躋身國(guó)際計(jì)量前沿 引領(lǐng)測(cè)長(zhǎng)方法創(chuàng)新

——訪2011國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)《測(cè)長(zhǎng)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(guó)際計(jì)量單位制(SI)的7個(gè)基本物理量中，長(zhǎng)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(duì)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(cè)量是NA測(cè)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(guó)基于純水的國(guó)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(duì)密度測(cè)量的需要，建立以絕對(duì)測(cè)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(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究一直是國(guó)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(jí)，這幾乎是長(zhǎng)度測(cè)量的極限。”《測(cè)長(zhǎng)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(guó)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(guó)計(jì)量科學(xué)研究院作為第一完成單位承擔(dān)的《測(cè)長(zhǎng)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(guó)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(cè)長(zhǎng)方法——“機(jī)械掃描”相移干涉法，實(shí)現(xiàn)NA測(cè)量重大技術(shù)突破，填補(bǔ)了國(guó)際該領(lǐng)域空白；利用該項(xiàng)術(shù)在國(guó)際上首次以“激光變頻”之外的方法建立了我國(guó)的固體密度基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度達(dá)2×10-7（k=2），處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

 國(guó)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(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究一直是國(guó)際計(jì)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。首先，請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹下這方面的國(guó)際背景。

　　羅志勇：以建立固體密度基準(zhǔn)、測(cè)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(guó)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(cè)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(guó)PTB、日本NMIJ也介入了這方面的研究，測(cè)量方法也有所提升：德國(guó)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(guó)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(qǐng)談?wù)勎覈?guó)在此方面開展的研究情況及進(jìn)展?fàn)顩r？

　　羅志勇：?jiǎn)尉Ч枨蛎芏葴y(cè)量是NA測(cè)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(guó)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(guó)啟動(dòng)了重大基礎(chǔ)研究專項(xiàng)：NA測(cè)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(duì)硅球直徑亞納米級(jí)準(zhǔn)確度測(cè)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(guó)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(cè)長(zhǎng)方法。由于該方法的原理可靠，2006年固體密度測(cè)量的合成不確定度達(dá)到2.2×10-7，步入國(guó)際先進(jìn)行列。

　　此后又得到“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃和中國(guó)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(cè)量，影響密度的關(guān)鍵誤差項(xiàng)大幅減小。在“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“阿伏加德羅常數(shù)測(cè)量”中對(duì)硅球直徑的測(cè)量準(zhǔn)確度已達(dá)0.9nm，達(dá)到國(guó)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(duì)測(cè)量，直徑差僅為1.75nm。

　　記者：請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹下由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院承擔(dān)《測(cè)長(zhǎng)方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立》項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“該項(xiàng)目”）的研究目標(biāo)和內(nèi)容。

　　羅志勇：建立我國(guó)的新一代國(guó)家密度基準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)測(cè)長(zhǎng)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(cè)量最初目的是為建立固體密度基準(zhǔn)，而測(cè)長(zhǎng)方法創(chuàng)新是這一研究過程中提出的方法。

創(chuàng)新突破，國(guó)際領(lǐng)先

　　記者：作為該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，請(qǐng)簡(jiǎn)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(guó)際上首先提出并實(shí)現(xiàn)一種超高準(zhǔn)確度測(cè)長(zhǎng)方法——“機(jī)械掃描”相移干涉法，實(shí)現(xiàn)測(cè)長(zhǎng)方法重大突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域空白，成為我國(guó)開展NA測(cè)量及參與國(guó)際合作研究的支撐技術(shù)。

　　記者：請(qǐng)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(cè)量方面。在國(guó)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(cè)量能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平前列。其次，信號(hào)去噪關(guān)鍵技術(shù)突破。國(guó)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(chǎng)函數(shù)，快速、有效地衰減了信號(hào)采集中的隨機(jī)噪聲，提高了信號(hào)測(cè)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(guó)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(zhǎng)）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(cè)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(cè)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(qǐng)問，該項(xiàng)目的研究成果和技術(shù)水平在國(guó)際上所處地位及社會(huì)評(píng)價(jià)如何呢？

　　羅志勇：本項(xiàng)目突破了NA測(cè)量技術(shù)瓶頸，首次以國(guó)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(cè)量系統(tǒng)，技術(shù)潛力高出“激光變頻”法近1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)0.03nm，為國(guó)際首創(chuàng)。

       成果發(fā)表引起巨大國(guó)際反響，國(guó)際NA工作組主席Becker博士專程到訪實(shí)驗(yàn)室，對(duì)該項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新給予高度評(píng)價(jià)：“目前體積測(cè)量已成為阿伏伽德羅常數(shù)測(cè)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(cè)量干涉儀對(duì)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(píng)估，是一項(xiàng)杰出的科學(xué)成就。”

   2009年該項(xiàng)成果報(bào)告會(huì)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(guó)際NA工作組，參與國(guó)際阿伏伽德羅常數(shù)項(xiàng)目中單晶硅球直徑測(cè)量研究。

 應(yīng)用前景廣闊

　　記者：請(qǐng)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(guó)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單晶硅球密度的絕對(duì)測(cè)量，建成我國(guó)絕對(duì)密度測(cè)量系統(tǒng)包括硅球直徑測(cè)量、密度量值傳遞和氧化硅層厚度測(cè)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(guó)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(guó)密度量值溯源長(zhǎng)期依賴純水密度的歷史，測(cè)量能力達(dá)到國(guó)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(guó)新“密度量傳系統(tǒng)表”。本項(xiàng)研究成果又直接促使我國(guó)密度量傳體系的徹底變革，標(biāo)志著我國(guó)密度量傳能力已躍居世界先進(jìn)水平的前列。

　　記者：最后，請(qǐng)您談?wù)勗擁?xiàng)目在推動(dòng)科技進(jìn)步和提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)NA測(cè)量研究、國(guó)際合作研究、“壓浮”測(cè)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(cè)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(guó)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(guó)發(fā)展較的薄弱工業(yè)領(lǐng)域，該項(xiàng)成果的亞納米級(jí)測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)確度，高出長(zhǎng)度基準(zhǔn)2個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)量。對(duì)于提高我國(guó)特種工業(yè)領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)整體科技能力提升具有重要意義。