像大號黑珍珠似的單晶矽球靜靜地躺在隔振、恒溫、潔淨的國家固體密度基準實（shí）驗室裏。

　　通（tōng）過創新長度極限測（cè）量方法，研究人員完成了對這顆大（dà）號“黑（hēi）珍珠”密度的絕對測量，將我（wǒ）國固體密（mì）度（dù）基準從（cóng）5×10-6提高至2×10-7。

　　這不僅結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（shí）現國際接軌（guǐ）的曆史；還（hái）實現了阿伏伽德羅常數（NA）測量重大（dà）技術突（tū）破（pò），首次以“機械掃描”相移幹涉法建立了矽球直（zhí）徑精密測量係統，填（tián）補了國際該領域空白。

　　為此，國際NA工作組主席Becker博士專程到訪實驗室，對該項目的技術創新給（gěi）予高度評價：“這套基於新穎技術（shù）路（lù）線的矽球直徑測量幹涉儀對於支撐以矽球方案定義千（qiān）克的（de）下一步工作框架是非常（cháng）重要的。基（jī）於獨具特色的技術原理，該項工作實現了矽球直徑不確定度的高可靠性評估，是一（yī）項傑出的科學成就。”

　　日（rì）前，這項由中國計量科學研究（jiū）院（yuàn）羅誌勇研究員領銜的國家重大基礎研究專項——“測長方法（fǎ）創新及固體密度基準的建立”榮獲國家科技（jì）進步（bù）獎二等獎。

    ———— 固體密度基準 ————
    基於純水的液體密度基準已不能滿足科學（xué）研究和精密（mì）工業需求（qiú）

　　記者（以下簡稱記）：為什麽要建立固體密度基準？

　　羅誌勇（以下簡稱羅）：我國基於純（chún）水的液體國家密度基準最高準確度僅可達到5×10-6，已不能適應量值傳遞、科學研究和（hé）精密工業對密度測量的需要，國際（jì）上幾次密度比對都因我國隻有（yǒu）液體密度基準而未獲得參比資格。建立以（yǐ）絕對測量為基礎（chǔ）、具有超高準確度的固體密度基準迫在眉睫。

　　記：除了科（kē）學研究，我們日常（cháng）生活（huó）中哪些方麵要用到高精確度的（de）固體密（mì）度？

　　羅：密度測量準確與（yǔ）否直接關係到容量、流量（liàng）、粘度、放射等相關學科的測量精度與發展，密度量值在（zài）全國範圍內量值（zhí）的（de）準確和統一，直（zhí）接影響到國防、科研、工業、農業、交通運（yùn）輸、文教衛生（shēng）、環境保護、國內外貿易和人民生活，可以說直接影響（xiǎng）到整個（gè）國家的（de）經濟發（fā）展。

　　比如（rú）說石油化工行業大宗（zōng）的油料貿易。國際上進行貿易（yì）時是按照體積交接的，而體積跟密度有直接關（guān）係。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，容易發生貿易摩擦。平常我們看到的加油站，油料密度要根據天（tiān）氣的變化做修（xiū）正，否則冬天的話加油站會虧。如果大家仔細觀察，與密度（dù）密切相關（guān）的領域還有很（hěn）多（duō）。

    研究固體密度基準為什麽選擇單晶矽球

　　記：為什麽選擇球體作為固體密度基（jī）準測量對象？

　　羅：大家都知道密度等於質量和體積（jī）之比。我們國家已經有了高精確度（dù）的質量基準，隻要測準（zhǔn）物體的體（tǐ）積就可以得（dé）到高（gāo）精確度的密度值。之所以選擇球（qiú）體，是因為球體（tǐ）是一維的，相對於其（qí）他幾何（hé）形狀而（ér）言，不僅容易（yì）加（jiā）工，而且容易測量，隻要準確測出球體的（de）半徑，就能準確測出其體積。

　　記：為什麽選擇單晶矽球的（de）密度作為密度基準？

　　羅：因為矽，也就是單晶矽材（cái）料是非常標（biāo）準的（de）晶格排列，可以數原子（zǐ）數。而且單晶（jīng）矽材料穩（wěn）定、堅硬、經久不（bú）變，具有（yǒu）極（jí）好的材質均勻性和物理化學性能穩定性，即使因為某種原因遭到碰（pèng）損、打碎，其密（mì）度值也不會（huì）改變，仍可（kě）以進行（háng）量值傳遞。

    固體密（mì）度基準是研究阿伏伽德羅常數的關鍵裝置

　　記：固體密度基準和阿伏伽德羅常數有什麽關係？

　　羅：固體密度基準是研究阿伏伽德（dé）羅常數的關（guān）鍵裝置。阿伏加（jiā）德羅常（cháng）數是（shì）一個將微（wēi）觀世界與宏觀世界關聯（lián）起來的基本物理常數。準確測量阿伏加德羅常數對（duì）國際基本單位——千克和摩（mó）爾的重新定義起著舉足輕重的（de）作（zuò）用。目前（qián），國際（jì）上阿伏加德羅（luó）常數的測定主要是根據（jù）完整（zhěng）晶格（gé）單晶矽的摩爾體（tǐ）積和單個矽原子的（de）體積之（zhī）比，通過準確測量單晶矽（guī）球的密（mì）度，單（dān）晶矽（guī）摩爾質（zhì）量和晶格常數來實現。20世紀70年代以來，以建立固體密度基準（zhǔn）、測量阿伏伽德羅常數為目標的研究一直是國際計量前沿領域的研究熱（rè）點。

———— 四個重（chóng）大突破 ————
    長度測（cè）量極限：實現亞納米級的尺（chǐ）寸測量

　　記：您剛剛提到，本項目是（shì）以（yǐ）建立固體密度基準為出發點。但是項目獲獎名稱是“測長（zhǎng）方法創新及固體密度基準的建立（lì）”，長度測量和（hé）建立密度基準有什麽關係？

　　羅（luó）：在研究固體密度基準時，我們90%的工作是測長，就是測量單晶矽球的（de）半徑。這也是研究工作中最難的部（bù）分。在此之前，國際上對長度的（de）測量（liàng）普（pǔ）遍（biàn）采用“激（jī）光變頻”方法， 精確（què）度隻能（néng）達到（dào）納米級。而建（jiàn）立（lì）固體（tǐ）密（mì）度基準，技術上則要求達到亞納米級，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，最多準確到毫米。如果要精確到（dào）微米，用三角板就不行了，必須采用新的、高準確度的測量方法或測量工具。

　　在研究（jiū）中，我們提出了“機械掃描”相移幹涉測長新方案，研製出一套矽（guī）球直徑高準確度測量裝置，實現了一種具有獨立知識產權的超高準確度測長方法，技術潛（qián）力高出國（guó）際現（xiàn）有“激光變頻”方法近1個數量級，為國際首創。

　　記：項（xiàng）目研究還有哪些主要創新點（diǎn）和重大的技術突破？

　　羅（luó）：首先，關鍵量——單晶矽氧化層厚度（dù）的（de）精密測量方麵。氧化矽層厚度（dù）測量是（shì）國際公（gōng）認的技術瓶頸之一。因為矽球表麵的氧化層（céng）一旦形成就非常穩定，厚度一般在3—7納米，要進一步提（tí）高矽球直徑的準確度就必須實（shí）際測量。我們在國際上首次提出了理論算法與光闌濾（lǜ）波相結合的技術方案，將確定度控製在（zài）小（xiǎo）於0.05納米的（de）範圍之內。

　　其次，信號去噪關鍵技（jì）術突破。幹涉信號的準（zhǔn）確采集直接（jiē）決定直徑測量準確度，我們實（shí）現了一種高效率噪聲處理新方法，提高（gāo）了信號測量準確度（dù），為國際首創。第三（sān），精密絕（jué）熱控溫技術創新。利用“溫度補償（cháng）效應”和（hé）“相位（wèi）疊（dié）加效應”，研製出溫度穩定性顯著優於（yú）國際同行的精密絕熱控溫係統。此項技術深得國際（jì）同行的（de）肯定（dìng），基於此項技術還獲得了發明專利。

    ———— 應用前景 ————
    提高我國（guó）特（tè）種工業領域國際競爭力

　　記：項目成果在推動科技進步和提高行業（yè）競爭力方麵有哪些作用？

　　羅：首先，該項研究成（chéng）果已在我國NA測量研究、國際合作研究、“壓浮”測量研究及“移相幹涉係統研製”等多項科學研究中得到實質性（xìng）應用。其次，精密加工、精密製造和裝配等行業是我國發展較的薄弱工業領域，該項（xiàng）成果（guǒ）的亞（yà）納米級測長準確度（dù），高出常規精密測量方法2個數量級，特別適（shì）用於這些領域的小尺（chǐ）寸樣件或工件的微（wēi）小變形、材料或工件熱脹係數的精確測（cè）量。對於提高我國（guó）特種工業領域國際（jì）競爭力，推動整體科技能力提（tí）升具有重要意義。

    精確測量海水密度 服務國防科技

　　記（jì）：除了這些應用，還（hái）有哪些潛在應用？

　　羅：所（suǒ）建立（lì）的固體密度基（jī）準在國防科技領域有著特殊的應用。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（yǐng）響，潛艇可以（yǐ）停泊在密度很大的（de）水（shuǐ）層(液體海底)之上隱蔽待命，而進（jìn）入密度極小的水（shuǐ）層(海中斷崖)時則會急驟下沉。潛水艇如遇上由密度（dù）引起的波動就會劇烈顛簸，甚至失（shī）去控製。隻有（yǒu）充分掌（zhǎng）握海洋（yáng）環境，特別是水下密（mì）度場的分（fèn）布和變化規律，了解它（tā）們對潛水艇活動的影響，才能充分發揮潛水艇的戰鬥力。現代（dài）的科學技術對海水密度與海（hǎi）洋環境、氣候關係的認識已經完全（quán）定量化（huà）。為實現對海洋環境（jìng）的研究和對海洋氣候的預測要（yào）求對海水密（mì）度的測量精確到10-6—10-7。固體密度基準測量（liàng）準（zhǔn）確（què）度已完全滿（mǎn）足軍工單位和科學研究對海水密度計標定需要。