二十一世纪中的计量测试技术

编者按 中国计量科学研究院张钟华院士负责用量子化霍尔效应建立国家电阻标准，他带领的研究组研制的低温电流比较仪的不确定度达到10－10量级为世界第一，在世界电学领域享有极高声誉。在中国仪器仪表学会2005学术年会上张钟华院士就“二十一世纪中的计量测试技术”做了精彩演讲，博得与会代表热烈掌声。会后就同一问题，接受了本刊记者的采访。 记者：计量测试技术的发展 经历了很长的阶段，请您谈谈计量工作的发展过程。 张钟华院士：适应社会发展状况的计量工作经历了以下阶段。第一阶段：农业社会，统一度量衡；计量工作适合农业社会中农产品和生活用品贸易的需要，测量准确度达到百分之一到千分之一（10－２到10－３量级）。第二阶段：工业社会，工业生产中的互换性要求，对工作的加工精度提出了更高要求；科学技术工作中对精密仪器提出了需要，测量准确度要达到万分之一到亿亿分之一（10－４到10－3量级）。为适应大规模工业生产提出的要求，生产过程中要求进行精密测量，自动化生产要求在线的、快速的测量设备。进入二十一世纪提出了新问题，如生物医疗、环境保护、国防安全等，都需要准确度更高的精密测量设备。 记者：基本单位的量值需要复现和保存，以便实际应用，这些任务是由计量基准来完成的。请您谈谈实物计量基准和量子计量基准的不同。 张钟华院士：20世纪上半叶以前，基本单位的量值由实物计量基准复现和保存。实物基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现。例如一个保存在巴黎国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱——千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克，按x型铂铱合金米尺的刻线间距离定义长度单位米，用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特，用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位等等。如米原器模型、千克原器模型等。实物基准存在以下局限性： （1）最高的计量基准为某种实物，就有其固有的缺点。尽管这些实物墓准是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成，在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求，但是这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例，缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。 （2）最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因此中断。 （3）量值传递检定系统庞大繁杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然地有所下降。 上述问题已经使传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。20世纪下半叶以来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。量子计量基准的优点是： （1）量子计量基准的准确度一般要比实物计量基准高几个数量级。 （2）量子计量基准是一种物理实验装置，可以多处建立。不会有一旦损坏不能准确复现的问题。 （3）按照相同原理建立的量子计量基准，所复现的量值也相同，避免了计量基准的量值多次逐级传递而造成的一系列问题。 记者：请您谈谈量子计量基准的进一步发展。 张钟华院士：日前已建立的量子计量基准总是伴随着某一种具体的量子物理手段，从而定义了一种基本单位。如果此种手段有厂新的发展，人们就会面临着是否要改变基本单位定义的问题。例如，现在的时间（频率）单位是用铯原子的超精细能级的跃迁频率定义的。如果发现了其他复现性更好的跃迁频率（目前的候选者有钙原子、激光等），时间（频率）单位的定义就有可能改变。但是，单位定义的改变影响面很大，频繁地改变单位定义是人们所不希望的。因此，人们就开始探索更为稳定化的单位定义方法。 从目前的物理学知识来看，基本物理常数（如真空中光速c、普朗克常数h、电子电荷e等）是不变的，有最好的稳定性。如果能把基本单位用基本物理常数定义，基本单位的定义将能长期保持稳定。复现基本单位的具体技术手段可以随着科学技术的进步而不断与时俱进，但基本单位的定义可以无需更改。这样的基本单位制将更加科学，也可在更长的时期内为人们服务。 因为基本物理常数有几十个，彼此之间有各种各样的方程式互相联系。基本物理常数工作组定期（大约几年一次）对国际上发表的基本物理常数SI值的测定结果进行评定，并用最小二乘法对发表的基本物理常数SI值进行乎差，得到一组基本物理常数的最佳推荐值，供各有关方面使用。最新两次基本物理常数的平差是1998年和2002年进行的。 1982年把长度单位定义成真空中光在（1／299792458）秒中走过的距离，就是把长度单位用真空中的光速和时间频率标准来定义。这是在此方向跨出的一步。 1988年国际计量委员会又建议用约瑟夫森量子电压标准和量子化霍尔电阻标准代替原来的电压、电阻实物基准，等效与用普朗克常数h、电子电荷e和时间频率标准复现电压和电阻单位。这是在用基本物理常数定义单位的方向上又跨出的一步。 在温度单位方面，也正在试探用波尔兹曼常数k定义温度单位开尔文的可能性。 现代最准确的铯喷泉原子钟，3000万年误差1s。 记者：您研制的量子化霍尔电阻量值传递到100Ω的低温电流比较仪的测量不确定度达10－10“量级，是世界最高水平，用量子化霍尔效应建立了国家电阻标准，为计量事业发展做出了重大贡献。请您介绍一下这方面的情况。 张钟华院士：1990年1月1日起，按照国际计量委员会的建议，已在世界范围内启用了量子化霍尔电阻自然基准代替原有的电阻实物基准。现已有BIPM及美、英、法、德、日、瑞士等国家级实验室建成了此项量子基准。加拿大、澳大利亚、韩国、台湾、香港、新加坡、南非等国家和地区也正在积极建立此种基准。 我国建立电压量子基准的工作已完成。现在需要建立量子化霍尔电阻自然基准与之配套，导出SI单位制中电学量基本单位电流和实用中最为广泛的功率、电能的单位，以适应我国加入WTO以后检定结果国际互认的要求。 1988年9月在巴黎举行的国际计量委员会电咨询委员会（CCE）第18次会议上，综合了各国用“可计算电容法”求得的h／e2以及用量子电动力学实验求出的。这两种不同类型的各次实验结果，给出了RH的国际推荐值。RH＝25812.807Ω，即i＝l时的RH值。 i＝2的平台处的量子化霍尔电阻值为 我介绍一下一些正在建立量子化霍尔电阻标准的国家和地区的情况； 澳大利亚：已进行多年，可用电阻网络把量子化霍尔电阻的量值传递到1Ω，准确度为10－8量级。但建立低温电流比较仪的工作尚未完成。 意大利：与澳大利亚相似。 韩国：用磁放大电流比较仪把量子化霍尔电阻的量值传递到1Ω，准确度为10－7量级。建立低温电流比较仪的工作尚未完成。 我国台湾地区：已建立低温电流比较仪，但只能手动操作，准确度为10－8量级。 新加坡、香港特别行政区、挪威、南非、斯洛伐克：购买了牛津仪器公司的低温电流比较仪，但均未能正常工作。由于质量不过关，牛津仪器公司的低温电流比较仪已停产。 丹麦：建立低温电流比较仪的工作未完成。欲与中国计量院合作。 用电阻网络来传递量子化霍尔电阻的量值时，步骤多，准确度较低。20世纪90年代以后，各国发展了用低温电流比较仪传递量子化霍尔电阻的量值的新方法，准确度提高了一到两个数量级。1997年我院在世行贷款项目的支持下，启动了用低温电流比较仪传递量子化霍尔电阻的量值的新课题，课题完成后大幅度提高了我院量子化霍尔电阻基准的准确度，达到10－10量级。按目前已发表的资料来看，我院量子化霍尔电阻基准的准确度已位列世界第一。 低温电流比较仪目前国际上在此方面遇到的主要问题有： （1）准确度：低温电流比较仪的准确度可达到1×10－11以上，但量子化霍尔电阻与l00Ω比较时的比例调整误差达到1.2×10－5。补偿后的残余部分为10－9量级。 （2）随机误差：由于冻结磁通、液氦气压波动、SQUID器件发热等因素引起的数据分散性为10－9量级。低温电流比较仪本身的比例准确度很高。可优于10－11量级。但这种比例只能是两个整数之比（即初级与次级绕组的匝数之比）。而量子化霍尔电阻的国际推荐值为12906.4035Ω，与100Ω比较时需要129.064035∶1的准确比例。用两个整数之比来逼近此准确比例时必然留下一定量的调整误差。 课题研究中解决的几项问题： （1）研究出了减少量子化霍尔电阻与100Ω比较时的比例调整误差的方法，调整误差已减少到5×10－7Ω（国际上为1.2×10－5Ω）。原则上还可进一步提高。 （2）把有用的信号强度提高了5倍，信噪比也得到了同样程度的提高。 （3）设计并实现了一种特殊的插入式气压波动滤波器，可大大缩小由于氦气压波动而引起的随机误差。 （4）目前课题组在比较量子化霍尔电阻与100Ω时的准确度已进入10－10量级，传递到1n时的准确度为10—9量级，居国际领先水平。 由量子化霍尔电阻传递到十进标准电阻时的综合不确定度；传递到100Ω为0.48×10－9Ω；传递到1Ω为0.72×10－9Ω。 2000年10月，日本电子技术综合研究所（ETL）与我国计量院比对了电阻量值。结果表明，两国由量子化霍尔电阻导出的112电阻量值的差别仅为1.3×10－9Ω，为公开发表的比对结果的最佳值。 韩国请中国专家在量子三角形研讨会上作量子电阻标准报告，诺贝尔物理学奖获得者崔琦教授来信向我们祝贺。