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张钟华：中国计量测试技术进展令世界瞩目 |
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| http://cn.newmaker.com
2/13/2007 11:13:00 AM
《中国科技成果》
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计量是人类认识物质世界的工具，与我们每一个人的生活都息息相关。计量工作的目的在于保证测量数据的准确性。要做到这一点，就需要测量数据溯源到计量标准。在2006年立项的国家科技支撑计划中，由中国计量科学院承担的“以量子物理为基础的现代计量基准研究”项目，一经公布便受到社会各方关注。
作为我国计量学领域的专家，张钟华院士对此认为，“过去我们希望通过市场换技术，但不是很成功。现在我们提出要自主创新；要创新，就必须有准确的数据。所以计量工作才引起大家重视，这也是国家发展到一定阶段的必然选择”。
日前，张钟华院士就“以量子物理为基础的现代计量基准研究”项目的立项情况，以及我国计量测试技术的进一步发展等问题接受了本刊记者采访。
《中国科技成果》：2006年，“以量子物理为基础的现代计量基准研究”项目被国家科技支撑计划批准立项，项目所体现的社会背景是什么？
张钟华：目前我国的经济总量已经达到了相当的规模（世界第4或第5），但是以大量消耗能源和原材料为主的初级生产，造成了严重的环境问题和生态问题。中央提出要在我国建设“创新型国家”和“节约型社会”，一方面要提倡创新，增加我国产品的技术含量；另一方面要千方百计节约资源消耗。创新和节约资源与计量均有极为密切的关系。因为要开展创新和节约资源工作，首先必须有准确的测量数据，而不准确的数据会引起误导。各种可能方案的比较，也要以准确的测试数据为依据。
其次，20世纪下半叶以来，人类开始进入了信息化社会。信息化的三要素是：信息的获取（计量测试）、信息的传输（通讯技术）、信息的处理（计算技术）。如果在第一环节——“信息的获取”方面出了差错，下面的“传输” 和“处理”环节就不能得出正确结果。计量测试是保证人们获取正确信息的手段。著名科学家钱学森院士明确指出：“信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。”王大珩院士说：“计量测试和仪器仪表技术就是信息技术的组成部分，而且是不可或缺的重要组成部分。作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要基础手段和设备，广泛应用于国民经济各行各业。”计量是可以溯源到标准量的测量，从而保证了测量数据的准确性。准确的测量数据不仅给出了数量依据，而且给出了内涵丰富的信息。
《中国科技成果》：随着人类社会的变迁，计量测试技术的发展也经历了漫长的阶段，请您谈一谈计量工作的发展过程。
张钟华：在社会的发展过程中，计量工作经历了以下阶段：第一阶段：农业社会。计量工作主要是为了适合农业社会中农产品和生活用品贸易的需要，标志性的成果是在一定范围内统一度量衡，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；随着科学研究的深入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10-16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。第三阶段：全方位计量测试阶段。进入二十一世纪，除了计量测试准确度外，基本计量测试工作几乎渗透到各个领域，例如生物医疗、环境保护、国防和社会安全、安全检测等方面，都需要准确度更高的精密测量设备。
《中国科技成果》：纵观计量学的发展历程，计量基准大致可分为实物计量基准和量子计量基准。请问实物计量基准和量子计量基准有什么不同？
张钟华：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欧姆等等。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。尽管这些实物基准是用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。如铂铱合金千克砝码原器，会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，而且这种逐年积累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，准确度也必然会有所下降。
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）它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。
《中国科技成果》：目前量子计量基准的研究进展？
张钟华：目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。如果此种手段有了新的发展，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值进行平差，得到一组基本物理常数的最佳推荐值，供各有关方面使用。最近两次基本物理常数的平差是1998年和2002年进行的。
（1）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第一步。
（2）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。这又是在用基本物理常数定义单位的方向上的大跨步。
（3）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。
（4）目前的时间频率单位是用现代最准确的铯喷泉原子钟，3000万年误差1秒。
《中国科技成果》：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到10-10量级，用量子化霍尔效应建立了国家电阻标准。请介绍一下这方面的情况。
张钟华：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这种基准。
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，以适应我国加入世贸组织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α这两种不同类型的各次实验结果，给出了RH的国际推荐值Rk＝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RH＝h/（e2）＝25812.807/2Ω＝12906.4035Ω。
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，欲与中国计量科学院合作。
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年中国计量科学院在世界银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，中国计量科学院量子化霍尔电阻基准的准确度已位列世界第一。
目前国际上低温电流比较仪遇到的主要问题有：
（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1Ω时的准确度为10-9量级，为国际领先水平。
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）与中国计量科学院比对了电阻量值。结果表明，两国由量子化霍尔电阻导出的1Ω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。
《中国科技成果》：我国加入世贸组织后，在许多方面需要与国际接轨，请介绍一下计量检测证书的国际互认问题。
张钟华：我国加入世贸组织后，所涉及的就是非贸易壁垒及技术壁垒TBT问题，一旦我们的计量研究达到国际先进水平，这将有力地促进我国计量检测证书在国际上的互认。
1999年10月，在巴黎国际计量局37个国家计量院院长签订了计量检测证书国际互认协议，2003年10月正式生效。
119项关键比对及我国计量标准的现状：
1/3的项目状况较好，在国际比对中合格；
1/3的项目需改造，改进后可参加国际比对；
1/3的项目为我国空白项目；
但电学量项目有80%为第一类，主要项目达到国际先进水平。
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