测长方法创新及固体密度基准的建立

图为该项目的研究设备

“阿伏伽德罗常数（NA）测量是对‘千克’进行重新定义最有前途的方法之一。现在，我们突破了阿伏伽德罗常数测量技术的瓶颈，为重新定义‘千克’走出了非常关键的一步。”前不久，《测长方法创新及固体密度基准的建立》项目荣获2011年度国家科技进步二等奖，项目负责人、中国计量院研究员罗志勇说，这一凝聚了项目组十几年心血的成果最重要的意义在于，它实现了测长技术的实质性创新。

长度测量的极限

在国际计量单位制（SI）的7个基本物理量中，6个已由量子基准复现，目前只有质量的单位“千克”仍沿用实物基准标准——千克砝码原器来进行复现。最近，著名的英国《自然》杂志评出最具挑战性的世界五大科学难题，其中之一就是“对‘千克’进行重新定义”。而罗志勇他们研究的阿伏伽德罗常数（NA）测量就是对“千克”进行重新定义最有前途的方法之一。除此之外，阿伏伽德罗常数测量还用于定义另一个基本量——物质的量的单位“摩尔”，对于在原子、分子和量子水平上研究和解决计量基标准问题十分重要。

国际上以建立固体密度基准、测量阿伏伽德罗常数为目标的研究已有40多年的历史。2000年以后由于频率调制技术的发展，各先进国家都进入“激光变频”时代。但每种方案都有其自身的局限性。

2002年我国启动了重大基础研究专项——固体密度基准研究，并组建课题组。“项目核心技术是实现对硅球直径亚纳米级准确度测量，这几乎是长度测量的极限，具有极高的技术难度。”在罗志勇的带领下，课题组向这一国际计量界的难题发起了挑战。

汗水浇灌创新花

“建立我国的新一代国家密度基准和实现测长技术实质性创新。”项目的目标只有简单一句话，但罗志勇和他的团队却为此付出了多年的心血和汗水。

每一个新方案的确定都是基于推翻其他方案的结果，课题组先后提出并筛选了20多种方案，但是各有优缺点，争议不断。直到2004年，课题组在国外多年技术积累的基础上，提出机械扫描相移干涉法的测长方法。当罗志勇将这一新方案的构思说给课题组老科学家陈允昌听时，陈允昌眼前一亮，再也没有提出任何反驳意见。

方案可行，原理可靠，可这和真正做出成果之间还有很大的距离，还需要大量实验来论证方案的可行性。为提高测量系统的误差，光验证材料的回复性，就花了大半年时间；经常琢磨了很久，觉得某种方案可以用于解决问题，可最后实验证明又是不对的，如此反复。

功夫不负有心人。课题组最终利用这种拥有独立知识产权的超高准确度测长方法——机械扫描相移干涉法，实现了对单晶硅球密度的绝对测量，实现NA测量重大技术突破，填补了国际该领域空白；利用该项术在国际上首次以激光变频之外的方法建立了我国的固体密度基准，准确度达2×10-7（k=2），处于国际先进水平前列。

领先突破应用广

除了核心技术，实现了测长方法重大突破，项目组提出的机械扫描相移干涉法，技术潜力高出国际现有激光变频方法近1个数量级，达0.03纳米，为国际首创。据罗志勇介绍，项目还实现测量全变量仿真，在温度测控技术，信号去噪技术、氧化层厚度测量技术、密度量值传递技术等多方面都实现关键技术的实质性突破。

成果发表后，得到国际同行的广泛认可。2010年国际NA工作组主席Becker博士专程到访罗志勇的实验室，对项目的技术创新给予高度评价，称其为“一项杰出的科学成就”。

项目成果至今已得到广泛运用。利用该项技术首次建成我国绝对密度测量系统，获得国家质检总局授权，将我国密度基准的准确度从5×10-6提高至2×10-7，结束了我国密度量值溯源长期依赖纯水密度的历史，测量能力跃居国际先进水平前列。在科学研究方面，机械扫描相移干涉技术已成为NA测量的支撑技术，并有进一步提高的潜力，为建立摩尔基准积累了核心技术。成果亚纳米级测长准确度，满足了精密加工、精密制造和装配等我国发展较为薄弱工业领域，对小尺寸样件或工件的微小变形、材料或工件热胀系数的精确测量需求，对于提高我国特种工业领域国际竞争力，推动整体科技能力提升具有重要意义。