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計量論壇

標題: 以量子物理為基礎的現(xiàn)代計量基準研究簡介 [打印本頁]

作者: vandyke 時間: 2009-4-17 23:00
標題: 以量子物理為基礎的現(xiàn)代計量基準研究簡介
《以量子物理為基礎的現(xiàn)代計量基準研究》是為落實國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》和《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》，而啟動的“十一五”國家科技支撐計劃重點項目。一共包括9個課題，如下：課題1、能量天平質(zhì)量量子基準研究；
課題2、可編程約瑟夫森量子電壓基準研究；
課題3、玻爾茲曼常數(shù)測量及熱力學溫度基準研究；
課題4、精細結構常數(shù)測量關鍵技術及電容基準的研究；
課題5、光輻射量子計量基準及關鍵技術研究；
課題6、阿伏加德羅常數(shù)測量關鍵技術研究；
課題7、同位素豐度基準的研究；
課題8、冷原子納米尺度計量基準關鍵技術研究
課題9、基于電子隧道效應量子電流基準關鍵技術研究
以下分別作簡要介紹。
課題1  能量天平質(zhì)量量子基準研究
（一）目標
發(fā)展互感精密測量技術，測量不確定度達到1×10-7；以此為基礎建立一套“能量天平”裝置，實現(xiàn)我國的量子質(zhì)量基準。并完成用此套裝置對普朗克常數(shù)的測量。
（二）主要研究內(nèi)容
建立用于復現(xiàn)質(zhì)量單位的高精度真空天平；研制激光定位系統(tǒng)，實現(xiàn)互感量測量中線圈在幾個不同位置的精密定位到零點幾納米；設計和研制精密線圈系統(tǒng)，要求其互感量能對幾何位置的變動不敏感；研制精密電流源，實現(xiàn)互感量測量和天平力的測量；最后實現(xiàn)互感精密測量，達到用互感量的測量來吸收“幾何因子”的目的，建立能量天平測量裝置。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
互感測量1×10-7，建立質(zhì)量量子基準裝置，完成用此裝置對普朗克常數(shù)的測量，達到國際先進水平。

課題2  可編程約瑟夫森量子電壓基準研究
（一）目標
建立一套可編程約瑟夫森量子電壓基準，達到國際先進水平。
（二）主要研究內(nèi)容
直流方面要研究減少精密測量環(huán)節(jié)引入的誤差，降低系統(tǒng)的A類不確定度，使系統(tǒng)滿足可攜帶的要求。在產(chǎn)生動態(tài)交流信號方面主要研究SINIS結陣的動態(tài)特性、微波源及傳導系統(tǒng)、臺階電壓的激勵方式、結陣偏置源傳輸線路、交流信號處理電路、正弦波的合成與誤差分析。以及掌握量子器件制作的關鍵技術方面的研究。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
直流1伏：    不確定度達到 5×10-9；
交流1伏（50Hz）不確定度達到 1×10-5

課題3  玻爾茲曼常數(shù)測量及熱力學溫度基準研究
（一）目標
建立測量玻爾茲曼常數(shù)和輻射法、噪聲法測量熱力學溫度裝置，測量玻爾茲曼常數(shù)達到相對標準不確定度為1×10-4；測量新高溫金屬-碳共晶點和銀（或銅）凝固點的熱力學溫度，相對標準不確定度達到3×10-4；測量氬三相點的熱力學溫度，相對標準不確定度達到1×10-4。
（二）主要研究內(nèi)容
建立測量玻爾茲曼常數(shù)實驗裝置，解決相關的關鍵性技術，并開展測量玻爾茲曼常數(shù)的研究，測量的相對標準不確定度好于1×10-4。
建立輻射法測量熱力學溫度的實驗裝置，測量銀（或銅）凝固點和新固定點高溫金屬-碳共晶點鈷-碳、鉑-碳、錸-碳共晶點熱力學溫度，測量相對標準不確定度達到3×10-4以內(nèi)。
開展噪聲法測量熱力學溫度研究，掌握噪聲溫度計測量用低電磁干擾、絕熱熔化溫坪技術，開展氬三相點的熱力學溫度測量，測量相對標準不確定度達到1×10-4。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
1)玻爾茲曼常數(shù)的測量研究，測量的相對不確定度達到1×10-4；
2)金屬-碳共晶點（鈷-碳、鉑-碳、錸-碳共晶點）和銅（或銀）凝固點熱力學溫度測量，測量相對標準不確定度達到3×10-4；
3)氬三相點熱力學溫度的測量，測量的相對不確定度達到1×10-4。

課題4  精細結構常數(shù)測量關鍵技術及電容基準的研究
（一）目標
建立計算電容裝置，包括計算電容本體，電容電橋、直角電橋和高等級激光干涉儀。與已有的量子化霍爾電阻相結合，宏觀測量精細結構常數(shù);
（二）主要研究內(nèi)容
研制帶運動電極的立式計算電容器，研制電容電橋和直角電橋, 建立新的電容基準；并與已有的量子化霍爾電阻相結合，確定克里青常數(shù)Rk，由此宏觀測量精細結構常數(shù)。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
研究克服端部效應的補償方法。新的電容基準不確定度達到國際先進水平。精細結構常數(shù)宏觀測量，達到國際先進水平。

課題5  光輻射量子計量基準及關鍵技術研究
（一）目標
建立基于光子相關技術的光電探測器量子效率測量裝置；建立標準光電探測器的外量子效率模型；建立光譜比較系統(tǒng)；建立飛秒脈沖自相關儀及相位還原系統(tǒng)軟件；建立飛秒脈沖光譜相位相關儀。
（二）主要研究內(nèi)容
利用相關光子測量技術建立光電探測器量子效率測量裝置。建立550nm～950nm波長范圍內(nèi)標準光電探測器外量子效率模型及高準確度的光譜比較系統(tǒng)的。復現(xiàn)坎德拉新技術的研究。基于光電探測器量子效率的激光功率能量測量的研究。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
基于量子物理的光輻射計量基準建立的研究，建立基于光子相關技術的光電探測器量子效率測量裝置一套，測量探測器量子效率的不確定度為1%；
建立標準光電探測器的外量子效率模型，解決激光波長間光輻射功率測量問題，550nm～950nm標準光電探測器一組，標準光電探測器的光譜響應度不確定度為0.03%；
建立光譜比較系統(tǒng)，解決從相干光到非相干光的測量的過渡，光譜比較系統(tǒng)波長范圍：500nm～1000nm，光譜比較準確度:0.08%，波長準確度0.1nm；
進行復現(xiàn)坎德拉新技術的研究，555nm光度計響應度定標不確定度0.08%；研制用于光度計響應度量值保存和傳遞的標準光度計一組，其V（λ）匹配誤差小于2.5%，紅外響應誤差小于1%，紫外響應誤差小于0.5%，示值誤差0.5%；
實現(xiàn)新的激光功率、能量復現(xiàn)技術的研究，激光功率（0.1mW-100mW）基準的測量不確定度由目前的0.4%(k=2)降低到0.1%(k=2)，激光功率（0.1W-70W）基準的測量不確定度由目前的0.8%(k=2)降低到0.2%(k=2)，脈沖激光能量基準的測量不確定度由目前的1.0%(k=2)降低到0.4%(k=2)；
建立飛秒脈沖自相關儀、光譜相位相關儀，實現(xiàn)飛秒脈沖時域?qū)挾?、光譜相位的測量，并根據(jù)相位還原飛秒脈沖的脈沖寬度和脈沖波形。考核指標：時域測量范圍：100fs～30fs，測量不確定度：<15%，測量光譜寬度：700nm～900nm，光譜相位不確定度：<10%；
建立光學材料逆反射性能檢測標準裝置、實現(xiàn)逆反射系數(shù)，逆反射強度等量值的傳遞。裝置測量精度：5%，標準樣品均勻性優(yōu)于8%。

課題6  阿伏加德羅常數(shù)測量及固體密度基準研究
（一）目標
以國際阿伏加德羅工作組為背景，對技術上有較大潛力并有希望取得重要突破的項目---硅球密度和單晶硅原子量展開研究。主要目標：建立一套固體密度基準，實現(xiàn)單晶硅球測量不確定度優(yōu)于5×10-8，達到國際領先水平；突破單晶硅原子量精密測量關鍵技術，實現(xiàn)硅原子量測量不確定度優(yōu)于2×10-7；阿伏加德羅常數(shù)的測量不確定度達到目前國際先進水平（具體指標同時取決于CODATA數(shù)據(jù)庫中晶格常數(shù)或硅原子量測量結果）。
（二）主要研究內(nèi)容
采用X射線晶體密度法測定阿伏加德羅常數(shù)：通過測定單晶硅球的宏觀密度---硅球的質(zhì)量除以體積，單晶硅的原子量---數(shù)值上等于硅的摩爾質(zhì)量，利用“國際數(shù)據(jù)委員會（CODATA）”提供的晶胞的體積---晶格常數(shù)和晶胞原子數(shù)，求得阿伏加德羅常數(shù)。主要研究內(nèi)容包括
?硅球密度測量。立足于新的技術原理，研究新的測試方法，以突破目前國際上常用測量方法之不足。內(nèi)容包括建立以“相移法”為基礎的真空測長系統(tǒng)，研究非接觸溫度測量方法，實現(xiàn)表面形貌分析法和橢圓偏振測量儀聯(lián)合精密測量硅球表面的氧化層厚度，研究硅球質(zhì)量測量方法等。
?硅原子量的測量。采用質(zhì)譜法測量硅原子量：研究新的測試技術和流程，研究MS系統(tǒng)誤差校準模式，研究分餾效應和質(zhì)量歧視造成的系統(tǒng)誤差，降低儀器本底和記憶效應，獲得高準確度的同位素豐度比進而準確測定原子量。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
?       單晶硅球密度標準不確定度優(yōu)于5×10-8。其中硅球直徑測量準確度優(yōu)于0.5nm；氧化硅層厚度優(yōu)于1nm；溫度測量準確度優(yōu)于2mk，石英線脹系數(shù)優(yōu)于0.02%，硅球質(zhì)量測量準確度優(yōu)于10μg；
?       對高純硅28原子量測量不確定度達到6×10-8；對高純的硅-28物質(zhì)中硅-29與硅-30雜質(zhì)含量的準確測定，使硅原子量測量不確定度優(yōu)于2×10-7。
?       利用阿伏加德羅常數(shù)工作組提供的晶格常數(shù)或硅原子量（視國外原子量的研究進展）求得阿伏加德羅常數(shù)，進行測量結果的不確定度評定，技術指標達到目前國際先進水平。

課題7  同位素豐度基準的研究
（一）目標
建立同位素豐度基準的理論模式，建立鋅、釤、硒、鎘同位素豐度基準，包括基準測量方法和同位素豐度基準物質(zhì),其中主同位素豐度值不確定度在0.5％－0.08％；測量硒、鐿元素的原子量，原子量測量值的不確定度好于目前國際標準值的不確定度。在同位素測量方面形成具有獨立知識產(chǎn)權的、達到國際先進水平、具有國際競爭力的技術標準；培養(yǎng)、形成一只高素質(zhì)的、具備攻關能力和競爭力的、人員分工配置合理的科研團隊；在此基礎上，不斷自主研發(fā)我國的同位素豐度基、標準，建立并逐步完善相應的溯源體系。
（二）主要研究內(nèi)容
研究同位素豐度基準的建設方案；通過質(zhì)譜測量技術研究，建立鋅、釤、硒、鎘同位素豐度測量基準方法；進而研制鋅、釤、硒、鎘的同位素豐度基準物質(zhì)和標準物質(zhì)；測量硒、鐿元素的原子量。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
1)同位素豐度基準建設方案研究報告；
2)鋅、釤、硒、鎘的同位素豐度基準測量方法和基準物質(zhì)；
3)主同位素豐度值不確定度在0.5％－0.08％（視元素不同而定）；
4)鋅、釤、硒、鎘同位素豐度標準物質(zhì)達到國家一級標
5)準物質(zhì)水平；
6)硒、鐿原子量測量研究報告，原子量測量值的不確定度好于目前國際標準值的不確定度。

課題8  冷原子納米尺度計量基準關鍵技術研究
（一）目標
建立冷原子納米尺度計量基準，完成冷原子沉積系統(tǒng)實驗裝置，開展冷原子光柵線距標準的實驗，獲得冷原子沉積結構；爭取1～2項達到國內(nèi)領先水平；
（二）主要研究內(nèi)容
以冷原子物理為基礎，利用原子和光的相互作用，實現(xiàn)原子的有序聚焦沉積，最終得到冷原子納米尺度計量基準，為制作納米計量標準傳遞提供更加精確的技術手段。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
設計加工原子沉積腔及真空系統(tǒng)、原子操控系統(tǒng)光學元器件、真空系統(tǒng)安裝和聯(lián)機實驗、激光頻率控制系統(tǒng)和原子操控系統(tǒng)，獲得冷原子熒光信號，在室溫條件下，冷原子沉積腔的真空度達到1×10-8mbar；實現(xiàn)冷卻激光的頻率穩(wěn)定，頻率波動范圍小于250kHz；觀測到橫向冷卻的原子熒光信號。完成冷原子沉積實驗裝置，制成微結構光柵樣品。

課題9  基于電子隧道效應量子電流基準關鍵技術研究
（一）目標
突破量子隧道效應量子電流基準關鍵技術：對于單電子隧道效應電子輸運的量子電流基準的關鍵技術和困難，分析其成因與影響，對其形成機理進行物理學分析，完成對有關單電子器件的特性分析和設計。在實驗和精密測試的基礎上，探索量子電流基準的特性。
（二）主要研究內(nèi)容
1.研究半導體異質(zhì)結準二維電子氣的物理參數(shù)對單電子輸運特性的影響，特別是在準一維量子線中，雜質(zhì)或電子遷移率對電子彈道式運動的影響。雜質(zhì)形成的靜態(tài)量子點在行波電場作用下的行為；
2.在微波波段為準二維電子氣設計、制作行波電場叉指換
能器，測試并研究其頻響特性，使之滿足單電子器件的要求；
3.設計改善單電子器件的制作工藝，利用國內(nèi)、外的光刻、電子束刻蝕設備制作單電子器件；
4.對單電子器件的各個部件進行理論分析、計算模擬，以確定其電子輸運特性；
5.尋找聲電電流量子化的物理起因和最佳電流平臺；
6.開展微弱電流測試技術的研究，研究其隨機電報噪聲，串話及聲波體波反射等因素的抑制，實現(xiàn)pA（10-12安培）量級的低電平電流精密測量。
（三）主要技術參數(shù)和考核指標
1.單電子器件量子物理特性研究：研究行波電場對單個電子的搬運現(xiàn)象，尋求聲電電流量子化的條件，研究分裂門勢能位形、雜質(zhì)量子阱的影響，以便得到最佳的量子化平臺；
2.與上述研究同步，進行準一維量子線單電子器件設計、制作的實驗研究。進行深低溫實驗與理論分析，繼而改進、優(yōu)化器件性能；
3.進行有關量子電流基準關鍵技術與特性測試方法研究，建成其測試裝置和測量系統(tǒng)。

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