计量标准的稳定性(共享)

进一步理解计量标准的准确性和稳定性

[概要]

计量不仅保证着产品的一致性和互换性，而且对于保证产品的优质起着至关重要的作用。测量过程可以溯源到统一的标准，而统一的标准就是计量标准，计量标准最重要的指标是其稳定性和准确性。

[关键词] 计量标准准确性稳定性

随着近代大规模机械生产的发展，对零件提出了互换性要求，这就要有统一的几何量标准。日益扩大的贸易活动也提出了建立统一的质量（mass）标准的要求。一旦这些标准建立了起来，由不同人在不同时间、地点进行的测量过程就有了统一的依据，测量的数值结果可以相互比较。也就是说，测量过程可以溯源到统一的标准。这种可以溯源到统一标准的测量就称为计量，而统一的标准就是计量标准。

20世纪中，工业化大生产在世界范围内取得了长足的发展。计量不仅保证着产品的一致性和互换性，而且对于保证产品的优质起着至关重要的作用。随着技术的发展，生产中的各种工艺过程日益精密化和严格化，产品的质量得到了空前的提高。各种生产厂商不断努力加强这种过程，以占领更多市场份额，求得企业发展。大生产在各种领域形成了买方市场，激烈的竞争就围绕着产品的质量展开。所以有人提出，21世纪将是一个产品质量竞争的时代。在检验产品的各方面性能时，计量标准起着保证测试结果准确度的关键作用。因此产品的质量在很大程度上依赖于计量测试工作。朱镕基总理曾指出过，原材料、工艺和计量是保证产品质量的三大要素。

20世纪的另一重大特征是高新技术得到了蓬勃发展。集成电路、计算机、激光、航天技术、超导技术、纳米材料等等深刻地改变着我们的社会面貌。近年来环境、食品、农业等方面的问题也得到了越来越多的重视，要求计量测试技术提供各种各样的环境检测服务，为提高生活质量提供切实的根据。在上述高新技术的研发过程中，各种各样的精密实验无不需要计量技术及计量标准为实验的准确性提供保证。同时新兴技术往往也提出建立新的计量标准、发展新型测量技术的要求。

因此，现代计量工作在多方面发挥着其社会功能。在过去的20世纪中，计

量基准经历了从实物基准到量子基准的提升，准确度有了大幅度的提高，适应了社会对计量工作提出的各种各样的高要求。

经典计量与实物基准

计量标准一般先在一个国家的范围取得统一，以促进该国的生产和贸易的发展。秦始皇首次统一中国的计量标准（统一度量衡）是历史上我国对计量事业的重要贡献。18世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展，首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制——米制，确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。经过一百多年，此种单位制已发展成为目前国际上一致公认的国际单位制SI。其中规定了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔7个基本单位，其它各种单位则由这7个基本单位导出。由于7个基本单位的重要性，国际单位制中给出了它们的严格定义及准确复现单位的方法。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准——计量基准。

19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的计量基准。这些计量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，故称为实物基准。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。

计量基准是保证整个计量工作准确度的基础。但也正是由于其重要性，不能轻易使用。为了使产业界能够使用准确的计量量值，需要建立一种量值传递检定网。以最常见的称重计量为例，最高等级的质量计量基准是保存在巴黎国际计量局的铂铱合金千克砝码原器。每数年一次各国的中央计量机构把它们的国家基准千克砝码运到巴黎与砝码原器进行比对以得到各国基准砝码的准确量值，然后再由各国自行向下传递质量量值。我国则已建立了国家、省、市（县）等各极计量机构。这些计量机构都保存着它们的标准砝码，并按照国家级——省级——市、县级——企业的金字塔式的计量量值传递检定系统依次向下传递量值，开展日常的计量检定工作。

19世纪以来，各国的计量量值传递检定系统给产业界提供了计量服务，确实在帮助产业界提升产品品质的工作中做出了重大贡献。但是，随着科技及工农业

的发展，这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出下列的不足之处：（1）最高的计量基准为某种实物（例如千克砝码原器是一个铂铱合金圆柱体），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、化学过程使它的特性发生缓慢的变化，因而它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，它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都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的复制出来，原来连续保存的单位量值也会因此中断。

（3）量值传递检定系统繁杂而庞大，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。近年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新途径。

量子计量基准的发展

量子物理学是20世纪初人们在对光辐射以及原子、分子等微观粒子的运动规律的研究中发展起来的。到现在已经取得了极为辉煌的成就。

量子物理学阐明了各种微观粒子的运动规律，特别是微观粒子的态和能级的概念。按照量子物理学，宏观物体中的微观粒子如果处于相同的态，其能量有相同的确定值，也就是处于同一能级上。当粒子在不同能级之间发生量子跃迁时，将伴随着吸收或发射能量等于能级差△E的电磁波能量子，也就是光子。而且电磁波频率ν与△E之间满足普朗克公式，即两者之间成正比，比例系数为普朗克常数h。也就是说，电磁波的频率反映了能级差的数量。值得注意的是，宏观物体中基本粒子的能级结构与物体的宏观参数，如形状、体积、质量等等并无明显关系。因此，即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化，也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程。这样，如果利用量子跃迁现象来复现计量单位，就可以从原则上消除各种宏观参数不稳定产生的影响，所复现的计量单位不再会

发生缓慢漂移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生，而实物基准是特定的物体，一旦由于事故而毁伤，就不可能再准确复制。因此用量子跃迁复现计量单位对于保持计是基准量值的高度连续性也有重大的价值。习惯上，此类用量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基准。

第一个付诸实用的量子计量基准是1960年国际计量大会通过采用的86Kr光波长度基准。其原理是利用86Kr原子在两个特定能级之间发生量子跃迁时所发射的光波的波长作为长度基准。此种基准不同于原来的X形原器米尺实物基准那样，长度量值受环境温度、气压等因素的影响，其准确度比实物基准高出近两个数量级，达到10-9量级。第二个量子计量基准，也是最著名和最成功的一种量子计量基准，是1967年在国际上正式启用的铯原子钟。此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准，以代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准。尽管地球这个实物庞大无比，但其各种宏观参数亦在缓慢地变化，因而其运动的稳定性并不算很高，仅为10-8量级。而近年来铯原子钟的准确度已达到10-14量级，比地球运动的稳定性高了5到6个数量级，几百万年才有可能相差一秒，充分说明了量子计量基准的重大优越性。铯原子钟研制的巨大成功在天文学、通信技术乃至全球定位技术、导弹发射等军事应用方面均得到了卓越的应用。最近有人根据实验数据提出用钙离子的长寿命能级之间的量子跃迁，可把原子钟的准确度再提高一步，达到10-15量级。一些其他更有前途的方案，如激光冷却的铯原子喷泉等，也在发展之中。近年来由于激光技术的飞速发展，使人们对长寿命能级的知识不断增加，制成了一系列极稳定的激光器，其波长的稳定性达到10-12量级，并于1983年替代了86Kr光波长度基准面成为新的更高水平的量子长度基准。与20世纪上半叶还在使用的X型原器米尺实物基准相比，真是不可同日而语了。

随着人们对各种量子跃迁的认识不断深入，量子计量基准已不再局限于复现长度与时间这两种基本单位。20世纪80年代以来，电学的量子计量基准也得到了飞速的发展。两种荣获诺贝尔物理学奖的重大发现导致了约瑟夫森电压量子基准和量子化霍尔电阻基准的建立。1988年国际计量委员会已建议从1990年1月1日起在世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍尔电阻标准以代替原来

的由标准的电池和标准电阻维持的实物基准，并给出这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常数KJ及冯克里青常数RK的国际推荐值。从几年来的实践结果来看，1988年国际计量委员会的建议是十分有效的。采用新方法后电压单位和电阻单位的稳定性和复现准确度提高了两到三个数量级。

目前，各国的计量研究院正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒——用某种量子计量基准来代替尚在使用的铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是上一世纪制成的，当时估计其准确度为10-9量级，在19世纪的各种计量基准中首屈一指。可惜的是其后陆续发现了不少因素会使其保存的质量量值不断发生变化。例如该砝码尽管不易氧化，但其表面仍会吸附一些肉眼无法察觉的气体分子和其他杂物，甚至其内部也会吸附氢气等气体。这些过程使该砝码质量的增加量可能已达到十多微克（1×10-8以上）。仔细的清洗过程可以减少此种被吸附的杂物，但过一段时间又会发生类似过程。为了摆脱此种困境，亦应该用某种适当的量子计量基准来代替这一已明显跟不上时代步伐的实物基准。目前对这一十分迫切的课题已提出了若干解决方案。例如用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量作为新的量子质量基准就是一种有希望的方法，其关键步骤是实际计数出硅晶体中原子的数目。但这一方案虽经多年探索，准确度还只达到10-8量级，尚未能直接取代铂铱合金砝码。还有一种办法是利用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准，再经过速度及重力导出质量量值。从原则上说也算是一种量子质量基准。尽管这种方案构思十分巧妙，但稍嫌复杂，目前的准确度也只能达到10-8量级。国际计量局已明确号召各国的计量科学家用各种各样的方案来攻克量子质量基准这一难关，但要见到有实用价值的成果可能还要等上一段时间。

综上所述，提高计量标准的稳定性和准确性是一项非常艰难、复杂的重大工程，经过百多年的努力，计量基准才逐渐进入量子计量标准时代。在新世纪各国激烈的技术竞争中，量子计量基准将起着越来越大的作用。