測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立

圖為該項目的研究設(shè)備

“阿伏伽德羅常數(shù)（NA）測量是對‘千克’進行重新定義最有前途的方法之一?，F(xiàn)在，我們突破了阿伏伽德羅常數(shù)測量技術(shù)的瓶頸，為重新定義‘千克’走出了非常關(guān)鍵的一步。”前不久，《測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立》項目榮獲2011年度國家科技進步二等獎，項目負責(zé)人、中國計量院研究員羅志勇說，這一凝聚了項目組十幾年心血的成果最重要的意義在于，它實現(xiàn)了測長技術(shù)的實質(zhì)性創(chuàng)新。

長度測量的極限

在國際計量單位制（SI）的7個基本物理量中，6個已由量子基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，目前只有質(zhì)量的單位“千克”仍沿用實物基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)——千克砝碼原器來進行復(fù)現(xiàn)。最近，著名的英國《自然》雜志評出最具挑戰(zhàn)性的世界五大科學(xué)難題，其中之一就是“對‘千克’進行重新定義”。而羅志勇他們研究的阿伏伽德羅常數(shù)（NA）測量就是對“千克”進行重新定義最有前途的方法之一。除此之外，阿伏伽德羅常數(shù)測量還用于定義另一個基本量——物質(zhì)的量的單位“摩爾”，對于在原子、分子和量子水平上研究和解決計量基標(biāo)準(zhǔn)問題十分重要。

國際上以建立固體密度基準(zhǔn)、測量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究已有40多年的歷史。2000年以后由于頻率調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，各先進國家都進入“激光變頻”時代。但每種方案都有其自身的局限性。

2002年我國啟動了重大基礎(chǔ)研究專項——固體密度基準(zhǔn)研究，并組建課題組。“項目核心技術(shù)是實現(xiàn)對硅球直徑亞納米級準(zhǔn)確度測量，這幾乎是長度測量的極限，具有極高的技術(shù)難度。”在羅志勇的帶領(lǐng)下，課題組向這一國際計量界的難題發(fā)起了挑戰(zhàn)。

汗水澆灌創(chuàng)新花

“建立我國的新一代國家密度基準(zhǔn)和實現(xiàn)測長技術(shù)實質(zhì)性創(chuàng)新。”項目的目標(biāo)只有簡單一句話，但羅志勇和他的團隊卻為此付出了多年的心血和汗水。

每一個新方案的確定都是基于推翻其他方案的結(jié)果，課題組先后提出并篩選了20多種方案，但是各有優(yōu)缺點，爭議不斷。直到2004年，課題組在國外多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，提出機械掃描相移干涉法的測長方法。當(dāng)羅志勇將這一新方案的構(gòu)思說給課題組老科學(xué)家陳允昌聽時，陳允昌眼前一亮，再也沒有提出任何反駁意見。

方案可行，原理可靠，可這和真正做出成果之間還有很大的距離，還需要大量實驗來論證方案的可行性。為提高測量系統(tǒng)的誤差，光驗證材料的回復(fù)性，就花了大半年時間；經(jīng)常琢磨了很久，覺得某種方案可以用于解決問題，可最后實驗證明又是不對的，如此反復(fù)。

功夫不負有心人。課題組最終利用這種擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的超高準(zhǔn)確度測長方法——機械掃描相移干涉法，實現(xiàn)了對單晶硅球密度的絕對測量，實現(xiàn)NA測量重大技術(shù)突破，填補了國際該領(lǐng)域空白；利用該項術(shù)在國際上首次以激光變頻之外的方法建立了我國的固體密度基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度達2×10-7（k=2），處于國際先進水平前列。

領(lǐng)先突破應(yīng)用廣

除了核心技術(shù)，實現(xiàn)了測長方法重大突破，項目組提出的機械掃描相移干涉法，技術(shù)潛力高出國際現(xiàn)有激光變頻方法近1個數(shù)量級，達0.03納米，為國際首創(chuàng)。據(jù)羅志勇介紹，項目還實現(xiàn)測量全變量仿真，在溫度測控技術(shù)，信號去噪技術(shù)、氧化層厚度測量技術(shù)、密度量值傳遞技術(shù)等多方面都實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的實質(zhì)性突破。

成果發(fā)表后，得到國際同行的廣泛認可。2010年國際NA工作組主席Becker博士專程到訪羅志勇的實驗室，對項目的技術(shù)創(chuàng)新給予高度評價，稱其為“一項杰出的科學(xué)成就”。

項目成果至今已得到廣泛運用。利用該項技術(shù)首次建成我國絕對密度測量系統(tǒng)，獲得國家質(zhì)檢總局授權(quán)，將我國密度基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度從5×10-6提高至2×10-7，結(jié)束了我國密度量值溯源長期依賴純水密度的歷史，測量能力躍居國際先進水平前列。在科學(xué)研究方面，機械掃描相移干涉技術(shù)已成為NA測量的支撐技術(shù)，并有進一步提高的潛力，為建立摩爾基準(zhǔn)積累了核心技術(shù)。成果亞納米級測長準(zhǔn)確度，滿足了精密加工、精密制造和裝配等我國發(fā)展較為薄弱工業(yè)領(lǐng)域，對小尺寸樣件或工件的微小變形、材料或工件熱脹系數(shù)的精確測量需求，對于提高我國特種工業(yè)領(lǐng)域國際競爭力，推動整體科技能力提升具有重要意義。