我國(guó)建成新一代計(jì)算電容裝置

由中國(guó)計(jì)量院承擔(dān)完成的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及電容基準(zhǔn)的研究”，日前順利通過(guò)專(zhuān)家組驗(yàn)收。該課題研制的國(guó)際新型立式可移動(dòng)屏蔽電極計(jì)算電容裝置測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，復(fù)現(xiàn)1皮法（pF）電容單位的標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到2.0×10-8，接近國(guó)際最好水平。

    據(jù)課題負(fù)責(zé)人、中國(guó)計(jì)量院首席研究員陸祖良介紹，本課題研究過(guò)程通過(guò)國(guó)際合作，使我國(guó)在該領(lǐng)域的研究很快進(jìn)入國(guó)際前沿。課題組研制了國(guó)際新型的立式可移動(dòng)屏蔽電極計(jì)算電容裝置，利用激光干涉儀實(shí)時(shí)測(cè)長(zhǎng)，并與我國(guó)已經(jīng)建立的量子霍爾電阻裝置相結(jié)合，測(cè)量了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，復(fù)現(xiàn)1皮法電容單位的標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到2.0×10-8。據(jù)了解，目前在此領(lǐng)域最好水平為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的1.9×10-8，其余研究的不確定度均大于2.8×10-8。

    陸祖良表示，該計(jì)算電容裝置也是目前國(guó)際電磁計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)除量子電壓和量子電阻之外最高準(zhǔn)確度水平（10-8）的裝置。它本身是交流阻抗的計(jì)量基準(zhǔn)，在電力行業(yè)、電子行業(yè)、家用電器、通訊設(shè)備的質(zhì)量控制方面具有廣泛應(yīng)用，將對(duì)提高產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮重要作用。

    據(jù)了解，該研究在多方面有所創(chuàng)新。例如，采用嚴(yán)格測(cè)量和靈活調(diào)整相結(jié)合方法，實(shí)現(xiàn)了主電極系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)和平行的高精度要求；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電補(bǔ)償法的補(bǔ)償效果比機(jī)械補(bǔ)償法高一個(gè)數(shù)量級(jí)；提出了一種電容電橋自動(dòng)輔助平衡新方法，消除了手動(dòng)輔助平衡殘余不平衡負(fù)載的影響，提高了測(cè)量速度；提出了一種完全等電位屏蔽校驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了工作狀態(tài)下感應(yīng)分壓器的高精度校驗(yàn)；課題在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)四端對(duì)阻抗的高精度測(cè)量；采用了新的電容單位復(fù)現(xiàn)方法，操作過(guò)程簡(jiǎn)單、方便、快捷。

    精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)與4個(gè)基本物理常數(shù)（普朗克常數(shù)、基本電荷、玻爾茲曼常數(shù)、阿伏伽德羅常數(shù)）之間有重要的關(guān)系，它的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)4個(gè)基本常數(shù)的確定有重要的幫助；而這4個(gè)基本常數(shù)又是更好地復(fù)現(xiàn)、保存和傳遞7個(gè)國(guó)際單位制基本單位量值的關(guān)鍵，特別是計(jì)算電容測(cè)量的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是直接建立在現(xiàn)有國(guó)際單位制之上的，由此確定的基本常數(shù)，以至隨后的新的國(guó)際單位制，將保持計(jì)量單位實(shí)際內(nèi)容不改變，從而保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活生產(chǎn)和科學(xué)研究不受?chē)?guó)際單位制變革的影響。目前，國(guó)際計(jì)量局和美國(guó)、澳大利亞等先進(jìn)國(guó)家都在研究新一代計(jì)算電容基準(zhǔn)。

    為了響應(yīng)國(guó)際計(jì)量界這一新的發(fā)展趨勢(shì)，在國(guó)際基本單位重新定義過(guò)程中掌握主動(dòng)，中國(guó)計(jì)量院聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)單位，于2006年申請(qǐng)了“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——“以量子物理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代計(jì)量基準(zhǔn)研究”，包括能量天平質(zhì)量量子基準(zhǔn)、玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量及熱力學(xué)溫度基準(zhǔn)、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及電容基準(zhǔn)、阿伏伽德羅常數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)等9項(xiàng)量子計(jì)量基準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)研究。經(jīng)過(guò)幾年的努力，該項(xiàng)目中的課題先后取得一系列成果。本課題的驗(yàn)收標(biāo)志著該項(xiàng)目的全部結(jié)束，為我國(guó)應(yīng)對(duì)國(guó)際單位制的重大變革打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。