千克量值溯源自2月1日起啟用國際共識值

我國NIM-2能量天平為國際共識值確定作出貢獻(xiàn)

□ 李正坤 王 健

日前，國際計(jì)量局網(wǎng)站發(fā)文宣布開啟千克量傳新階段（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)量量值將溯源至國際共識值2020（Consensus Value 2020）。該國際共識值由國際質(zhì)量及其相關(guān)量咨詢委員會（CCM）千克量傳階段任務(wù)組（TGPfD）綜合2014年以來的3次測量數(shù)據(jù)得到。我國的NIM-2能量天平為國際共識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于一顆保存于國際計(jì)量局（BIPM）的鉑銥合金圓柱體——國際千克原器（IPK）。這顆鉑銥合金圓柱體于1879年制成，并在1889年召開的第一屆國際計(jì)量大會上被批準(zhǔn)為國際千克原器。

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。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)其測量原理在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)重建和復(fù)現(xiàn)。2005年，國際計(jì)量委員會（CIPM）建議采用普朗克常數(shù)重新定義千克，并號召各個(gè)國家采用不同方案對普朗克常數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。為此，國際上陸續(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屆國際計(jì)量大會（CGPM）通過了關(guān)于修訂國際單位制（SI）的“1號決議”，批準(zhǔn)采用普朗克常數(shù)對千克進(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，原本測量普朗克常數(shù)的測量裝置將轉(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，國際科技數(shù)據(jù)委員會基本物理常數(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)國家的普朗克常數(shù)測量數(shù)據(jù)的一致性并不理想。在測量數(shù)據(jù)不一致性的問題得到解決之前，各國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年由國際計(jì)量局（BIPM）組織各個(gè)國家進(jìn)行國際關(guān)鍵比對（CCM.M-K8.2019），這次比對的主要目的是評估不同測量裝置復(fù)現(xiàn)千克的一致性，并為計(jì)算第一個(gè)國際共識值提供依據(jù)。

目前，國際上從事千克復(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)方案參加了此次國際比對，即加拿大計(jì)量院、美國計(jì)量院、BIPM和韓國計(jì)量院采用功率天平方案，中國計(jì)量院采用能量天平方案，德國計(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以來的3次測量數(shù)據(jù)的平均值得到了用于千克量值傳遞的國際共識值，這3次測量數(shù)據(jù)分別來自2014年直接溯源至IPK的數(shù)據(jù)、2016年千克復(fù)現(xiàn)研究性比對數(shù)據(jù)和2019年首次千克復(fù)現(xiàn)方法國際關(guān)鍵比對（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)國家的測量和校準(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將通過溯源至普朗克常數(shù)的國際共識值為其成員國提供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)中的中國貢獻(xiàn)

為應(yīng)對國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，能量天平的測量結(jié)果可與功率天平以及硅球法的測量結(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)過渡提供精密的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。中國計(jì)量院的NIM-2能量天平測量裝置自2013年中期開始研制，2017年實(shí)現(xiàn)了2.4×10-7的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，2019年實(shí)現(xiàn)了10-8量級的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并代表我國參加了BIPM主導(dǎo)的首次千克復(fù)現(xiàn)方法國際關(guān)鍵比對。中國計(jì)量院采用NIM-2能量天平裝置對兩顆比對樣品（1顆鉑銥合金砝碼和1顆不銹鋼砝碼）測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為5.2×10-8和6.5×10-8。經(jīng)國際計(jì)量局對各國的數(shù)據(jù)綜合評定，我國的測量結(jié)果與比對參考值（KCRV）的相對偏差為1.17×10-8，相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為4.49×10-8。

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

《中國質(zhì)量報(bào)》