精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)及電容基準(zhǔn)的研究

2011年10月21日召開的第24屆國際計(jì)量大會，從科學(xué)研究和計(jì)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(zhì)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(xué)溫度單位“開爾文”，用阿伏加德羅常數(shù)定義物質(zhì)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(shí)質(zhì)內(nèi)容，這是保證生產(chǎn)、貿(mào)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(diǎn)，必須在現(xiàn)有的和未來的單位制之間建立聯(lián)系。國際計(jì)量界近年來的一項(xiàng)重要工作，就是在現(xiàn)有單位制下把基本常數(shù)測量準(zhǔn)確，然后把它們作為未來單位制的定義基礎(chǔ)。

為開展相關(guān)基本常數(shù)的研究， “十一五”國家科技支撐計(jì)劃設(shè)立了“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)及電容基準(zhǔn)的研究”項(xiàng)目， 課題負(fù)責(zé)人為中國計(jì)量科學(xué)研究院首席研究員陸祖良。課題研究內(nèi)容包括計(jì)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(jìn)研究員負(fù)責(zé)。

精細(xì)結(jié)構(gòu)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(jì)算電容裝置是電磁計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)除量子電壓和量子電阻之外具有最高準(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)量控制方面都有廣泛的應(yīng)用，對提高產(chǎn)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(jì)算電容裝置，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，并與中國已經(jīng)建立的量子霍爾電阻裝置相結(jié)合，測量了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，為確定四個基本常數(shù)供了重要的驗(yàn)證證據(jù)，也為應(yīng)對國際單位制的重大變革打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，課題組還實(shí)現(xiàn)了多方面的創(chuàng)新，例如提出了有我國特點(diǎn)的精密機(jī)械調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)了高精度的安裝要求；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了中國提出的電補(bǔ)償法比國際通行的機(jī)械方法補(bǔ)償效果高一個數(shù)量級；研制了能同步解調(diào)激光束調(diào)制頻率的F-P干涉儀腔長伺服系統(tǒng)，將計(jì)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時校準(zhǔn)，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(fù)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(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)；實(shí)現(xiàn)了四端對阻抗的高精度測量；采用了計(jì)算電容單位復(fù)現(xiàn)的簡便方法，代替了復(fù)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(jì)量科學(xué)研究院研制成功了立式可移動屏蔽電極型計(jì)算電容裝置，建立了更高水平的交流阻抗計(jì)量基準(zhǔn)，該裝置可測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，為應(yīng)對國際單位制的重大變革打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。