精細結構常數(shù)測量關鍵技術及電容基準的研究

2011年10月21日召開的第24屆國際計量大會，從科學研究和計量發(fā)展的需要和目前的水平出發(fā)，提出建立新的國際單位制，采用基本常數(shù)來定義基本單位：用普朗克常數(shù)來定義質量單位“千克”，用基本電荷定義電流單位“安培”，用玻爾茲曼常數(shù)定義熱力學溫度單位“開爾文”，用阿伏加德羅常數(shù)定義物質的量的單位“摩爾”。國際單位制可以改變定義，但是不能改變它們的物理實質內容，這是保證生產、貿易和社會生活穩(wěn)定所必需的。例如在現(xiàn)有單位制下的1千克大米，在未來的單位制下，還必須是“1千克”。為了做到這一點，必須在現(xiàn)有的和未來的單位制之間建立聯(lián)系。國際計量界近年來的一項重要工作，就是在現(xiàn)有單位制下把基本常數(shù)測量準確，然后把它們作為未來單位制的定義基礎。

為開展相關基本常數(shù)的研究， “十一五”國家科技支撐計劃設立了“精細結構常數(shù)測量關鍵技術及電容基準的研究”項目， 課題負責人為中國計量科學研究院首席研究員陸祖良。課題研究內容包括計算電容本體、電容電橋、電容電阻電橋、激光測長四個部分，分別由黃璐博士、楊雁博士、趙建亭博士和錢進研究員負責。

精細結構常數(shù)與上述四個基本常數(shù)有重要的聯(lián)系，對確定四個基本常數(shù)有重要的幫助。計算電容裝置是電磁計量領域內除量子電壓和量子電阻之外具有最高準確度水平（10-8）的裝置。它本身是交流阻抗的計量基準。在電力行業(yè)、電子行業(yè)、家用電器、通訊設備的質量控制方面都有廣泛的應用，對提高產品的國際競爭力具有重要作用。課題組建立了新型的立式可移動屏蔽電極型計算電容裝置，復現(xiàn)1皮法（pF）電容單位的標準不確定度達到2.0×10-8，并與中國已經建立的量子霍爾電阻裝置相結合，測量了精細結構常數(shù)，為確定四個基本常數(shù)供了重要的驗證證據(jù)，也為應對國際單位制的重大變革打下了堅實的基礎。

此外，課題組還實現(xiàn)了多方面的創(chuàng)新，例如提出了有我國特點的精密機械調整方法，實現(xiàn)了高精度的安裝要求；通過實驗驗證了中國提出的電補償法比國際通行的機械方法補償效果高一個數(shù)量級；研制了能同步解調激光束調制頻率的F-P干涉儀腔長伺服系統(tǒng)，將計算電容軸向長度鎖定到633nm蘭姆凹陷He-Ne激光半波長整數(shù)倍上，并以633nm碘穩(wěn)定He-Ne激光波長標準進行實時校準，有效降低了激光測長的不確定度；提出一種電容電橋自動輔助平衡新方法，消除了輔助平衡的負載殘余影響，提高了測量速度；提出了一種完全等電位屏蔽校驗方法，實現(xiàn)了工作狀態(tài)下感應分壓器的高精度校驗；實現(xiàn)了四端對阻抗的高精度測量；采用了計算電容單位復現(xiàn)的簡便方法，代替了復雜的原有方法，過程簡單、方便、快捷。

通過一系列創(chuàng)造性工作，中國計量科學研究院研制成功了立式可移動屏蔽電極型計算電容裝置，建立了更高水平的交流阻抗計量基準，該裝置可測量精細結構常數(shù)，為應對國際單位制的重大變革打下了堅實的基礎。