当代计量科学发展的新趋势

第21卷第3期2010年9月中国计量学院学报Jo ur na l of China U niver sity o f M etro lo gy V ol.21No.3Sep.2010文章编号 1004 1540(2010)03 0187 05收稿日期 2010 07 14 作者简介 赵克功(1936),男,河北固安人,教授.主要研究方向为计量技术.当代计量科学发展的新趋势赵克功1,张宝武2(1.中国计量科学研究院,北京100013;2.中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州310018)摘 要 回顾了计量科学在日常生活和科学研究方面的重要性,指出以实物计量基准建立的计量单位制存在的问题.分析了以基本物理常数(真空光速值c 0,元电荷e,普朗克常数h,波尔兹曼常数k B 和阿伏加德罗常数N A )和原子的物理特性(约瑟夫森效应和量子霍尔效应)进行计量基本单位量子化研究的重要性和紧迫性.介绍了长度、质量、电学量、温度和时间等计量基本单位量子化研究的新趋势.简单介绍了欧盟计量科学研究计划新动向.关键词 计量技术;计量基准;量子单位制 中图分类号 T B91 文献标识码 ANew development trends of contemporary metrology scienceZH AO Ke g ong 1,ZH ANG Bao w u 2(1.National Ins titute of M etrology,Beijing 100013,C hina;2.College of M etrology &M easu rem ent Engineering,China Jiliang University,H angzhou 310018,C hina)Abstract:T he impor tance of metr olog y in daily life and scientific r esear ch was r eview ed,and the pr oblems o f the metro log y unit system based on classical physics wer e po inted out.T he impo rtance and urgency to establish a quantum metr olog y unit system o n basic physical constants (the vacuum speed of lig ht c 0,per char ge e ,Planck constant h ,Boltzmann constant k B and A vo gadro constant N A )and t he at omic physical pr operties (the Josephson effect and quantum H all effect)w ere analy zed.T he new tr ends o f quantum research of the basic units of length,mass,elect rical capacit y,temper atur e and t ime as w ell as the new scientific research plan o f EU metro log y a re intro duced.Key words:metr olog y techno lo gy ;metr olo gy primar y standar d;quantum metr olog y unit system计量科学在人类的发展历史中起着举足轻重的作用,它伴随着物品交换活动诞生和发展.随着人类的进步和生产的社会分工,社会产品对通用性和互换性要求越来越高,这就促使古代度量衡逐步发展为计量技术,即所有的测量值只有在给出的测量不确定度范围内溯源到计量单位上才可靠.任何测量仪器只有经过计量校准后方能使用,否则测量出的测量值不可靠,不可信.计量科学历经18世纪的力学计量和热力学计量,19世纪的电磁计量和20世纪的量子计量等阶段逐步形成了多学科、多种类的当代计量学,主要具有如下几个特点:1)计量学是一切测量技术的科学基础;2)计量学是建立在最新物理学理论和效应的基础上,利用最现代化的技术手段来研究物理量与化学量及其测试方法的一门崭新的学科;3)计量学的发展,促进了自然科学的进步,生产的现代化;4)计量学是社会安全与安定的技术保证和科学基础[1].当代计量学正处于经典物理学与量子物理学的交界处,也处于宏观与微观的交界处,它趋于利用原子与原子间的物理特性及其新型量子效应和基本物理常数,建立以量子物理学为基础的新型量子单位制,这就预示着当代计量学正处于变更和更新时期.为此,各个国家都在投入大量资金,召集高端人才进行计量科学的研究,其中从事的项目之一是计量基本单位定义的更新研究,例如现行国际单位制(SI)的7个计量基本单位中除了千克(kg)还是以实物作为基准外,其他6个:米(m)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)、坎德拉(cd)和摩尔(mo l)等都已经利用以量子物理学为基础的基本物理常量和原子的物理特性作了更新[2].1 计量基本单位的量子化研究1.1 量子国际单位制!!!建立计量基本单位的里程碑19世纪下半叶到20世纪上半叶,各国根据经典物理学的原理,用某种特别稳定的实物建立起了实物计量基准,使基本单位的量值由实物计量基准复现和保存.尽管这种实物基准是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成,在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求,但是它的局限性很大.原因一是这样的实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化,因而它们所保存的量值也会有所改变.如铂铱合金千克砝码会缓慢地吸附在其表面及内部的气体,表面沾上的微尘,甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化,这种逐年积累变化的准确数量也很难确切查明.原因二是最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套,一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏,就无法完全一样地复制出来,原来连续保存的单位量值也会因之中断.为此,20世纪下半叶以来,计量科学研究者与物理学研究者紧密合作,使计量单位的定义逐步抛弃实物基准,更新在以量子物理学为基础的基本物理常数(真空光速值c0,元电荷e,普朗克常数h,波尔兹曼常数k B和阿伏加德罗常数N A)和原子的物理特性(约瑟夫森效应和量子霍尔效应)上.从目前的物理学知识来看,这些基本物理常数不随时间和地点的变化而变化,原子的量子特性都可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生,因此,如果以此为基准定义计量基本单位,则基本单位的定义将能长期保持稳定,完全解决了实物基准存在的问题.这在计量科学发展史上具有里程碑式的意义.1.2 长度[米]定义更新的研究用基本物理常数重新定义基本单位的做法首先在长度单位的定义方面取得了突破.主要更新原理就是把真空中的光速数值固定下来,视作无误差常数,反过来用时间单位和真空中的光速导出长度单位,即把长度单位米的定义变更为∀米是光真空中,在1/299792458s的时间间隔内运行路程的距离#.这也就是说真空光速值c0=299792458m/s是一个不受精度限制(即无误差)的基本物理常量,在物理学中再也不是可以测量的量[3].1.3 质量[千克]定义更新的研究如上文所说,现行国际单位制(SI)的7个计量基本单位中只有千克(kg)还是以实物作为基准.因此目前急需解决的问题是质量定义的更新.千克的定义是在1887年第一届国际计量大会上确定的,以巴黎国际计量局保存的千克原器(铂铱合金的圆柱体)作为质量基本单位的国际基准.经研究,这个实物基准的质量以平均每年0.5 g的变化率在增长.它的质量变化早已超过国际质量∀kg#比对的精度.另外,这种实物基准易损坏,不易保存.因此,满足不了当今工业、科学技术发展的需要,必须寻求基本物理常量或原子物理特性作为变更方向.这方面的研究从20世纪六七十年代已开始了,其途径主要有三:一是利用阿伏伽德罗常数N A;二是功率天平;三是收集金原子.有关这些途径的原理,测量要求等详细论述可参阅作者发表的有关论文∃更新计量基本单位!!!质量(kg)定义的研究%[4].目前国际上从事与准确测定阿伏伽德罗常数有关研究的单位以德国联邦物理技术研究院188中 国 计 量 学 院 学 报第21卷(PTB)的研究历史最长.其原理是利用单晶硅晶体密度 、质量m 、体积V 、克分子质量M 以及它的单晶胞体积V 0来推算出阿伏伽德罗常数N A .要准确测定N A ,要求最终测量不确定度为2&10-8.截止到2010年5月20日,相关量的测量不确定度如图1,其中,BIPM 和INRIM 分别为国际计量局和意大利国家标准研究院.另外,在硅球直径测量方面PT B 和中国计量科学研究院(NIM )分别达到0.9nm 和1.2nm,它们非常接最终的要求1nm.图1 单晶硅晶体相关量的测量不确定度Figure 1 Measurement uncertainty o f related parameters forSi crystal由图1可以看出,单晶硅球体表面因为直接与空气接触会形成成分复杂的表层,另外,球内部还会产生硅氧化层,并且在这两层之间还有过渡硅氧化层,如图2.这些都是影响测量N A 的不确定度,其中包括晶体中的晶胞数,硅球体的直径精度等.对这个表面层的测量有望在2011年达到0.1nm.图2 单晶硅晶体表面层结构F ig ure 2 Surface structure of Si cr ystal在精确测量N A 过程中,还必须精确了解硅元素的同位素含量和它们的原子质量M (Si),这样才能精确确定28Si 的摩尔质量.图3是近两年PTB 和参考物质与测量研究所(IRMM )两个单位对28Si 摩尔质量实验测量结果.图中显示PTB 的四次测量结果都比较接近0.9999578,而IRMM 的测量结果却与此相差较大,只有0.9999493.我们怀疑这其中存在系统误差.图3 近两年PTB 和IRM M 两个单位对28Si 摩尔质量实验测量结果F ig ur e 3 PT B and I RM M experimental r esults o f28Simole1.4 电学量[电流、电压、电阻]定义更新的研究约瑟夫森效应(Jo sephso n effect)预言,超导体中的库柏电子对越过两块超导体间的势垒时,量子跃迁所吸收或发射的电磁辐射,普朗克公式同样成立.利用这种量子效应,可把电压与微波辐射频率联系起来,得到准确度与频率基准相接近的量子电压基准.利用量子化霍尔效应(Quantum H all effect)可以建立一种准确度远远高于传统的实物基准的量子电阻基准!!!量子化霍尔电阻基准,不确定度为10-10量级.由于这些巨大进展,国际计量委员会建议,从1990年1月1日起在世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍尔电阻标准,代替原来由标准电池和标准电阻维持的实物基准.与此同时,给出了定义约瑟夫森电压标准及量子化霍尔电阻标准的约瑟夫森常数KJ 和冯克里青常数RK 的国际推荐值KJ 90=483597.9GH z/V ;RK 90=25812.807 .这两个值等效于用普朗克常数h 和元电荷e 这两个基本物理常数结合频率标准来导出电压单位和电阻单位,如图4的内三角.另外,近年来,发现了一种单个电子隧道电流现象.它的特征是:在一定条件下,一个极小隧道结只能存储或通过单一的电子.记录下单位时间内通过的电子数目,就可以准确地知道该电路中的电流值.利用这一现象可以用来建立电流的自然基准.由于这种现象是由具有量子化性质的隧道库仑阻塞效应所产生的,因此由这一现象所建立的电流基准将是自然基准,类似于约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准.189第3期赵克功,张宝武:当代计量科学发展的新趋势图4 普朗克常数h和元电荷e结合频率标准导出电压和电阻单位关系结构Figure4 Relation between vo ltag e,resistance and h,e1.5 温度[开尔文]定义更新的研究对于温度单位开尔文,一直沿用至今的是按水的三相点来定义和导出单位.这种实物基准无法消除同位素效应造成开尔文单位的附加误差.为此,研究者们把眼光转向了波尔兹曼常数k B= 113806505&10-23J/K,以此直接导出热力学温度单位.从波尔兹曼常数的定义可知,从原理上讲,能够测量热力学温度的方法都能用于定义波尔兹曼常数.目前开展研究的有声学共鸣法、激光吸收谱线多普勒频带测量法、噪声温度计法和电介质常数定容气体温度计法.其中声学共鸣法具有最高的测量精度,为大多数参与者采用.1.6 时间[秒]定义更新的研究在未来的量子单位制中,唯一利用量子效应,但要通过实验装置来体现的计量基本单位就是时间单位∀秒#.当前一种量子计量基准是1967年在国际上正式启用的铯原子钟.此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准(见图5),代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准.从20世纪六七十年代开始,物理学家与计量学家开始探索利用新型物理效应,如单离子储存、原子喷泉钟、原子囚禁等方法探讨新型时间(频率)基准.A)铯原子喷泉钟的原理如图6,其稳频不确定已达到10-16量级,比地球运动的稳定性高了6到7个数量级,如此计算,几千万年才有可能相差一秒. B)单离子储存的原理如图7,其稳频不确定将提高到10-18量级,如此计算,一百亿年不差一秒.图7 单离子储存原理Figure7 Pr inciple of sing le io n tr aps190中 国 计 量 学 院 学 报第21卷现在正在实施的单离子储存有以下几种.a)Yb+Linie Breite3H z:这种离子阱现在可达1.5&10-16量级.它存在的最大问题之一是离子囚禁位置不在囚禁中心,这就会带来非常大的频率漂移.另外,它还需要冷却激光的线宽要尽量的窄,磁场要十分稳定.b)T h223离子囚禁,因为是核跃迁,不确定度将提高到10-22量级,冷却系统也比较容易,是我们认为最有希望的.c)Al+离子囚禁可以得到非常高的精度,但是装置十分复杂,现在没有人再进行实验.另外还有Sr+和Hg+离子囚禁的相关工作.在所有这些离子囚禁方案中,从长远看还要解决冷却问题.2 欧盟发展现状2008年欧盟计量科学研究计划里面明确提出要投资4亿欧元(折合40亿人民币)进行量子工程和时空的研究(Centre for Quantum Engineering and Space T ime Research,简称QUEST-研究),主要研究内容包括:a)建立1018~1022准确度的时间频率标准;b)研究更好的测量仪器,使星球与星球之间距离的测量不确定度达到1m;c)癌症的诊断和治疗;d)纳米技术等.另外,为了发展新型物理理论,进行空间技术研究等.德国PTB成立了量子计量研究所,主要研究方向是:a)新型超高精细光谱学,目的是提高微波钟和光钟的精度,力争达到10-18量级,如果是原子核内部跃迁,力争达到10-22量级;b)基本物理常数随时空变化的研究;c)量子力学与万有引力的关系,力争在10-22量级水平上测量出由于万有引力引起的微小长度变化;d)发展量子传感器和超高精度的钟用来研究基本物理常数的变化和大地测量中的亚毫米量级的变化.3 计量科学的新领域和开展当代计量科学研究的建议随着社会的发展和科技的进步,除了传统的力学量、热学量、电学量、光学量和量子计量以外,现在的计量科学已经深入到声学量、放射性物理量、化学量,并且发展出与社会经济发展密切相关的环保计量、医学计量、生物计量、信息计量、法理计量、食品计量、机床计量、材料计量和新型能源计量等.另外,最近医学计量领域发展非常迅速的一个方向就是针灸原理的探测,即如何将这种古老而神奇的医术通过计量手段进行量化研究. 3.1 利用计量科学技术指挥生产,控制生产21世纪的工业计量将有很大的变更,工业测量数据的溯源性要求越来越高,因此,要大力发展在线与动态测量,发展在线智能与虚拟式计量仪器仪表,同时应有在线校准,达到能控制生产和指挥生产,并确保产品质量的目的.另外,还有发展在线与动态计量标准及其校准方法,要有国际上的认证、认可和国际的比对.图8、图9和图10分别给出了一种新型高精度激光跟踪补偿仪(high precision laser tr acking co mpensator,H PLT C)及其相关补偿性能的测试.(下转第221页)191第3期赵克功,张宝武:当代计量科学发展的新趋势图5 46#机械油低比例数据拟合误差Fig ure 5 Fitting erro r o f 46#mechanical oil w ith lowpro po rtio n3 结 语采用混合两种不同粘度的油品以获得中间粘度的方法,可以有效地排除大范围温度变化对流量计特性的影响,从而单一的得出粘度对流量计的影响.根据混合油中某一油品的含量与温度跟粘度的关系拟合出的数学模型具有较高的精度,可以作为粘度控制的模型.在变粘度试验装置的设计中,通过控制不同比例油品混合的方法比控制温度来改变粘度的方法更为方便.参 考 文 献[1] 冷 林,张吉祥.温度对油品计量交接的影响[J].中国科技信息,2008,18:48 56.[2] 苏彦勋,梁国伟,盛 健.流量计量与测试[M ].北京:中国计量版社,2007:11 13.[3] 牟明仁,孙延伟,姜 丽,等.煤油与柴油按不同比例调合对油品特性的影响[J].精细石油化工进展,2005,10(6):43 46.[4] 杜改喜.粘度指数改进剂对油品性能的影响[J].石河子科技,2006(1):28 30.[5] 童 刚,陈丽君,冷 健,等.液体粘度模型的建立与实现[J ].青岛科技大学学报,2007,6(28):539 541.[6] 中国石油化工总公司高桥石油化工公司炼油厂.GB/T 2651988,石油产品运动粘度测定法和动力粘度计算法[S].北京:中国计量出版社,1989.[7] 王肖芬.流量传感器信号建模、信号处理及系统研究[D].合肥:合肥工业大学,2007.[8] 杜水友,章 皓,郑永军.最小二乘拟合压力传感器二次曲线及精度分析.[J].中国计量学院学报,2005,16(3):184 186.[9] 袁亚湘.非线性规划数值算法[M ].上海:上海科学技术出版社,1993:75 85.[10] NOCEDAL J,WRIGH T S J.Num erical optimization[M ].Sp ringer Verlag,1999:130 132.[11] 王 成,邹海雷.条件特征函数及性质[J ].中国计量学院学报,2008,19(4):360 362.[12] 后 敏,曹飞龙.一类神经网络逼近可积函数[J ].中国计量学院学报,2007,18(2):155 158.(上接第191页)图10 激光跟踪补偿仪对园工作台(角度)的测量和补偿F ig ur e 10 M easurement and co mpensation for circle w orking table of H PL T C3.2 发展信息计量规范网络计量量值的传递21世纪是信息社会,必须建立现代信息科学的计量标准,如传真、通讯等计量标准规范网络计量量值的传递.本文核心内容整理于赵克功教授(原中国计量科学研究院院长,现任德国国家计量院高级研究员,我国激光测量和激光应用计量科学研究开创者之一)在中国计量学院的报告.参 考 文 献[1] 赵克功.当代计量学的现状和发展∋!!!序言[J].大学物理,2002,21(2):45.[2] 赵克功.当代计量学的现状和发展(!!!20世纪的度量衡,21世纪的量子计量学[J].大学物理,2002,21(3):42.[3] 赵克功.长度计量基本单位!!!∀米#的定义及其复现[J ].大学物理,2003,22(4):38.[4] 赵克功.当代计量学的现状和发展)!!!更新计量基本单位!!!质量∀kg #定义的研究[J ].大学物理,2002,21(4):38.221第3期梁华锋,等:油品混合粘度合成方法的试验研究。