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计量 | 重大变革!公斤等4个国际单位明年将重新定义

2017-06-01点击:744


【核心介绍】影响了人类半个世纪的国际计量体系,将在2018年发生重大变革。利用量子技术与互联网技术,国际单位制中科学家假设的数值,将全部改由自然界的基础常数来定义。国际度量衡委员会(CIPM)的新草案一旦在明年的国际度量衡大会上通过,世界测量技术规则将被重构。  
影响了人类半个世纪的国际计量体系,将在2018年发生重大变革。利用量子技术与互联网技术,国际单位制中科学家假设的数值,将全部改由自然界的基础常数来定义。国际度量衡委员会(CIPM)的新草案一旦在明年的国际度量衡大会上通过,世界测量技术规则将被重构。
 
新旧国际单位定义对比
 
包括“千克”(质量)、“开尔文”(温度)、“安培”(电流)、“摩尔”(物质的量)在内的4项国际单位定义在明年初改变,对计量学家是千载难逢的机会,却急坏了台湾媒体,因为台湾引以为傲的IC半导体产业良率恐将大幅拉低。
 
 
为什么国际单位要重新定义?
 
国际单位制的核心是7个基本单位,即时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。自1971年以来,这7个基本量,一直作为国际单位制的基本单位。
 
在7大国际单位制当中,有6个单位是由没有实体的自然现象所定义,只有1个单位可以用实际物体来表示,那就是“千克”。定义千克的,是一块放在法国巴黎近郊的国际标淮局(BIPM)保险箱的标准砝码――国际千克原器(International Prototype of the Kilogram,简称IPK)。高尔夫球大小的IPK由90%铂和10%铱打造,平时放在真空封存的三层玻璃罩内。全球还有许多IPK复制品,作为各国自己校正单位的标淮。
 
国际千克原器件
 
实物基准易受环境影响,巴黎的IPK已经微量发胖了,过去100年飘移了50微克,相当于一颗直径0.4毫米的小沙粒,准确度产生偏差。预计到2018年第26届国际度量衡大会,科学界将放弃末代小金属圆柱,改用普朗克常数定义“千克”。
 
普朗克常数描述电磁波能量和频率之间的关系(E=hν,其中,E是能量,ν是频率和h是普朗克常数),但测量非常困难。也正是因为量不准的困难,质量单位一直无法自然定义。
 
任职于美国国家标淮与技术研究院(NIST)的物理学家史兰明格(Stephan Schlamminger)团队近期宣布,已取得初步成果:他们把已知质量的物体摆在瓦特天平(Watt Balance)的一端,另一端则对线圈施加电流产生机械力,与物体因重力下拉的力达到平衡。从电磁力算出普朗克常数的值后,再通过质能转换公式E=mc2算出质量,精度可达3.4×10-8。
 
美国国家标淮与技术研究院的瓦特天平
 
该团队预计2017年7月会再次公布他们独立测量的结果。到2018年国际度量衡大会,从各团队测量值中挑出最准确的最终值,IPK就可以退休了。
 
别的单位也将重新定义。如测量电流的单位“安培”,目前定义为:在真空中,截面积可忽略的两根相距1米的平行而无限长的圆直导线内,通以等量恒定电流,导线间相互作用力在1米长度上为2×10-7牛时,则每根导线中的电流为1安培。
 
这样假想的导线在现实中根本不存在,因此,也将改用可以真正被测量的基本电荷。现在的纳米科技装置已能计算在导线中流动的个别带电粒子,所以可藉由电子的电荷量来重新定义安培。
 
同理,开尔文和摩尔,也将分别从水的三相点及相对原子质量,改由明确的波兹曼常数(Boltzmann constant)和阿佛加德罗常数(Avogadro constant)来定义。
 
科学家制造了世界上最精确的单晶硅球
 
另外几项国际单位,未来也将变革。加拿大主导此项工作的计量学家史提尔(Alan Steele)说:“如果预想下一次重新定义,可能会以量子力学方法定义发光强度,秒的定义也许会从微波改成光学方式。不过这至少还要等15年,甚至可能更久。”定义的原则在于,无论是在地球上或在仙女座上,任何地方的智慧生物都能够理解这些新单位。
 
 
台湾半导体产业将受冲击
 
面对即将到来的变革,台湾却没有做好准备。台湾倚仗的半导体业,由于制程精细,若出现单位制度上的误差,很可能影响良率。
 
《中国时报》报道称,若无法在明年跟上最新制度,对半导体业恐造成影响,因为化学溶液量测误差会导致降低良率。提升检测设备的费用高达6亿台币,“经济部标检局”目前经费仍无着落。
 
 
隶属台湾“经济部”的“国家度量衡标准实验室”传出消息,目前仍筹不到经费,无法跟进,千克量测校正标准将降为二级。这样一来,将冲击讲求精准度的“纳米”晶圆制程校正,生产机器、设备校正都会受影响,因国际标准拉高,相对地,台湾半导体良率会被拉低。
 
台湾标检局官员指出,四项改变中最重要的是“千克”定义的改变。台湾1995年引进IPK,放在新竹工研院的“国家度量衡研究室”。由于“经济部标检局”面临“无钱可编”的窘境,将无法在明年跟上国际脚步。而在半导体制程中,晶圆表面的  清洗、蚀刻与研磨皆要仰赖特定化学溶液,这些化学溶液量测如果有一点点误差,都会影响良率。
 
以先进的台积电与联电晶圆制程来说,良率均高达95%,新标准改变将被拉低多少良率?据台湾标检局官员分析,这将视不同生产线与产品而定,但千克新标准会比旧的精准2到4倍,将有一定程度影响。
 
 
大陆做好准备了吗?
 
那么,面对明年的计量变革,大陆做好准备了吗?可以说,关键技术已经有了突破。
 
据报道,今年3月,由中国计量院承担的国家质检总局科技计划项目“高准确度真空质量测量系统的建立”项目通过验收。项目首次在我国建立了最大量程1kg的高准确度真空质量测量装置,真空质量测量重复性、灵敏度达到国际先进水平,成功解决了2018年国际质量单位千克重新定义后质量量值传递技术关键问题。
 
由于未来的质量单位将在真空中实现,而日常生活的质量工作标准――砝码仍是在空气中使用的,这给质量量值的传递方式带来了一系列问题――除了需要将保存在真空中的质量标准传递到空气中外,还必须对环境参数进行测量和实时修正。
 
从2013年起,中国计量院围绕质量单位新定义之后质量量值传递关键技术开展了系列研究。经过多年努力,项目组在真空质量测量、真空质量标准的传递,以及异型砝码表面吸附测量和修正等方面取得了一系列创新成果,建立了测量灵敏度优于0.1μg、满载重复性优于0.47 μg、测量扩展不确定度25 μg(k=2)的高准确度真空质量测量装置;形成了不同材料砝码表面吸附率测量、不确定度评估和吸附修正,空气密度测量,砝码交换称量等一系列具有自主知识产权的技术。
 
项目建立的高准确度真空质量测量装置成功解决了砝码真空质量测量时系统稳定性和保持高真空度之间的矛盾;采用的非接触式分子泵散热方法和多点位多参数循环监测方法,显著提高了装置的测量重复性和稳定性。此外,项目还实现了多种砝码表面吸附与其逆过程的精确分析,吸附测量扩展不确定度0.0011 μg/cm2(k=2),达到了国际先进水平。
 
科学家早已开始行动,不过,相比台媒的先知先觉,对世界测量技术规则的改变,相关产业如何应对,截止观察者网发稿,大陆主流媒体并未进行专门报道和宣传。

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