從水到單晶硅球——我國密度基準提升精確度

像大號黑珍珠似的單晶硅球靜靜地躺在隔振、恒溫、潔凈的國家固體密度基準實驗室里。
　　通過創新長度極限測量方法，研究人員完成了對這顆大號“黑珍珠”密度的絕對測量，將我國固體密度基準從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、無法有效實現國際接軌的歷史；還實現了阿伏伽德羅常數（NA）測量重大技術突破，首次以“機械掃描”相移干涉法建立了硅球直徑精密測量系統，填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予高度評價：“這套基于新穎技術路線的硅球直徑測量干涉儀對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?；讵毦咛厣募夹g原理，該項工作實現了硅球直徑不確定度的高可靠性評估，是一項杰出的科學成就?！?br />     日前，這項由中國計量科學研究院羅志勇研究員領銜的國家重大基礎研究專項——“測長方法創新及固體密度基準的建立”榮獲國家科技進步獎二等獎。

    ———— 固體密度基準 ————
    基于純水的液體密度基準已不能滿足科學研究和精密工業需求

        記者（以下簡稱記）：為什么要建立固體密度基準？
      羅志勇（以下簡稱羅）：我國基于純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、科學研究和精密工業對密度測量的需要，國際上幾次密度比對都因我國只有液體密度基準而未獲得參比資格。建立以絕對測量為基礎、具有超高準確度的固體密度基準迫在眉睫。

        記：除了科學研究，我們日常生活中哪些方面要用到高精確度的固體密度？
    羅：密度測量準確與否直接關系到容量、流量、粘度、放射等相關學科的測量精度與發展，密度量值在全國范圍內量值的準確和統一，直接影響到國防、科研、工業、農業、交通運輸、文教衛生、環境保護、國內外貿易和人民生活，可以說直接影響到整個國家的經濟發展。
    比如說石油化工行業大宗的油料貿易。國際上進行貿易時是按照體積交接的，而體積跟密度有直接關系。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，油料密度要根據天氣的變化做修正，否則冬天的話加油站會虧。如果大家仔細觀察，與密度密切相關的領域還有很多。

    研究固體密度基準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測量對象？
    羅：大家都知道密度等于質量和體積之比。我們國家已經有了高精確度的質量基準，只要測準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，是因為球體是一維的，相對于其他幾何形狀而言，不僅容易加工，而且容易測量，只要準確測出球體的半徑，就能準確測出其體積。

        記：為什么選擇單晶硅球的密度作為密度基準？
    羅：因為硅，也就是單晶硅材料是非常標準的晶格排列，可以數原子數。而且單晶硅材料穩定、堅硬、經久不變，具有極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損、打碎，其密度值也不會改變，仍可以進行量值傳遞。

    固體密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么關系？
    羅：固體密度基準是研究阿伏伽德羅常數的關鍵裝置。阿伏加德羅常數是一個將微觀世界與宏觀世界關聯起來的基本物理常數。準確測量阿伏加德羅常數對國際基本單位——千克和摩爾的重新定義起著舉足輕重的作用。目前，國際上阿伏加德羅常數的測定主要是根據完整晶格單晶硅的摩爾體積和單個硅原子的體積之比，通過準確測量單晶硅球的密度，單晶硅摩爾質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、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點。

    ———— 四個重大突破 ————
    長度測量極限：實現亞納米級的尺寸測量

      記：您剛剛提到，本項目是以建立固體密度基準為出發點。但是項目獲獎名稱是“測長方法創新及固體密度基準的建立”，長度測量和建立密度基準有什么關系？
     羅：在研究固體密度基準時，我們90%的工作是測長，就是測量單晶硅球的半徑。這也是研究工作中最難的部分。在此之前，國際上對長度的測量普遍采用“激光變頻”方法， 精確度只能達到納米級。而建立固體密度基準，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。
    在研究中，我們提出了“機械掃描”相移干涉測長新方案，研制出一套硅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，技術潛力高出國際現有“激光變頻”方法近1個數量級，為國際首創。

        記：項目研究還有哪些主要創新點和重大的技術突破？
    羅：首先，關鍵量——單晶硅氧化層厚度的精密測量方面。氧化硅層厚度測量是國際公認的技術瓶頸之一。因為硅球表面的氧化層一旦形成就非常穩定，厚度一般在3—7納米，要進一步提高硅球直徑的準確度就必須實際測量。我們在國際上首次提出了理論算法與光闌濾波相結合的技術方案，將確定度控制在小于0.05納米的范圍之內。
    其次，信號去噪關鍵技術突破。干涉信號的準確采集直接決定直徑測量準確度，我們實現了一種高效率噪聲處理新方法，提高了信號測量準確度，為國際首創。第三，精密絕熱控溫技術創新。利用“溫度補償效應”和“相位疊加效應”，研制出溫度穩定性顯著優于國際同行的精密絕熱控溫系統。此項技術深得國際同行的肯定，基于此項技術還獲得了發明專利。

    ———— 應用前景 ————
    提高我國特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競爭力方面有哪些作用？
    　羅：首先，該項研究成果已在我國NA測量研究、國際合作研究、“壓浮”測量研究及“移相干涉系統研制”等多項科學研究中得到實質性應用。其次，精密加工、精密制造和裝配等行業是我國發展較的薄弱工業領域，該項成果的亞納米級測長準確度，高出常規精密測量方法2個數量級，特別適用于這些領域的小尺寸樣件或工件的微小變形、材料或工件熱脹系數的精確測量。對于提高我國特種工業領域國際競爭力，推動整體科技能力提升具有重要意義。

    精確測量海水密度 服務國防科技

        記：除了這些應用，還有哪些潛在應用？
    羅：所建立的固體密度基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，而進入密度極小的水層(海中斷崖)時則會急驟下沉。潛水艇如遇上由密度引起的波動就會劇烈顛簸，甚至失去控制。只有充分掌握海洋環境，特別是水下密度場的分布和變化規律，了解它們對潛水艇活動的影響，才能充分發揮潛水艇的戰斗力。現代的科學技術對海水密度與海洋環境、氣候關系的認識已經完全定量化。為實現對海洋環境的研究和對海洋氣候的預測要求對海水密度的測量精確到10-6—10-7。固體密度基準測量準確度已完全滿足軍工單位和科學研究對海水密度計標定需要。