[發明專利]一種實現質量量子基準的方法

無效

• 申請號: 201010156390.3
• 申請日: 2010-04-27
• 公開（公告）號: CN101819059A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 張鐘華;賀青;李正坤;韓冰;趙建亭;魯云峰;李辰
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01G23/01
• 分類號: G01G23/01;G01G21/26
• 代理公司: 北京市路盛律師事務所 11326
• 代理人: 章彥奇

技術領域

本發明涉及一種建立質量量子計量基準的方法。

背景技術

目前在世界范圍內廣泛使用的國際單位制SI有時間單位秒、長度單位米、質量單位千克、電流單位安培、溫度單位開爾文、光度單位坎德拉、物質量單位摩爾七個基本單位。其他各種單位均可從這七個基本單位導出。用于保存和復現基本單位的裝置就是準確度等級最高的計量標準——計量基準。

19世紀下半葉到20世紀上半葉，各國建立起了經典的計量基準。這些計量基準一般是根據經典物理學的原理，用某種特別穩定的實物來實現，故稱為實物基準。例如一個保存在巴黎國際計量局(BIPM)的鉑銥合金圓柱——千克原器砝碼的質量就定義為質量單位千克，按X型截面的鉑銥合金米尺上兩根刻線間距離定義長度單位米，等等。

計量基準是保證整個計量工作準確度的基礎。但也正是由于其重要性，不能經常使用。為了使產業界能夠使用準確的計量量值，需要建立一種量值傳遞檢定網。以最常見的稱重計量為例，最高等級的質量計量基準是保存在巴黎國際計量局的鉑銥合金千克砝碼原器。每數年一次各國的中央計量機構把它們的國家基準千克砝碼運到巴黎與砝碼原器進行比對以得到各國基準砝碼的準確量值，然后再由各國自行向下傳遞質量量值。我國則已建立了國家、省、市(縣)等各級計量機構。這些計量機構都保存著它們的標準砝碼，并按照國家級——省級——市、縣級——企業的金字塔式的計量量值傳遞檢定系統依次向下傳遞量值，開展日常的計量檢定工作。

19世紀以來，各國的計量量值傳遞檢定系統給產業界提供了計量服務，確實在幫助產業界提升產品品質的工作中做出了貢獻。但是，隨著科技及工農業的發展，這樣的傳統計量量值傳遞檢定系統開始反映出下列的不足之處：

1.最高的計量基準為某種實物(例如千克砝碼原器是一個鉑銥合金圓柱體)，就有其固有的缺點。盡管這些實物基準是用19世紀末工業界所能提供的最好的材料及工藝制成，在當時也滿足了對于計量基準的準確度及穩定性的要求，但是這樣的實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使其特性發生緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變。以上述鉑銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會使其質量發生變化。而且此種逐年積累的變化的準確數量也很難確切查明。

2.最高等級的實物計量基準全世界只有一個或一套，一旦由于天災、戰爭或其他原因發生意外損壞，就無法完全一模一樣地復制出來，原來連續保存的單位量值也會因之中斷。

3.量值傳遞檢定系統龐大繁雜，從最高等級的實物基準到具體應用場所，量值要經過多次傳遞，準確度也必然會有所下降。

上述問題已經使傳統的量值傳遞檢定系統日益不能適應需要。20世紀下半葉以來與傳統的實物基準完全不同的量子計量基準的出現，為解決以上問題提供了全新的途徑。

量子計量基準基于微觀粒子的運動規律，特別是微觀粒子的態和能級的概念。即使物體的宏觀參數隨時間發生了緩慢變化，也不會影響物體中微觀粒子的態和能級。這樣，如果利用量子現象來復現計量單位，就可以從原則上消除各種宏觀參數不穩定產生的影響，所復現的計量單位不再會發生緩慢漂移，計量基準的穩定性和準確度可以達到空前的高度。更重要的一點是量子躍遷現象可以在任何時間、任何地點用原理相同的裝置重復產生。不像實物基準是特定的物體，一旦由于事故而毀傷，就不可能再準確復制。因此用量子現象復現計量單位對于保持計量基準量值的高度連續性也有重大的價值。此類用量子現象復現量值的計量基準統稱為量子計量基準。

目前，SI單位制七個基本單位中已經有三個實現了由量子計量基準復現其量值。如復現時間單位的銫原子鐘，復現長度單位的激光波長，復現電流單位的約瑟夫森電壓基準和量子化霍爾電阻基準等。另外的兩個基本單位，即溫度單位和物質量單位也即將用相應的量子基準來復現。至于光度單位，由于與人眼感光特性有關，能否用量子基準復現尚在討論中。目前最為人們所關心的是質量單位千克的問題。