像大號黑珍珠似的單晶硅球靜靜地躺在隔振、恒溫、潔凈的國家固體密度基準(zhǔn)實驗室里。

　　通過創(chuàng)新長度極限測量方法，研究人員完成了對這顆大號“黑珍珠”密度的絕對測量，將我國固體密度基準(zhǔn)從5×10-6提高至2×10-7。

　　這不僅結(jié)束了長期以來我國密度量值傳遞依賴純水密度、無法有效實現(xiàn)國際接軌的歷史；還實現(xiàn)了阿伏伽德羅常數(shù)（NA）測量重大技術(shù)突破，首次以“機(jī)械掃描”相移干涉法建立了硅球直徑精密測量系統(tǒng)，填補(bǔ)了國際該領(lǐng)域空白。

　　為此，國際NA工作組主席Becker博士專程到訪實驗室，對該項目的技術(shù)創(chuàng)新給予高度評價：“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?；讵毦咛厣募夹g(shù)原理，該項工作實現(xiàn)了硅球直徑不確定度的高可靠性評估，是一項杰出的科學(xué)成就。”

　　日前，這項由中國計量科學(xué)研究院羅志勇研究員領(lǐng)銜的國家重大基礎(chǔ)研究專項——“測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立”榮獲國家科技進(jìn)步獎二等獎。

    ———— 固體密度基準(zhǔn) ————
    基于純水的液體密度基準(zhǔn)已不能滿足科學(xué)研究和精密工業(yè)需求

　　記者（以下簡稱記）：為什么要建立固體密度基準(zhǔn)？

　　羅志勇（以下簡稱羅）：我國基于純水的液體國家密度基準(zhǔn)最高準(zhǔn)確度僅可達(dá)到5×10-6，已不能適應(yīng)量值傳遞、科學(xué)研究和精密工業(yè)對密度測量的需要，國際上幾次密度比對都因我國只有液體密度基準(zhǔn)而未獲得參比資格。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。

　　記：除了科學(xué)研究，我們?nèi)粘Ｉ钪心男┓矫嬉玫礁呔_度的固體密度？

　　羅：密度測量準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到容量、流量、粘度、放射等相關(guān)學(xué)科的測量精度與發(fā)展，密度量值在全國范圍內(nèi)量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，直接影響到國防、科研、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、文教衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、國內(nèi)外貿(mào)易和人民生活，可以說直接影響到整個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　比如說石油化工行業(yè)大宗的油料貿(mào)易。國際上進(jìn)行貿(mào)易時是按照體積交接的，而體積跟密度有直接關(guān)系。相同體積的石油，其燃燒值在不同的溫度下是一樣的。如果沒有高精確度的密度基準(zhǔn)，容易發(fā)生貿(mào)易摩擦。平常我們看到的加油站，油料密度要根據(jù)天氣的變化做修正，否則冬天的話加油站會虧。如果大家仔細(xì)觀察，與密度密切相關(guān)的領(lǐng)域還有很多。

    研究固體密度基準(zhǔn)為什么選擇單晶硅球

　　記：為什么選擇球體作為固體密度基準(zhǔn)測量對象？

　　羅：大家都知道密度等于質(zhì)量和體積之比。我們國家已經(jīng)有了高精確度的質(zhì)量基準(zhǔn)，只要測準(zhǔn)物體的體積就可以得到高精確度的密度值。之所以選擇球體，是因為球體是一維的，相對于其他幾何形狀而言，不僅容易加工，而且容易測量，只要準(zhǔn)確測出球體的半徑，就能準(zhǔn)確測出其體積。

　　記：為什么選擇單晶硅球的密度作為密度基準(zhǔn)？

　　羅：因為硅，也就是單晶硅材料是非常標(biāo)準(zhǔn)的晶格排列，可以數(shù)原子數(shù)。而且單晶硅材料穩(wěn)定、堅硬、經(jīng)久不變，具有極好的材質(zhì)均勻性和物理化學(xué)性能穩(wěn)定性，即使因為某種原因遭到碰損、打碎，其密度值也不會改變，仍可以進(jìn)行量值傳遞。

    固體密度基準(zhǔn)是研究阿伏伽德羅常數(shù)的關(guān)鍵裝置

　　記：固體密度基準(zhǔn)和阿伏伽德羅常數(shù)有什么關(guān)系？

　　羅：固體密度基準(zhǔn)是研究阿伏伽德羅常數(shù)的關(guān)鍵裝置。阿伏加德羅常數(shù)是一個將微觀世界與宏觀世界關(guān)聯(lián)起來的基本物理常數(shù)。準(zhǔn)確測量阿伏加德羅常數(shù)對國際基本單位——千克和摩爾的重新定義起著舉足輕重的作用。目前，國際上阿伏加德羅常數(shù)的測定主要是根據(jù)完整晶格單晶硅的摩爾體積和單個硅原子的體積之比，通過準(zhǔn)確測量單晶硅球的密度，單晶硅摩爾質(zhì)量和晶格常數(shù)來實現(xiàn)。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量前沿領(lǐng)域的研究熱點。

———— 四個重大突破 ————
    長度測量極限：實現(xiàn)亞納米級的尺寸測量

　　記：您剛剛提到，本項目是以建立固體密度基準(zhǔn)為出發(fā)點。但是項目獲獎名稱是“測長方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立”，長度測量和建立密度基準(zhǔn)有什么關(guān)系？

　　羅：在研究固體密度基準(zhǔn)時，我們90%的工作是測長，就是測量單晶硅球的半徑。這也是研究工作中最難的部分。在此之前，國際上對長度的測量普遍采用“激光變頻”方法， 精確度只能達(dá)到納米級。而建立固體密度基準(zhǔn)，技術(shù)上則要求達(dá)到亞納米級，這幾乎是長度測量的極限。就好比我們平常生活中測長用的三角板，最多準(zhǔn)確到毫米。如果要精確到微米，用三角板就不行了，必須采用新的、高準(zhǔn)確度的測量方法或測量工具。

　　在研究中，我們提出了“機(jī)械掃描”相移干涉測長新方案，研制出一套硅球直徑高準(zhǔn)確度測量裝置，實現(xiàn)了一種具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的超高準(zhǔn)確度測長方法，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，為國際首創(chuàng)。

　　記：項目研究還有哪些主要創(chuàng)新點和重大的技術(shù)突破？

　　羅：首先，關(guān)鍵量——單晶硅氧化層厚度的精密測量方面。氧化硅層厚度測量是國際公認(rèn)的技術(shù)瓶頸之一。因為硅球表面的氧化層一旦形成就非常穩(wěn)定，厚度一般在3—7納米，要進(jìn)一步提高硅球直徑的準(zhǔn)確度就必須實際測量。我們在國際上首次提出了理論算法與光闌濾波相結(jié)合的技術(shù)方案，將確定度控制在小于0.05納米的范圍之內(nèi)。

　　其次，信號去噪關(guān)鍵技術(shù)突破。干涉信號的準(zhǔn)確采集直接決定直徑測量準(zhǔn)確度，我們實現(xiàn)了一種高效率噪聲處理新方法，提高了信號測量準(zhǔn)確度，為國際首創(chuàng)。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)。此項技術(shù)深得國際同行的肯定，基于此項技術(shù)還獲得了發(fā)明專利。

    ———— 應(yīng)用前景 ————
    提高我國特種工業(yè)領(lǐng)域國際競爭力

　　記：項目成果在推動科技進(jìn)步和提高行業(yè)競爭力方面有哪些作用？

　　羅：首先，該項研究成果已在我國NA測量研究、國際合作研究、“壓浮”測量研究及“移相干涉系統(tǒng)研制”等多項科學(xué)研究中得到實質(zhì)性應(yīng)用。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，該項成果的亞納米級測長準(zhǔn)確度，高出常規(guī)精密測量方法2個數(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，推動整體科技能力提升具有重要意義。

    精確測量海水密度 服務(wù)國防科技

　　記：除了這些應(yīng)用，還有哪些潛在應(yīng)用？

　　羅：所建立的固體密度基準(zhǔn)在國防科技領(lǐng)域有著特殊的應(yīng)用。例如，對海水密度的精確測量。海水密度對潛水艇升降沉浮有決定性影響，潛艇可以停泊在密度很大的水層(液體海底)之上隱蔽待命，而進(jìn)入密度極小的水層(海中斷崖)時則會急驟下沉。潛水艇如遇上由密度引起的波動就會劇烈顛簸，甚至失去控制。只有充分掌握海洋環(huán)境，特別是水下密度場的分布和變化規(guī)律，了解它們對潛水艇活動的影響，才能充分發(fā)揮潛水艇的戰(zhàn)斗力?，F(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)對海水密度與海洋環(huán)境、氣候關(guān)系的認(rèn)識已經(jīng)完全定量化。為實現(xiàn)對海洋環(huán)境的研究和對海洋氣候的預(yù)測要求對海水密度的測量精確到10-6—10-7。固體密度基準(zhǔn)測量準(zhǔn)確度已完全滿足軍工單位和科學(xué)研究對海水密度計標(biāo)定需要。