中国计量院建立新一代计算电容装置
精细结构常数测量水平进入国际先进行列

　　3月26日，由中国计量科学研究院承担完成的“十一五”国家科技支撑计划项目课题“精细结构常数测量关键技术及电容基准的研究”顺利通过由金国藩院士为组长的专家组验收。该课题研制的国际新型的立式可移动屏蔽电极计算电容装置测量精细结构常数，复现1pF电容单位的标准不确定度达到2.0×10-8，接近国际最好的水平。
　　计量工作的根本任务之一是保持单位量值的准确统一。国际单位制是计量学研究的基础和核心。现行的国际单位制由七个基本单位（长度单位米、质量单位千克、时间单位秒、电流单位安培、热力学温度开尔文、物质的量单位摩尔质量、发光强度单位坎德拉）和若干导出单位组成。为更好地复现、保存和传递基本单位的量值，2005年国际上提出了重新定义国际单位制基本单位的问题，建议将国际单位制基本单位定义在基本物理常数上，如用普朗克常数定义质量单位千克，用基本电荷定义电流单位安培，用玻尔兹曼常数定义热力学温度开尔文，用阿伏加德罗常数定义物质的量的单位摩尔。2005年5月国际计量委员会、2011年10月第24届国际计量大会先后形成决议，号召各国计量院测量上述四个基本常数。精细结构常数与这四个基本常数之间有重要的关系，它的准确测量对四个基本常数的确定有重要的帮助。特别是由计算电容测量的精细结构常数是直接建立在现有国际单位制之上的，由此确定的基本常数，以至随后的新的国际单位制，将保持计量单位实际内容不改变，例如，1千克的大米，尽管国际单位制定义改变了，它的质量前后是一样的。从而保证社会经济生活生产和科学研究不受国际单位制变革的影响。目前，国际计量局和美国、澳大利亚等先进国家都在研究新一代计算电容基准。
　　为了响应国际计量界的这一新的发展趋势，在国际基本单位重新定义过程中掌握主动，2006年在科技部的支持下，中国计量科学研究院联合国内有关单位，申请了“十一五”国家科技支撑计划项目“以量子物理为基础的现代计量基准研究”，包括能量天平质量量子基准、玻尔兹曼常数测量及热力学温度基准、精细结构常数测量关键技术及电容基准、阿伏加德罗常数测量关键技术等9项量子计量基准及关键技术研究。经过几年的努力，该项目中的课题先后取得一系列成果，本课题的验收标志着该项目的全部结束，为应对国际单位制的重大变革打下了坚实的基础。
　　据课题负责人、中国计量科学研究院首席研究员陆祖良介绍，本课题研究过程中通过国际合作，使我国在该领域的研究很快进入国际前沿。课题组研制了国际新型的立式可移动屏蔽电极计算电容装置，利用激光干涉仪实时测长，并与我国已经建立的量子霍尔电阻装置相结合，测量了精细结构常数，技术指标达到国际先进水平，复现1pF电容单位的标准不确定度达到2.0×10-8。据了解，目前在此领域最好水平为美国NIST的1.9×10-8。其余均大于2.8×10-8。
　　陆祖良介绍说，该计算电容装置也是目前国际电磁计量领域内除量子电压和量子电阻之外具有最高准确度水平（10-8）的装置。它本身是交流阻抗的计量基准，在电力行业、电子行业、家用电器、通讯设备的质量控制方面具有广泛应用，对提高产品的国际竞争力发挥重要作用。
　　另据了解，该课题研究中具有多方面的创新工作：采用严格测量和灵活调整相结合方法，实现了主电极系统的对称和平行的高精度要求；通过实验验证了电补偿法的补偿效果比机械补偿法高一个数量级；提出一种电容电桥自动辅助平衡新方法，消除手动辅助平衡残余不平衡负载的影响，提高了测量速度；提出了一种完全等电位屏蔽校验方法，实现了工作状态下感应分压器的高精度校验；课题在国内首次实现四端对阻抗的高精度测量；采用了新的电容单位复现方法，操作过程简单、方便、快捷。

（来源：中国计量科学研究院）

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