從水到單晶硅球——我國(guó)密度基準(zhǔn)提升精確度

像大號(hào)黑珍珠似的單晶硅球靜靜地躺在隔振、恒溫、潔凈的國(guó)家固體密度基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里。
　　通過(guò)創(chuàng)新長(zhǎng)度極限測(cè)量方法，研究人員完成了對(duì)這顆大號(hào)“黑珍珠”密度的絕對(duì)測(cè)量，將我國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)密度量值傳遞依賴純水密度、無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)國(guó)際接軌的歷史；還實(shí)現(xiàn)了阿伏伽德羅常數(shù)（NA）測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)際該領(lǐng)域空白。
    為此，國(guó)際NA工作組主席Becker博士專(zhuān)程到訪實(shí)驗(yàn)室，對(duì)該項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新給予高度評(píng)價(jià)：“這套基于新穎技術(shù)路線的硅球直徑測(cè)量干涉儀對(duì)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。基于獨(dú)具特色的技術(shù)原理，該項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了硅球直徑不確定度的高可靠性評(píng)估，是一項(xiàng)杰出的科學(xué)成就。”
    日前，這項(xiàng)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院羅志勇研究員領(lǐng)銜的國(guó)家重大基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)——“測(cè)長(zhǎng)方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立”榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

    ———— 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(jiǎn)稱(chēng)記）：為什么要建立固體密度基準(zhǔn)？
      羅志勇（以下簡(jiǎn)稱(chēng)羅）：我國(guó)基于純水的液體國(guó)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(duì)密度測(cè)量的需要，國(guó)際上幾次密度比對(duì)都因我國(guó)只有液體密度基準(zhǔn)而未獲得參比資格。建立以絕對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量精度與發(fā)展，密度量值在全國(guó)范圍內(nèi)量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，直接影響到國(guó)防、科研、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、文教衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、國(guó)內(nèi)外貿(mào)易和人民生活，可以說(shuō)直接影響到整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
    比如說(shuō)石油化工行業(yè)大宗的油料貿(mào)易。國(guó)際上進(jìn)行貿(mào)易時(shí)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(méi)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(huì)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(cè)量對(duì)象？
    羅：大家都知道密度等于質(zhì)量和體積之比。我們國(guó)家已經(jīng)有了高精確度的質(zhì)量基準(zhǔn)，只要測(cè)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?yàn)榍蝮w是一維的，相對(duì)于其他幾何形狀而言，不僅容易加工，而且容易測(cè)量，只要準(zhǔn)確測(cè)出球體的半徑，就能準(zhǔn)確測(cè)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?yàn)楣瑁簿褪菃尉Ч璨牧鲜欠浅?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(jiān)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?yàn)槟撤N原因遭到碰損、打碎，其密度值也不會(huì)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(gè)將微觀世界與宏觀世界關(guān)聯(lián)起來(lái)的基本物理常數(shù)。準(zhǔn)確測(cè)量阿伏加德羅常數(shù)對(duì)國(guó)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(guó)際上阿伏加德羅常數(shù)的測(cè)定主要是根據(jù)完整晶格單晶硅的摩爾體積和單個(gè)硅原子的體積之比，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量單晶硅球的密度，單晶硅摩爾質(zhì)量和晶格常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，以建立固體密度基準(zhǔn)、測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)為目標(biāo)的研究一直是國(guó)際計(jì)量前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

    ———— 四個(gè)重大突破 ————
    長(zhǎng)度測(cè)量極限：實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的尺寸測(cè)量

      記：您剛剛提到，本項(xiàng)目是以建立固體密度基準(zhǔn)為出發(fā)點(diǎn)。但是項(xiàng)目獲獎(jiǎng)名稱(chēng)是“測(cè)長(zhǎng)方法創(chuàng)新及固體密度基準(zhǔn)的建立”，長(zhǎng)度測(cè)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(shí)，我們90%的工作是測(cè)長(zhǎng)，就是測(cè)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(guó)際上對(duì)長(zhǎng)度的測(cè)量普遍采用“激光變頻”方法， 精確度只能達(dá)到納米級(jí)。而建立固體密度基準(zhǔn)，技術(shù)上則要求達(dá)到亞納米級(jí)，這幾乎是長(zhǎng)度測(cè)量的極限。就好比我們平常生活中測(cè)長(zhǎng)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(cè)量方法或測(cè)量工具。
    在研究中，我們提出了“機(jī)械掃描”相移干涉測(cè)長(zhǎng)新方案，研制出一套硅球直徑高準(zhǔn)確度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了一種具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高準(zhǔn)確度測(cè)長(zhǎng)方法，技術(shù)潛力高出國(guó)際現(xiàn)有“激光變頻”方法近1個(gè)數(shù)量級(jí)，為國(guó)際首創(chuàng)。

        記：項(xiàng)目研究還有哪些主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)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(cè)量方面。氧化硅層厚度測(cè)量是國(guó)際公認(rèn)的技術(shù)瓶頸之一。因?yàn)楣枨虮砻娴难趸瘜右坏┬纬删头浅７€(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(shí)際測(cè)量。我們?cè)趪?guó)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(hào)去噪關(guān)鍵技術(shù)突破。干涉信號(hào)的準(zhǔn)確采集直接決定直徑測(cè)量準(zhǔn)確度，我們實(shí)現(xiàn)了一種高效率噪聲處理新方法，提高了信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確度，為國(guó)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(guó)際同行的精密絕熱控溫系統(tǒng)。此項(xiàng)技術(shù)深得國(guó)際同行的肯定，基于此項(xiàng)技術(shù)還獲得了發(fā)明專(zhuān)利。

    ———— 應(yīng)用前景 ————
    提高我國(guó)特種工業(yè)領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力

      　記：項(xiàng)目成果在推動(dòng)科技進(jìn)步和提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面有哪些作用？
    　羅：首先，該項(xiàng)研究成果已在我國(guó)NA測(cè)量研究、國(guó)際合作研究、“壓浮”測(cè)量研究及“移相干涉系統(tǒng)研制”等多項(xiàng)科學(xué)研究中得到實(shí)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(guó)發(fā)展較的薄弱工業(yè)領(lǐng)域，該項(xiàng)成果的亞納米級(jí)測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)確度，高出常規(guī)精密測(cè)量方法2個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)量。對(duì)于提高我國(guó)特種工業(yè)領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)整體科技能力提升具有重要意義。

    精確測(cè)量海水密度 服務(wù)國(guó)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(guó)防科技領(lǐng)域有著特殊的應(yīng)用。例如，對(duì)海水密度的精確測(cè)量。海水密度對(duì)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(shí)則會(huì)急驟下沉。潛水艇如遇上由密度引起的波動(dòng)就會(huì)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(chǎng)的分布和變化規(guī)律，了解它們對(duì)潛水艇活動(dòng)的影響，才能充分發(fā)揮潛水艇的戰(zhàn)斗力。現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)對(duì)海水密度與海洋環(huán)境、氣候關(guān)系的認(rèn)識(shí)已經(jīng)完全定量化。為實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的研究和對(duì)海洋氣候的預(yù)測(cè)要求對(duì)海水密度的測(cè)量精確到10-6—10-7。固體密度基準(zhǔn)測(cè)量準(zhǔn)確度已完全滿足軍工單位和科學(xué)研究對(duì)海水密度計(jì)標(biāo)定需要。