千克量值溯源自2月1日起啟用國(guó)際共識(shí)值

我國(guó)NIM-2能量天平為國(guó)際共識(shí)值確定作出貢獻(xiàn)

□ 李正坤 王 健

日前，國(guó)際計(jì)量局網(wǎng)站發(fā)文宣布開(kāi)啟千克量傳新階段（Beginning a new phase of the dissemination of the kilogram），自2021年2月1日起，全球范圍內(nèi)質(zhì)量量值將溯源至國(guó)際共識(shí)值2020（Consensus Value 2020）。該國(guó)際共識(shí)值由國(guó)際質(zhì)量及其相關(guān)量咨詢委員會(huì)（CCM）千克量傳階段任務(wù)組（TGPfD）綜合2014年以來(lái)的3次測(cè)量數(shù)據(jù)得到。我國(guó)的NIM-2能量天平為國(guó)際共識(shí)值的確定作出了貢獻(xiàn)。

千克重新定義的背景

在2019年5月20日之前，質(zhì)量單位的定義和量值傳遞依賴(lài)于一顆保存于國(guó)際計(jì)量局（BIPM）的鉑銥合金圓柱體——國(guó)際千克原器（IPK）。這顆鉑銥合金圓柱體于1879年制成，并在1889年召開(kāi)的第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上被批準(zhǔn)為國(guó)際千克原器。

隨著科技的進(jìn)步，特別是以原子鐘為代表的量子基準(zhǔn)取得的巨大成功，采用量子化的手段來(lái)定義和復(fù)現(xiàn)基本單位已經(jīng)成為計(jì)量發(fā)展的新趨勢(shì)。IPK作為一種實(shí)物基準(zhǔn)，100年間變化了約50微克，其不穩(wěn)定性已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代前沿科技和工業(yè)生產(chǎn)的需求。此外，實(shí)物基準(zhǔn)在遇到地震或戰(zhàn)爭(zhēng)等意外原因而受損后，其復(fù)現(xiàn)的量值將發(fā)生中斷。而量子基準(zhǔn)則不受此限制，可以依據(jù)其測(cè)量原理在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)重建和復(fù)現(xiàn)。2005年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）建議采用普朗克常數(shù)重新定義千克，并號(hào)召各個(gè)國(guó)家采用不同方案對(duì)普朗克常數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。為此，國(guó)際上陸續(xù)提出了多種方案，其中占據(jù)主流的有基布爾天平、能量天平和X射線晶體密度法（硅球法）。

千克量傳新階段

2018年11月16日，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）通過(guò)了關(guān)于修訂國(guó)際單位制（SI）的“1號(hào)決議”，批準(zhǔn)采用普朗克常數(shù)對(duì)千克進(jìn)行重新定義，并于2019年5月20日在全球范圍內(nèi)正式實(shí)施，原本測(cè)量普朗克常數(shù)的測(cè)量裝置將轉(zhuǎn)為復(fù)現(xiàn)質(zhì)量單位千克。

原則上，自實(shí)施之日起，具備復(fù)現(xiàn)裝置的國(guó)家就可依據(jù)普朗克常數(shù)獨(dú)立復(fù)現(xiàn)千克。然而CCM認(rèn)為，國(guó)際科技數(shù)據(jù)委員會(huì)基本物理常數(shù)任務(wù)組（CODATA TGFC）在2017年為重新定義進(jìn)行數(shù)據(jù)平差處理時(shí)，各個(gè)國(guó)家的普朗克常數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性并不理想。在測(cè)量數(shù)據(jù)不一致性的問(wèn)題得到解決之前，各國(guó)的裝置還不能直接用于千克的復(fù)現(xiàn)和量傳。因此，CCM決定，2019年由國(guó)際計(jì)量局（BIPM）組織各個(gè)國(guó)家進(jìn)行國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)（CCM.M-K8.2019），這次比對(duì)的主要目的是評(píng)估不同測(cè)量裝置復(fù)現(xiàn)千克的一致性，并為計(jì)算第一個(gè)國(guó)際共識(shí)值提供依據(jù)。

目前，國(guó)際上從事千克復(fù)現(xiàn)方案研究的科研機(jī)構(gòu)有BIPM和14個(gè)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，其中的7家實(shí)驗(yàn)室共采用3種不同實(shí)驗(yàn)方案參加了此次國(guó)際比對(duì)，即加拿大計(jì)量院、美國(guó)計(jì)量院、BIPM和韓國(guó)計(jì)量院采用功率天平方案，中國(guó)計(jì)量院采用能量天平方案，德國(guó)計(jì)量院和日本計(jì)量院采用硅球方案。

2020年10月，CCM千克量傳階段任務(wù)組根據(jù)2014以來(lái)的3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值得到了用于千克量值傳遞的國(guó)際共識(shí)值，這3次測(cè)量數(shù)據(jù)分別來(lái)自2014年直接溯源至IPK的數(shù)據(jù)、2016年千克復(fù)現(xiàn)研究性比對(duì)數(shù)據(jù)和2019年首次千克復(fù)現(xiàn)方法國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)（CCM.M-K8.2019）參考值，IPK的最新值為1kg-0.002mg，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.020mg。各個(gè)國(guó)家的測(cè)量和校準(zhǔn)能力（CMC）將根據(jù)IPK的新不確定度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。BIPM將通過(guò)溯源至普朗克常數(shù)的國(guó)際共識(shí)值為其成員國(guó)提供1kg鉑銥合金砝碼和不銹鋼砝碼的校準(zhǔn)服務(wù)。

千克重新定義和復(fù)現(xiàn)中的中國(guó)貢獻(xiàn)

為應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制的重大變革，建成自主可控的千克復(fù)現(xiàn)裝置，我國(guó)于2006年提出能量天平方案。作為第三種獨(dú)立復(fù)現(xiàn)千克新定義的方法，能量天平的測(cè)量結(jié)果可與功率天平以及硅球法的測(cè)量結(jié)果相互佐證，為千克新定義實(shí)現(xiàn)以及質(zhì)量量值溯源由IPK到普朗克常數(shù)過(guò)渡提供精密的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。中國(guó)計(jì)量院的NIM-2能量天平測(cè)量裝置自2013年中期開(kāi)始研制，2017年實(shí)現(xiàn)了2.4×10-7的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，2019年實(shí)現(xiàn)了10-8量級(jí)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并代表我國(guó)參加了BIPM主導(dǎo)的首次千克復(fù)現(xiàn)方法國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)。中國(guó)計(jì)量院采用NIM-2能量天平裝置對(duì)兩顆比對(duì)樣品（1顆鉑銥合金砝碼和1顆不銹鋼砝碼）測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為5.2×10-8和6.5×10-8。經(jīng)國(guó)際計(jì)量局對(duì)各國(guó)的數(shù)據(jù)綜合評(píng)定，我國(guó)的測(cè)量結(jié)果與比對(duì)參考值（KCRV）的相對(duì)偏差為1.17×10-8，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為4.49×10-8。

經(jīng)過(guò)10余年研究，我國(guó)獨(dú)立提出的能量天平方案的測(cè)量能力得到逐步提升，測(cè)量數(shù)據(jù)參與國(guó)際共識(shí)值的確定，進(jìn)而用于國(guó)際單位制新定義實(shí)施后全球質(zhì)量單位的量值傳遞。這標(biāo)志著我國(guó)研制的能量天平測(cè)量裝置的測(cè)量能力得到了國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的認(rèn)可。中國(guó)計(jì)量院取得的這一研究成果，為建立我國(guó)自主可控的新質(zhì)量量值傳遞系統(tǒng)，奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

《中國(guó)質(zhì)量報(bào)》