质量单位重新定义后的量值传递研究

一、引言

　　目前的质量基准——千克原器是现有7个基本量中唯一的实物基准，它是铂(90%)、铱(10%)合金，于年由英国制成。目前对质量标准的测量都是沿用年引入铂铱千克原器之后开始的。图1为从国际千克原器(InternationalPrototypeKilogram，IPK)量传至各个国家的国家千克原器(NationalPrototypeKilogram，NPK)的示意图。中国计量科学研究院(NIM)为我国保存了两颗NPK，进而与世界上的质量定义保持一致。

图1IPK、BWK与NPK之间的关系示意

　　铂铱合金千克原器虽然具有较好的稳定性，其量值复现的相对标准不确定度可达10-9数量级。但是，实物基准受环境的影响较大，污染物、灰尘、水分及对其清洗都会造成不确定度的变化。在年、年、年进行的国际比对表明，千克原器的不确定度每次比对都有10-8量级的变化。

　　在第二次检定周期时，对保存在国际计量局(BIPM)的千克原器的研究发现，其有34μg/年的漂移，在-年的60年间，发生了(10～30)μg的增加。英国国家物理实验室(NPL)在对英国国家千克原器研究时发现，由于年对其进行清洗时使用了乙醇、乙醚和氨水的混合物，造成了33μg的质量损失，考虑到年时并没有对其进行清洁，所以表示每年约有1μg的质量变化。年，NPL和BIPM都对质量发生变化作了相应的报告，但是当时并不知道为何发生这种情况。

　　目前，虽然多数国家级的计量机构有一个或多个铂铱合金千克原器，然而目前对于这些原器表面吸附的研究内容较少，而且即使是在可重复的环境下进行的，实验结果也各不相同。

二、质量重新定义之后的量值传递框架(见图2)

图2WGSI-kg给出的质量重新定义之后的研究框架

　　质量自然基准的研究进展表明重新定义质量单位势在必行，几十年来围绕着实现质量自然基准，各国科学家进行了大量研究。例如，希望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。目前，在基于“功率天平”和“阿伏伽德罗常数”的质量单位重新定义的研究方面取得了巨大进展。从年起，我国也开展了对硅球方案和瓦特天平方案的研究。

　　在旧的质量单位定义框架下，首先是各国NPK溯源至国际千克原器IPK;其次是进行国际关键比对，以保证质量量值的统一。而在质量重新定义之后新的质量单位框架下，除了要实现质量单位的重新定义，更重要的便是对质量量值传递的方法进行研究。这是因为，即便质量单位重新定义的不确定度非常小，但是还需要将日常使用的各种工作标准溯源至该质量定义(普朗克常数)，或者将质量量值传递到各种使用环节。可见，质量量值传递方法的研究对于质量单位的量值统一有着至关重要的作用，也为质量单位重新定义之后工作的有序开展提供了保障。

　　此外，BIPM仍将会协调质量及相关量咨询委员会(CCM)继续进行BIPM关键比对(BIPM.M-KX)，也只有进行关键比对才能在世界范围内对保存在BIPM和各国的1kg质量基准的值进行最优的估计。

三、质量量值传递过程中面临的挑战

　　按照新的质量定义，质量单位是在真空条件实现的。在真空中进行质量的测定，虽然能消除作为主要干扰因素的空气浮力的影响，但是这也带来了另一个问题，即从空气环境转移到真空环境时，吸附作用会导致质量标准质量的变化。而实际在使用实物质量标准时，也都是在常压环境下使用。因此倘若真空质量定义一旦实现，从真空条件向空气环境下进行质量标准的转移，必然会带来一系列新挑战。例如，在转移过程中，质量标准会接触到空气，空气中各种水气、有机物、灰尘等，又会不可避免地吸附在砝码表面，造成质量变化。

　　从国际上对千克原器稳定性的研究发现，可见，不论是质量的最高基准还是日常检定用到的传递标准，都受到稳定性的巨大干扰。而如何保持砝码的稳定性，如何对其进行存储和清洁，都是国际上研究的难点和热点。NPL已经开展了关于实物基准在真空和空气环境下吸附效应的相关研究，包括吸附率测定，以及“真空-空气”质量标准的传递方法研究。法国国家计量院(LNE)和法国国立科学技术与管理学院(CNAM)采用热解吸附法(ThermalDesorption，TDS)开展对质量标准的表面分析研究。瑞士联邦计量局(METAS)利用XPS和重力测量方法来研究不同的清洁方法对质量标准的影响，以及质量标准的存储环境。METAS还开展了用氢离子和氧离子对质量标准进行清洁的研究，研究表明新一代清洁方法中，氢离子比其他方法(UV/Ozone)具有更明显的优点。加拿大计量院(NRC)则设计了一个真空质量标准存储腔，以及研究表面解吸附作用的光谱分析腔;此外还在研究一种新的质量标准材料——钨，并完成了一种具有特殊形状的质量标准。

　　综合来看，质量重新定义之后的量值传递相关研究，主要集中在以下几个方面:真空环境下的高准确度质量测量;基于新定义的质量标准的比对、维护以及长期稳定性监测;新的质量标准的制造材料的研究;质量标准在真空、空气以及惰性气体条件下传递方法的研究;质量标准的存储、清洁以及运送方法;与质量新定义相关的不确定度评估以及它们在量值传递过程中的比例分配方法。

　　以上这些研究方向对于研究质量标准以及千克原器质量稳定性与环境参数之间的关系有着至关重要的作用，一旦这些研究成果应用于质量的修正，可以大大提高质量测量的准确度。

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