躋身國際計(jì)量前沿 引領(lǐng)測長方法創(chuàng)新

——訪2011國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)《測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立》項(xiàng)目負(fù)責(zé)人羅志勇

　　在國際計(jì)量單位制(SI)的7個(gè)基本物理量中，長度的單位“米”、時(shí)間的單位“秒”、電流的單位“安培”等6個(gè)已由量子基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，目前只有質(zhì)量的單位“千克”仍由實(shí)物基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)。阿伏伽德羅常數(shù)（NA）不僅是定義質(zhì)量基準(zhǔn)最有前途的方法之一，還用于定義另一個(gè)基本量——物質(zhì)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(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)問題十分重要。單晶硅球密度測量是NA測量最重要的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是固體密度基準(zhǔn)的核心。我國基于純水的國家密度基準(zhǔn)最高準(zhǔn)確度僅可達(dá)到5×10-6，已不能適應(yīng)科學(xué)研究和精密工業(yè)對密度測量的需要，建立以絕對測量為基礎(chǔ)、具有超高準(zhǔn)確度的固體密度基準(zhǔn)迫在眉睫。

　　20世紀(jì)70年代以來，以建立固體密度基準(zhǔn)、測量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究一直是國際計(jì)量前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。“技術(shù)上要求準(zhǔn)確度到亞納米級，這幾乎是長度測量的極限。”《測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立》項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國計(jì)量科學(xué)研究院研究員羅志勇在接受記者采訪時(shí)介紹說。

　　日前，由中國計(jì)量科學(xué)研究院作為第一完成單位承擔(dān)的《測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立》研究項(xiàng)目，獲得2011年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目提出并實(shí)現(xiàn)一種超高準(zhǔn)確度測長方法——“機(jī)械掃描”相移干涉法，實(shí)現(xiàn)NA測量重大技術(shù)突破，填補(bǔ)了國際該領(lǐng)域空白；利用該項(xiàng)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(dá)2×10-7（k=2），處于國際領(lǐng)先水平。

 國際計(jì)量界的熱點(diǎn)

　　記者：據(jù)了解，近30多年來，以建立固體密度基準(zhǔn)、測量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究一直是國際計(jì)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。首先，請簡單介紹下這方面的國際背景。

　　羅志勇：以建立固體密度基準(zhǔn)、測量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究工作，最初始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)美國NIST提出并建立固體密度基準(zhǔn)，但沒有繼續(xù)開展后續(xù)工作。70年代意大利最先開展這方面的測量，方案幾經(jīng)更換，最終選擇了球體，材料也由石英、微晶玻璃等逐漸發(fā)展到更為穩(wěn)定的單晶硅。隨后德國PTB、日本NMIJ也介入了這方面的研究，測量方法也有所提升：德國采用球面波干涉法，日本采用平面波干涉法。2000年以后由于頻率調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家都進(jìn)入“激光變頻”時(shí)代。但每種方案都有其自身的局限性。

　　記者：請談?wù)勎覈诖朔矫骈_展的研究情況及進(jìn)展?fàn)顩r？

　　羅志勇：單晶硅球密度測量是NA測量最重要的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是固體密度基準(zhǔn)的核心。20世紀(jì)80年代，我國密度工作者提議開展此項(xiàng)研究工作，但是限于經(jīng)費(fèi)和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，只能開展相關(guān)理論研究。

　　2002年我國啟動(dòng)了重大基礎(chǔ)研究專項(xiàng)：NA測量關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)——“固體密度基準(zhǔn)研究”，項(xiàng)目核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對硅球直徑亞納米級準(zhǔn)確度測量，具有極高的技術(shù)難度。因此必須立足新的技術(shù)原理和方法，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)質(zhì)突破。在國外多年的技術(shù)積累基礎(chǔ)上，我們經(jīng)過兩年多的調(diào)研并篩選了20多種方案，于2004年提出“機(jī)械掃描”相移干涉法的測長方法。由于該方法的原理可靠，2006年固體密度測量的合成不確定度達(dá)到2.2×10-7，步入國際先進(jìn)行列。

　　此后又得到“十一五”國家科技支撐計(jì)劃和中國計(jì)量科學(xué)研究院科研業(yè)務(wù)費(fèi)等的持續(xù)支持。2007年實(shí)現(xiàn)了氧化層厚度的精確測量，影響密度的關(guān)鍵誤差項(xiàng)大幅減小。在“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“阿伏加德羅常數(shù)測量”中對硅球直徑的測量準(zhǔn)確度已達(dá)0.9nm，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2008年3月與澳大利亞單晶硅球（不確定度10nm）進(jìn)行了比對測量，直徑差僅為1.75nm。

　　記者：請簡要介紹下由中國計(jì)量科學(xué)研究院承擔(dān)《測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立》項(xiàng)目（以下簡稱“該項(xiàng)目”）的研究目標(biāo)和內(nèi)容。

　　羅志勇：建立我國的新一代國家密度基準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)測長技術(shù)實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新。我們進(jìn)行阿伏伽德羅常數(shù)測量最初目的是為建立固體密度基準(zhǔn)，而測長方法創(chuàng)新是這一研究過程中提出的方法。

創(chuàng)新突破，國際領(lǐng)先

　　記者：作為該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，請簡單介紹下該項(xiàng)目的核心技術(shù)？

　　羅志勇：立足新的技術(shù)原理和方法，在國際上首先提出并實(shí)現(xiàn)一種超高準(zhǔn)確度測長方法——“機(jī)械掃描”相移干涉法，實(shí)現(xiàn)測長方法重大突破，填補(bǔ)了國內(nèi)外該領(lǐng)域空白，成為我國開展NA測量及參與國際合作研究的支撐技術(shù)。

　　記者：請談?wù)勗擁?xiàng)目研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和重大的技術(shù)突破。

　　羅志勇：首先，關(guān)鍵量——單晶硅氧化層厚度的精密測量方面。在國際上首次提出理論算法與光闌濾波相結(jié)合的方法，成功消除偏振混疊效應(yīng)所導(dǎo)致的膜層厚度數(shù)學(xué)模型缺陷，將混頻效應(yīng)不確定度控制在小于0.05nm的范圍之內(nèi)，單晶硅層厚度測量能力達(dá)到國際先進(jìn)水平前列。其次，信號去噪關(guān)鍵技術(shù)突破。國際上首次利用拓?fù)浞治龇椒ê?ldquo;復(fù)值馬爾科夫”隨機(jī)場函數(shù)，快速、有效地衰減了信號采集中的隨機(jī)噪聲，提高了信號測量準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了一種高效率噪聲處理新方法。第三，精密絕熱控溫技術(shù)創(chuàng)新。利用“溫度補(bǔ)償效應(yīng)”和“相位疊加效應(yīng)”，研制出溫度穩(wěn)定性顯著優(yōu)于國際同行的精密絕熱控溫系統(tǒng)。此項(xiàng)技術(shù)深得PTB Nicolaus博士（PTB硅球直徑組組長）的肯定，基于此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明專利即將授權(quán)。此外，項(xiàng)目還實(shí)現(xiàn)測量全變量仿真，真正實(shí)現(xiàn)了以理論結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究，為最終突破NA測量瓶頸提供了技術(shù)保證。項(xiàng)目還在密度量傳裝置的負(fù)載切換技術(shù)、干涉系統(tǒng)的最佳可視化、環(huán)心定位技術(shù)和硅球位置的準(zhǔn)確控制等方面有新的設(shè)計(jì)思想和重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。

　　記者：請問，該項(xiàng)目的研究成果和技術(shù)水平在國際上所處地位及社會評價(jià)如何呢？

　　羅志勇：本項(xiàng)目突破了NA測量技術(shù)瓶頸，首次以國際上現(xiàn)有“激光變頻”法之外的方法建立了硅球直徑精密測量系統(tǒng)，技術(shù)潛力高出“激光變頻”法近1個(gè)數(shù)量級，達(dá)0.03nm，為國際首創(chuàng)。

       成果發(fā)表引起巨大國際反響，國際NA工作組主席Becker博士專程到訪實(shí)驗(yàn)室，對該項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新給予高度評價(jià)：“目前體積測量已成為阿伏伽德羅常數(shù)測量最主要的誤差源，這套基于新穎技術(shù)路線的硅球直徑測量干涉儀對于支撐以硅球方案定義千克的下一步工作框架是非常重要的?；讵?dú)具特色的技術(shù)原理，該項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了硅球直徑不確定度的高可靠性評估，是一項(xiàng)杰出的科學(xué)成就。”

   2009年該項(xiàng)成果報(bào)告會在PTB引起強(qiáng)烈反響，隨后與PTB簽署了2年的NA合作研究協(xié)議。課題組于2010年加入國際NA工作組，參與國際阿伏伽德羅常數(shù)項(xiàng)目中單晶硅球直徑測量研究。

 應(yīng)用前景廣闊

　　記者：請您介紹一下該項(xiàng)目科研成果的推廣應(yīng)用情況。

　　羅志勇：利用該項(xiàng)技術(shù)首次在我國實(shí)現(xiàn)了對單晶硅球密度的絕對測量，建成我國絕對密度測量系統(tǒng)包括硅球直徑測量、密度量值傳遞和氧化硅層厚度測量3套大型裝置。2010年，主體裝置被批準(zhǔn)為“固體密度基準(zhǔn)”，將我國密度基準(zhǔn)在（500~10000）kg/m3范圍內(nèi)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，測量能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2010年質(zhì)檢總局又批準(zhǔn)建立“密度副基準(zhǔn)”并頒發(fā)了我國新“密度量傳系統(tǒng)表”。本項(xiàng)研究成果又直接促使我國密度量傳體系的徹底變革，標(biāo)志著我國密度量傳能力已躍居世界先進(jìn)水平的前列。

　　記者：最后，請您談?wù)勗擁?xiàng)目在推動(dòng)科技進(jìn)步和提高行業(yè)競爭力方面的作用和意義。

　　羅志勇：首先，該項(xiàng)研究成果已在我國NA測量研究、國際合作研究、“壓浮”測量研究及“可調(diào)諧激光移相干涉系統(tǒng)研制”等多項(xiàng)科學(xué)研究中得到實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。特別是在NA測量研究中，“機(jī)械掃描”相移干涉技術(shù)已成為其支撐技術(shù)，并取得了國際領(lǐng)先的研究成果，并有進(jìn)一步提高的潛力。

　　其次，精密加工、精密制造和裝配等行業(yè)是我國發(fā)展較的薄弱工業(yè)領(lǐng)域，該項(xiàng)成果的亞納米級測長準(zhǔn)確度，高出長度基準(zhǔn)2個(gè)數(shù)量級，特別適用于這些領(lǐng)域的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。對于提高我國特種工業(yè)領(lǐng)域國際競爭力，推動(dòng)整體科技能力提升具有重要意義。