躋身國際計（jì）量前沿（yán） 引領測長方法創（chuàng）新（xīn）

——訪2011國家科技（jì）進步二等獎《測長方法創（chuàng）新及固體密度基準的建立》項目負責人羅誌勇

　　在國際計量單位製(SI)的7個基本物理量中，長度的單位“米”、時間的單位（wèi）“秒”、電流的（de）單位“安培”等6個已由量子基準複現，目前隻有（yǒu）質量的單位（wèi）“千克（kè）”仍由實物基準複現。阿伏伽（gā）德羅常數（NA）不僅是定義（yì）質量基準最有前途的方法之一，還用於定義另一個基本量——物質（zhì）量的單位“摩爾”，對於在原子（zǐ）、分子和量子水平上研究和解決計量基標準問（wèn）題十分重要。單（dān）晶矽球密度測量是NA測量最重要的關鍵技術，同時也是固體密度基準的核心。我國基於純水的國家密度基準最高準確度僅可達（dá）到（dào）5×10-6，已不能適應科學研究和（hé）精（jīng）密工業對密度測量的（de）需要，建立以絕對測（cè）量為基礎、具有超高（gāo）準確度的（de）固體密度基準迫在眉睫。

　　20世紀70年代以來（lái），以建立固體密度基準、測量阿伏伽德羅常數為（wéi）目標的研究一直是國際（jì）計量前沿領域的研究熱點。“技術上要（yào）求準確度到亞納米級（jí），這幾乎是長度測（cè）量的（de）極限（xiàn）。”《測長方（fāng）法創新及固（gù）體密度基準的建立》項（xiàng）目（mù）負責（zé）人、中國計量科學研究院研究（jiū）員羅誌勇（yǒng）在接（jiē）受記者采訪時介紹說（shuō）。

　　日前，由中國計量科學研究院作為第一完成單位承擔的《測長方法創新及固體密度基（jī）準的建立》研究項目，獲得2011年度國家科技進步（bù）二等獎。該項目提出並實現（xiàn）一種超高準確度測長方法——“機械掃描”相移幹涉法，實現NA測量重大技術突破，填補了國際該領域（yù）空白；利用該（gāi）項（xiàng）術在國際上首次以“激光變頻”之外的方法（fǎ）建立了我國（guó）的固體密度基準，準確度達（dá）2×10-7（k=2），處（chù）於國際領先水平。

 國際計量界的熱點

　　記者：據了解，近30多年來（lái），以建立固體密度基準（zhǔn）、測量阿伏伽德羅常數為（wéi）目標的研究一直是國際計量領域的研究熱點。首先，請簡單介紹下這方麵的國際背景（jǐng）。

　　羅誌勇：以建立固體密（mì）度基準、測量阿伏伽德羅常數為（wéi）目標的研究工作，最（zuì）初始於20世紀60年代（dài），當時美國NIST提出（chū）並建立固體密度基準（zhǔn），但沒有繼續開展後（hòu）續工作。70年代意大利最先開展這方麵的測量（liàng），方案（àn）幾經更換，最終選擇了球體，材料也由石英、微晶玻璃（lí）等（děng）逐漸發展到更為穩定的單（dān）晶矽。隨後德國PTB、日本NMIJ也介入了這方麵的（de）研究，測量方法也有所提升：德國采用球麵波幹涉法，日本采用（yòng）平麵波（bō）幹涉法。2000年（nián）以（yǐ）後由於頻率調製技術的發展，各先進國家都（dōu）進入（rù）“激光變頻”時代。但每種方案都有其自身的局限性。

　　記者：請談（tán）談我國在（zài）此方麵開展的研究情況（kuàng）及進展狀況？

　　羅誌勇：單晶（jīng）矽球密度測量是NA測（cè）量最（zuì）重要的關鍵技術，同時也是固體密度基準的核心。20世紀80年（nián）代，我國密度工作者提議開展此項研究工作，但是限於經費和（hé）當時的技術條件，隻能開展相關理論研究。

　　2002年（nián）我國啟動了重大基礎研（yán）究專項：NA測量關鍵技術攻關——“固體密度基準研究（jiū）”，項目核心技（jì）術是實現對（duì）矽球直徑亞納米級準確度（dù）測量，具有（yǒu）極高的技術難度（dù）。因此必須立足新的技術原理和方法，實現關鍵技（jì）術的（de）實質突破。在國外多年的技術積累基礎上，我們經過兩年多的調研並篩選了20多種方案，於2004年提出“機械掃描”相移幹涉法的測長方法。由於該方法的原理可靠，2006年固體密度測量的合成不確（què）定度達到2.2×10-7，步入國際先進行列。

　　此後又得到“十一五”國家（jiā）科技支撐計劃和中國（guó）計量科學研究（jiū）院科研業務費等的持（chí）續（xù）支持（chí）。2007年實現了氧化層厚度的精確測量，影響密度的關鍵誤差項大幅（fú）減小。在“十一五”國家科技支撐計（jì）劃重點項目“阿伏加德（dé）羅常數測量”中對矽球直徑的測量準（zhǔn）確度已達0.9nm，達到國際領先水平。2008年3月與（yǔ）澳大利亞單晶矽球（qiú）（不確定度10nm）進行了比對測量，直徑差僅（jǐn）為1.75nm。

　　記者（zhě）：請簡要介紹下由中國計量科學研究院承擔《測長方法創新及固體密（mì）度基準的建立》項目（以下簡（jiǎn）稱“該項目”）的研究目標和內容。

　　羅誌勇（yǒng）：建立我國的新一代（dài）國家密度基準和實現測（cè）長（zhǎng）技術實質性創新。我們進行阿伏伽德羅常數測量最初目的是為建（jiàn）立固體密度基準，而測長方法創（chuàng）新是這一研究過程中（zhōng）提出的方法。

創新突破，國際（jì）領先

　　記者：作為該項目負責（zé）人，請簡單介紹下該項目的核心技術？

　　羅誌勇：立（lì）足新的技術原理和方法，在國（guó）際上首（shǒu）先提出並實現一種超高準確度測長方（fāng）法——“機械掃描（miáo）”相移幹涉法，實現測長方（fāng）法重（chóng）大突破，填補了國內（nèi）外該領域空白，成為我國開展NA測量及參與（yǔ）國際合作（zuò）研究的支撐技術。

　　記者：請談談該項目研究的主要創新點和（hé）重大的技（jì）術突破。

　　羅（luó）誌勇：首先（xiān），關鍵量——單晶矽氧化層厚度的精密測量方麵。在國（guó）際上首次提出理論算（suàn）法與光闌濾波相結合的方法，成功消除偏振混疊效應所導致的（de）膜層厚度數（shù）學模型缺陷，將混頻效應不（bú）確定度控製在（zài）小於（yú）0.05nm的範圍之內，單晶矽層厚度測量能力達到國際先進水平前列。其次，信號去噪（zào）關鍵技（jì）術突破（pò）。國際上首次利用拓撲（pū）分析方（fāng）法和“複值馬爾科夫”隨機場函數（shù），快速、有效地（dì）衰減了信號采集中的隨機噪聲，提高了信號測量（liàng）準（zhǔn）確度，實現了（le）一種高效率噪聲處（chù）理新方法。第三，精密絕熱控溫技術創（chuàng）新。利用“溫度補償效應”和“相位疊加效應”，研製出溫度穩定性顯著優於國際同行的精密絕熱控溫係統。此項技術深得PTB Nicolaus博士（PTB矽（guī）球直徑（jìng）組組長）的肯定，基於（yú）此項技術的發明專利即將授權。此外，項目還實現測量全變量仿真，真（zhēn）正實現了以理論結果指導實驗（yàn）研（yán）究，為最終突破NA測量瓶頸提供（gòng）了技術保證。項目還在密度量傳裝置的負載切換技術（shù）、幹涉係統的最佳（jiā）可視化、環心定位技術和矽球位置（zhì）的準確控（kòng）製等方麵有新的設計思（sī）想和重要創新點。

　　記者：請問，該項目（mù）的（de）研究成果和技術水平在國際（jì）上所處地位及社會評（píng）價如（rú）何呢？

　　羅（luó）誌勇：本項目突破了NA測量技術瓶頸（jǐng），首次以國際上現有（yǒu）“激光變頻”法之外的（de）方法建立了矽球（qiú）直徑精密（mì）測量係統，技術（shù）潛力高出“激光變頻”法近1個（gè）數量級，達0.03nm，為國際首創。

       成果發表引起（qǐ）巨大國際反響，國際NA工（gōng）作組主席Becker博士專程（chéng）到訪實驗室（shì），對該項目的技術創新給予高度評價：“目（mù）前體積測量已成（chéng）為阿伏（fú）伽德羅常數測量最主要的誤差源，這（zhè）套基於新穎技術路（lù）線的矽球直徑測量幹涉（shè）儀對於支撐以矽球方案定義千（qiān）克的下一步工（gōng）作框架是非常重要的。基於獨具特色的技術原理，該項工作實現了矽球直徑（jìng）不確定度的高可靠性評估，是一項傑出的科學成就。”

   2009年該項成果（guǒ）報（bào）告會在（zài）PTB引起強烈反響（xiǎng），隨後與（yǔ）PTB簽署（shǔ）了2年的NA合作研究協議。課題組於2010年加入國際NA工作組，參與國際（jì）阿伏伽德羅常數項目中單晶矽球直徑測量研究。

 應用前景廣闊

　　記者：請您介紹（shào）一下該項目（mù）科研成果的（de）推廣應用情況（kuàng）。

　　羅誌勇：利用該項技術首次（cì）在我國實（shí）現了對單晶矽球密（mì）度的（de）絕對測量（liàng），建成我國（guó）絕對密度測量係統包括矽球直徑測量、密度量值傳遞（dì）和氧化矽層厚度測量3套大型裝置。2010年，主（zhǔ）體裝（zhuāng）置被（bèi）批準為“固體密度基準”，將我國密度基準在（500~10000）kg/m3範圍內（nèi）的（de）準確度（dù），從5×10-6提高至2×10-7，結束了（le）我國密度量值（zhí）溯源長期（qī）依（yī）賴純水密（mì）度（dù）的曆史，測量能力達到國（guó）際領先水平。2010年質檢總局又批準建立“密度副基準”並頒發了我國新“密度量（liàng）傳係統表”。本項研（yán）究成果又直接促使我國密度量傳體係的徹底變革，標誌著我國密度量傳能力（lì）已躍居世界先進（jìn）水平的前列。

　　記者：最後，請您談談該項目（mù）在推動科技進步和提高行業競爭力（lì）方麵的作用和意義。

　　羅誌（zhì）勇：首先，該（gāi）項研究成果（guǒ）已在我國NA測量研（yán）究、國（guó）際合作（zuò）研究、“壓浮”測量研究及“可調諧激光移相幹涉係統研製”等多項科學研究中（zhōng）得（dé）到（dào）實質性應用。特（tè）別是在NA測量研究中，“機械掃描”相移（yí）幹涉技術已成為其支（zhī）撐技術，並取得了國（guó）際領先的研究成果，並有進一步提高的潛力。

　　其次，精密加工、精密製造（zào）和裝配等行業是我國發展較的薄弱工業領域，該項（xiàng）成果的亞納（nà）米級測長準確度，高出長度基（jī）準（zhǔn）2個數量級，特別（bié）適用於這些領域的小尺寸樣件或工件的微小變形（xíng）、材料（liào）或（huò）工件熱脹係數的精確測量。對於提高我國（guó）特種工業領域國際（jì）競爭（zhēng）力，推動整體（tǐ）科技能力提升具有重要意義。