二十一世纪中的计量测试技术

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。

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