "SI単位の定義改定をめぐる最新の動き", 精密工学会誌, 80, 625-629 (2014)
3) 藤井賢一, "正確なアボガドロ定数", 化学と教育,62, 368-371 (2014)
4) 藤井賢一, "キログラムの定義改定に向けた質量標準の開発動向", 日本物理学会誌, 69, 604-612 (2014)
5) 倉本直樹, "物質量(mol)についての基礎解説と最新動向", 計測と制御, 53, 368-373 (2014)
2013年
1) 藤井賢一, "SI単位の話", ペトロテック, 36, 640-643 (2013)
2) 倉本直樹, 藤田佳孝, "密度・粘度の話", ペトロテック, 36, 551-556 (2013)
3) 倉本直樹, 藤井賢一, "物質量の話−モル, アボガドロ定数の現在と将来−, ペトロテック, 36, 482-486 (2013)
2010年
1) 藤井賢一, 早稲田篤, 倉本直樹, "28Siによる次世代質量標準の開発", 精密工学会誌, 76, 1229-1233 (2010)
2) 倉本直樹, "原子質量に基づくキログラム再定義のためのレーザー干渉計開発" 光学, 39, 141-148 (2010)
3) 倉本直樹, 藤井賢一, "密度・比重関係のJISの見直し", 計測と制御, 49, 879-884 (2010)

招待講演
2018年
1) 倉本直樹, 藤井賢一 "新たなキログラムを導くためのプランク定数精密測定”, 精密工学会春季大会, 中央大学後楽園キャンパス, 2018年3月15日
2) 倉本直樹,藤井賢一”新たなキログラムの定義を導くためのシリコン単結晶球体形状測定”,第61回光波センシング技術研究会,東京理科大学 森戸記念館,2018年6月13日
2014年
1) N. Kuramoto, "Realization of mass standard based on fundamental physical constants," 14th Japanese-American Frontier of Science (JAFoS) Symposium, ホテルニューオータニ(東京), 2014年12月5日
2013年
1) K. Fujii, "Toward the redefinition of the kilogram from the 28Si international research project," Asia Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque (APMF) 2013, Taipei(台湾), 2013年11月20日
2012年
1) 倉本直樹, "キログラム再定義のためのレーザー干渉計によるシリコン球体体積精密測定", 社団法人日本オプトメカトロニクス協会光センシング技術部会(東京), 2012年2月2日

リンク
産業技術総合研究所
産業技術総合研究所 工学計測標準研究部門