隨著人類社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的快速推進(jìn)，計(jì)量需求在全球范圍內(nèi)快速增長(zhǎng)，計(jì)量也成為推動(dòng)科技創(chuàng)新、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)貿(mào)易公平、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步、保障國(guó)家安全的重要技術(shù)支撐和整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)有序、持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)基石。我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要( 2006~2020年)》中提出“研究建立高精確度和高穩(wěn)定性的計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系”的要求，可見(jiàn)，計(jì)量作為我國(guó)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)、推動(dòng)戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，已成了全社會(huì)的共識(shí)。
由于計(jì)量科技追求的目標(biāo)就是不斷沖擊人類測(cè)量能力的極限，因而需要配備最先進(jìn)的儀器設(shè)備。這些儀器設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境工藝條件有著極其嚴(yán)格的要求如恒溫、恒溫、潔凈、隔振、電磁屏蔽、蔽光、隔聲和低溫等。超前部署、加快建設(shè)和持續(xù)改善具有最嚴(yán)格環(huán)境控制水平和最完備配套設(shè)施條件的尖端科研實(shí)驗(yàn)室及場(chǎng)所， 提供計(jì)量科研和量值傳遞的特殊環(huán)境工藝條件， 是計(jì)量科技發(fā)展最基礎(chǔ)的保障條件之一。
從國(guó)際上看， 由于面臨新的發(fā)展形勢(shì)，目前各經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和許多發(fā)展中國(guó)家的計(jì)量機(jī)構(gòu)都在陸續(xù)開展新實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)( 見(jiàn)表1) ， 并不斷擴(kuò)展和完善。如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院( NIST) 原址在華盛頓，后來(lái)在馬里蘭州郊區(qū)蓋茨堡新址建設(shè)新實(shí)驗(yàn)基地. 德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院( PTB ) 在原址繼續(xù)從事傳統(tǒng)計(jì)量科學(xué)研究的同時(shí)，在新址建立了現(xiàn)代計(jì)量科學(xué)研究基地，為德國(guó)綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的提高提供精密、準(zhǔn)確的測(cè)量技術(shù); 英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室( NPL ) 以“ 為計(jì)量科研量身定做”為目標(biāo)建設(shè)了具有高度環(huán)境穩(wěn)定性、低振動(dòng)和弱電磁場(chǎng)的能夠滿足最先進(jìn)計(jì)量科研需要的新院區(qū)，于2008年投入使用，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步著手籌建新的先進(jìn)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)已向政府申請(qǐng)立項(xiàng)。
一、計(jì)量基礎(chǔ)前沿研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境工藝條件的依賴性
目前， 用基本物理常數(shù)定義基本單位，建立不隨空間和時(shí)間變化的"永久性"標(biāo)準(zhǔn)， 是國(guó)際單位制建立以來(lái)從未有過(guò)的重大變革。為了應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制變革， 面向新一代基準(zhǔn)和計(jì)量前沿新挑戰(zhàn)，各國(guó)都積極部署基于量子物理的量子基準(zhǔn)研究、基本物理常數(shù)研究和用于量子基準(zhǔn)的量子器件研制項(xiàng)目， 研究探索使用最新的物理原理和科技成果，實(shí)現(xiàn)計(jì)量科技前沿的創(chuàng)新發(fā)展。我國(guó)已開展了一批重大的前沿量子計(jì)量研究和基本物理常數(shù)測(cè)量項(xiàng)目并取得一定成果， 但仍然處于艱難的攻堅(jiān)階段。為了提升我國(guó)計(jì)量科技水平，并在國(guó)際單位制的重大變革中掌握話語(yǔ)權(quán)，體現(xiàn)我國(guó)作為發(fā)展中大國(guó)的政治地位， 需要持續(xù)開展相關(guān)研究。
而開展量子計(jì)量科學(xué)研究所需的精密儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)各類實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，包括振動(dòng)、溫濕度、噪聲、電磁干擾等有著非常嚴(yán)格的控制要求實(shí)驗(yàn)室工藝條件要求和工程設(shè)計(jì)也極為復(fù)雜。如計(jì)量用量子器件的制備， 工藝流程為光刻、刻蝕、蒸鍍、濺射和剝離等。需要恒溫恒溫的干級(jí)以上潔凈的潔凈室環(huán)境。光學(xué)光刻的最小尺寸和分辨力為1μm ， 與塵埃粒徑相當(dāng)，環(huán)境中顆拉數(shù)過(guò)多，沉降在器件表面， 光刻時(shí)將導(dǎo)致無(wú)法得到理想的器件圖形結(jié)構(gòu)，也將使器件表面無(wú)法獲得均勻分布的薄膜再通過(guò)蒸鍍、濺射和刻蝕工藝得到的器件將是無(wú)法工作的失效器件。而且設(shè)備的運(yùn)行、器件材料的存放等涉及的工藝都對(duì)溫度和濕度范圍有嚴(yán)格的要求。溫度對(duì)光刻膠的狀態(tài)、薄膜的應(yīng)力都有關(guān)鍵影響; 濕度對(duì)設(shè)備運(yùn)行、光刻膠、薄膜附著性和器件的電學(xué)性質(zhì)也有重要影響。因此，要求百級(jí)潔凈室粒徑≥0.5 μm 的塵埃數(shù)小于3500/m3， 游浮菌數(shù)小于5/m3 。溫度控制在(20±0.5)℃ ，相對(duì)濕度為45%±5%。
因此，量子計(jì)量科學(xué)研究對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件的依賴性很高需要強(qiáng)有力的環(huán)境工藝條件保障。
二、計(jì)量新領(lǐng)域研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境工藝條件的依賴性
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)急需調(diào)整。國(guó)家提出要大力發(fā)展新能源、新材料、電動(dòng)汽車、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息網(wǎng)絡(luò)和高端制造產(chǎn)業(yè); 前瞻部署生物、納米、量子調(diào)控、信息網(wǎng)絡(luò)、氣候變化、空天海洋等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)研究。這些重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展所需的任何科技創(chuàng)新都離不開高精度和高穩(wěn)定性的計(jì)量基、標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)。計(jì)量科技不僅能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展， 還促使新領(lǐng)域得以優(yōu)先發(fā)展。諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的發(fā)展要求新的計(jì)量技術(shù)支持; 氣候變化的監(jiān)控要求在溫度、溫室氣體量以及海水含鹽量等測(cè)量方面， 建立長(zhǎng)期穩(wěn)定的計(jì)量基、標(biāo)準(zhǔn)和溯源體系。測(cè)量諸如二氧化碳、氮氧化物及易揮發(fā)有機(jī)化合物在低濃度時(shí)的微量變化， 將是計(jì)量領(lǐng)域的一個(gè)巨大挑戰(zhàn). 納米材料的發(fā)展及其在航空、航天和安全保障領(lǐng)域的應(yīng)用，成為其具有超高準(zhǔn)確度和可溯源性的推動(dòng)力; 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不論是在診斷還是在有效而安全的治療方面， 都需要準(zhǔn)確可靠、可互認(rèn)的測(cè)量數(shù)據(jù)支持。
這些計(jì)量科技研究也與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境工藝條件密不可分， 只有基于優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件才能得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件任何微小的變化都將直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如納米計(jì)量及材料表征研究試驗(yàn)用計(jì)量型原子力顯微鏡和計(jì)量型掃描電子顯微鏡等均通過(guò)激光干涉儀作為計(jì)量框架對(duì)量值進(jìn)行溯源，而高精度、高穩(wěn)定性的激光干涉儀受外界環(huán)境的影響很大， 尤其是溫度，例如，雙頻激光干涉儀的干涉鏡測(cè)量誤差受溫度影響達(dá)到50nm℃-1，即當(dāng)溫度變化0.2℃時(shí)，測(cè)量誤差在10nm ， 這已經(jīng)超過(guò)測(cè)量線寬間隔的1/2; 對(duì)于納米幾何尺寸測(cè)量的原子力顯微鏡，因?yàn)獒樇馀c樣品表面的距離在幾納米到十幾納米范圍，此時(shí)針尖與樣品表面受分子、原子間引力和斥力的作用。此時(shí)空氣中的水分子會(huì)在針尖形成水分子膜， 對(duì)針尖和樣品引力、斥力量值產(chǎn)生影響。現(xiàn)在原子力顯微鏡針尖的制造商都對(duì)售出的針尖在相對(duì)溫度50% 的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度下的實(shí)際懸臂彈性常數(shù)K 進(jìn)行了標(biāo)定。如果實(shí)際環(huán)境溫度與出廠標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度有誤差會(huì)直接引人亞納米級(jí)的誤差; 實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)樣板與材料表征的樣品均在(1~100) nm尺度，灰塵黏附會(huì)造成樣板和納米材料的污染，且納米級(jí)樣板無(wú)法完全清理干凈，導(dǎo)致被測(cè)標(biāo)樣廢棄。這需要粒徑≥0.5 μm 的塵埃數(shù)小于3500/m3、游浮菌數(shù)小于5/m3 ，溫度控制在(20±0.5)℃ ， 相對(duì)溫度控制在50%±5%的恒溫、恒壓、恒濕以及千級(jí)以上潔凈實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
這也充分表明， 在計(jì)量新領(lǐng)域建設(shè)中， 實(shí)驗(yàn)環(huán)境工藝條件是必不可少的一部分，而且對(duì)其的依賴性越來(lái)越高。
三、現(xiàn)代計(jì)量基、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境工藝條件的依賴性
世界各國(guó)都把計(jì)量推動(dòng)科技創(chuàng)新作為實(shí)現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略的重要手段，計(jì)量支撐科技創(chuàng)新的重要性日益凸顯。由于我國(guó)現(xiàn)有部分計(jì)量基、標(biāo)準(zhǔn)在量程、頻段、測(cè)量準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度方面還不能滿足經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展和國(guó)際比對(duì)的要求獲得國(guó)際互認(rèn)的測(cè)量能力相對(duì)薄弱。這與我國(guó)已經(jīng)成為世界有影響的科技大國(guó)和經(jīng)濟(jì)大國(guó)的地位不相適應(yīng)如不改善將嚴(yán)重影響國(guó)家的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力。因此， 我國(guó)最近一段時(shí)期對(duì)計(jì)量科研的經(jīng)費(fèi)投入力度持續(xù)增強(qiáng)，來(lái)提高計(jì)量基、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量能力。這使得我國(guó)傳統(tǒng)計(jì)量長(zhǎng)、熱、力、電、光等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
這些進(jìn)步又不可避免地依賴于實(shí)驗(yàn)環(huán)境工藝條件的不斷改善。如在長(zhǎng)度測(cè)量中，高精度的錢刻度和量塊測(cè)量相對(duì)不確定度接近10-8，這些實(shí)驗(yàn)都需要在精密控溫的環(huán)境中進(jìn)行， 因?yàn)闇囟戎苯佑绊懣諝獾恼凵渎屎图す獗婚L(zhǎng)的使用。環(huán)境空氣溫度也直接影響材料溫度和測(cè)量設(shè)定值。溫度設(shè)定在20℃， 長(zhǎng)度的線性測(cè)量需要持續(xù)幾十個(gè)小時(shí)，測(cè)量對(duì)象的材料熱膨脹不確定度是10-7 (1/K) 。因此， 只有在空氣溫度保持穩(wěn)定在20±0.1℃的時(shí)間段內(nèi)，才能得到相應(yīng)的不確定度是10-8的測(cè)量結(jié)果; 在很多力學(xué)計(jì)量實(shí)驗(yàn)中， 大部分測(cè)量都需要在恒溫環(huán)境中完成，如果測(cè)量重物的容積差異大，可能是因?yàn)榇蠹s幾個(gè)mK的空氣溫度的變化引起的。如果溫度變化超過(guò)0.2℃， 質(zhì)量差異的測(cè)量就變得非常不準(zhǔn)確; 在電學(xué)計(jì)量中， 典型的電阻和電容的標(biāo)準(zhǔn)熱膨脹系數(shù)通常為10-6K-1。電容和電阻參考值分別被保持在相對(duì)不確定度水平10-7和更好的10-8 級(jí)。因此， 相當(dāng)?shù)臏囟缺仨毞謩e穩(wěn)定在10mK和1mK; 在光學(xué)計(jì)量中， 不可控制的濕度動(dòng)波動(dòng)將導(dǎo)致飛秒激光器光學(xué)反射鏡和其他部件氧化， 反射率或透過(guò)率降低， 從而使激光器毀壞而不能工作。另外，水蒸氣對(duì)某些光學(xué)信號(hào)也具有強(qiáng)烈的吸收作用(如太赫茲波等) ，在高濕的環(huán)境下將難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和信號(hào)采集。
由此可見(jiàn)，任何計(jì)量能力的提升都離不開環(huán)境工藝條件保障能力的提升，這也對(duì)科研環(huán)境條件提出了越來(lái)越高的要求。
| 歡迎光臨 計(jì)量論壇 (http://m.dy313.com/) | Powered by Discuz! X3.4 |