更新计量基本单位_kg_定义的研究现状

文章编号10001158200102013309更新计量基本单位KG定义的研究现状赵克功中国计量科学研究院,北京100013摘要在国际单位制中,质量的基本单位KG是以保存在巴黎国际计量局的千克原器定义的。现在,各国KG基准的质量以平均每年约05G的增长率在变大,这种变化早已超过KG国际比对的精度。从20世纪五十年代开始,科学家们对更新KG的定义进行了深入的探索与大量的研究,有望于21世纪初将会有所突破,得以利用基本物理常数或原子的物理特性来建立量子化的KG新定义。本文简要介绍这些研究的现状和展望。关键词阿伏伽德罗常数单晶硅晶体克分子质量原子量金原子磁悬浮中图分类号TM932文献标识码A引言1计量基本单位是工业、科技和社会发展的基础,自然科学的进步也有赖于计量基本单位的准确性。一切物理量与化学量都要溯源到计量基本单位上,由它导出的物理和化学量值,在所给出的精度范围内应是准确无误的,不随时间、地点等外部条件的改变而变化。早在1870年,JCMAXWELL就指出物理量的计量基本单位不能以宏观量实物为基础,而应当以“永恒的和不变的粒子”物理特性为基础。但是,在今天广泛应用着的国际计量单位制中,计量基本单位的原始思想还是基于1901年GGIORGI的建议。虽然,基于宏观量的原始思想的国际计量单位制在20世纪中对社会、经济、科技、工业等各方面的发展起了巨大的作用,但也随着科学与技术的进步更新了一些计量基本单位的定义,如长度米、时间秒、电压伏特和电阻欧姆等,都更新在以量子物理学为基础的基本物理常数上和原子的物理特性上。现在,在计量基本单位中只有质量的KG还定义在实物基准上。KG的定义是在1887年第一届国际计量大会上确定的,以巴黎国际计量局保存的千克原器铂铱合金的圆柱体作为质量基本单位的国际基准。质量基本单位KG的定义是这样写的“千克是质量单位,它等于国际千克原器的质量。”每个国家保有一个复制品,定期每20年送到巴黎国际计量局进行比对。2千克原器存在的问题以千克原器作为质量计量基本单位KG的实物基准存在以下原则性问题1实物基准易损坏2实物千克基准量值随时间、地点等外部条件的改变而变化,这个变化已远超过了KG国际比对的不确定度。1989年在巴黎国际计量局举行了20世纪最后一次各国千克基准与国际千克原器的比对。比对结果,各国千克基准质量的平均增长率约为05G年1。如,瑞士的国家千克基准NO38在1946年与1989年两次与国际千克原器比对的差值为28G。德国的国家千克基准NO55与国际千克原器比对结果为1KG0252MG,其增长率也为05G年。我国国家千克基准NO60的比对结果为1KG收稿日期20000218修回日期20000626计量学报2001年4月1340295MG。属于法国科学院的千克基准NO34,从第二届国际千克基准比对之后就保存在密封的容器中,再没有使用过,也没有动过。它的质量值变化如下1889年,1KG01073MG1950年,1KG01078MG1992年1KG01051MG。该千克基准质量从1950年到1992年42年间相对国际千克原器质量的变化为0027MG。另外,法国RDAVIS从1949年至1989年对他们自己的千克基准进行长期实验考核,结果是在这40年中其质量值相对增大了61072。按上述事实人们可以提出怀疑,即国际千克原器是否也在100年中变化了50G5108这还不得而知。从上可以看出,当今的KG实物基准自身质量随时间的变化已超过了国际比对的不确定度,满足不了现代工业和科学技术发展的需要,其定义必须变更。变更的方向是利用基本物理常数或原子的物理特性,由实物基准更新为自然基准。利用阿伏伽德罗常数NA研究KG的新定义3利用用一定数量原子质量或基本粒子电子或质子质量更新质量计量基本单位KG的定义,这是科家们的设想之一。但不论什么样的科学设想都必须确保原KG定义的延续性,即选定的一定数量原子或基本粒子的质量必须溯源到当今的千克原器上,溯源的不确定度还必须保证在原KG国际比对不确定度的范围之内5108。另外,为了计量基本单位传递的需要,符合KG定义的一定数量原子或基本粒子还应能构成一个宏观物体,这就要建立宏观与微观质量单位间的关系。阿伏伽德罗常数这一基本物理常数可满足此要求。以阿伏伽德罗常数NA定义KG可利用下面的关系式1KGNAKMOLU1其中UM12C12为原子质量单位,它由12C同位素的质量给出MOL即摩尔,一摩尔为物质系统中所含之基本粒子数目等於12C之质量为0012KG时所含原子数目的物质量。准确地测定阿伏伽德罗常数是利用单晶硅晶体。一个单晶硅晶体由它的密度、质量M、体积V、克分子质量M以及它的带有N个原子的单晶胞体积V0,可以算出阿伏伽德罗常数NAMSI2NAVN0据此可由阿伏伽德罗常数导出宏观与微观单位间的关系,就是克分子体积与原子体积之比。为此,需要进行以下4个量的科学测定,即硅的原子量选定硅物体形状的体积和它的密度单晶胞的体积单晶胞内含有的原子数目。为了得到符合要求的高纯度单晶硅、加工出符合要求的单晶硅形体和从事上述4个量的准确测量,目前国际上有4个单位从事有关研究,它们是德国联邦物理技术研究院PTB、美国国家标准技术研究院NIST、意大利计量研究所IMGC和日本计量研究所NRLM。其中以PTB研究的历史最长,从二十世纪六十年代末至今已进行了三十余年,前后共有近300人参与。目前,PTB将这一研究作为德国和欧盟的重点科研合作项目,共有27个实验室的几十人专职为此项目工作。另外,在欧洲和德国的一些大学和研究部门以及PTB其它部门的科学家200人左右从事着与此项目有关研究。作者也参与了其中一项研究课题,即纳米的绝对测量。31单晶硅晶体的选择随着半导体工业特别是大规模集成电路的发展,人们已对硅晶体生长和加工掌握了良好的工艺与丰富的经验。在有生长高纯度单晶硅经验的生产厂,如德国的WACKERSILTONIC和日本的EPRELECTRON2PARAMAGNETIC2RESONANCE,专门为这个项目生长了FZ单晶硅晶体。选用单晶硅晶体作为测定NA的对象,有如下的原因目前,只有硅能生长出质量大于1KG的单晶晶体理想的单晶硅晶胞是一个带有8个硅原子的十分完整的正立方体。这个正立方体的边长,即硅的晶格常数A,可以通过X射线干涉仪准确测出。从单晶硅晶体的体积V与单晶硅晶胞的体积A3之比可以得出单晶硅晶体体积内的原子数目NX第22卷第2期赵克功更新计量基本单位KG定义的研究现状1353NX8VA3为了便于准确测量单晶硅晶体的体积,将其加工为球形。利用最现代化的加工技术,加工成的球体与理想球体相比,二者相差可以达到只有几个纳米3。为了得到测定阿伏伽德罗常数所需要的单晶硅晶体,计量科学家们与生长单晶硅晶体的科学家们已经合作多年,对硅晶体生长的方法、炉子的材料、生长的温度、炉中温度的分布、晶体的冷却等进行了大量研究。但即使应用了相当科学的单晶硅晶体的生长方法,生长的FZ硅晶体仍存在有晶体缺陷。为了准确测定阿伏伽德罗常数,我们必须抑止或“消除”和清楚地了解这些晶体缺陷。目前FZ单晶硅晶体中只有零坐标缺陷存在,还有微弱的三维缺陷,故仍需进一步改进单晶硅晶体生长方法。32硅原子质量的确定若想将单晶硅晶体用于更新KG定义,则确定硅原子的质量是十分重要的。硅28SI原子质量可以通过与12C的质量比得到,因为12C是原子质量标准,其精度可达1010。方法是利用PENNING阱4,在一个磁通量密度为B的磁场内,一个质量为M、带电量为Q的粒子,其质量可通过它的回旋频率0来求得0QBM表1列出了由不同实验室确定的28SI原子质量。表14M28SIM28SIU实验室方法MAINZ大学,STOCKHOLM1994MIT,COMBRIDGE,USA1994WAPSTRA,ETAL198527976926573000279769265324202797692717000PENNING阱PENNING阱质谱法CODATA1986166054021027KG10001U1UM12C1233原子体积的测定自从BONSE和HART发明X射线干涉仪以后,人们就用它测量两个相邻原子间的距离,测量值可直接与米定义衔接,其原理如图1所示5。X射线干涉仪由3个很薄的晶体片组成,它们的晶面严格地平行。X射线经过第3个薄片的晶格后形成莫尔条纹,其周期等於晶格常数。如果平行移动第3个薄片,在干涉仪的输出端就可以接收到一个正弦调制的光强变化。第3个薄片的平行移动量可以通过辅助激光干涉仪测出,并同时对晶格参数A进行校准。3如前所述,理想的单晶硅原子体积为V0A8。今天的单晶硅晶格生长的技术工艺可以使这种理想的单晶硅达到几非米。在几非米的分辨率内,就要关照和了解原子的纯度。因此,清楚了解硅的点阵缺陷及其同位素的含量就很重要。硅的不纯度可用光谱显微镜进行元素特征的光谱分析来解决晶格均匀性和内部原子平均距离可用特殊的X射线干涉仪进行测量通过晶格参数的测量可以对单晶硅晶体的不纯度进行修正,从而得到理想的晶体结构。一个已知晶格面距离和一个未知晶格面距离可利用无色散双晶体X射线光谱仪进行比较见图2。晶格面距离的不同导致不同的布喇格角。布喇格角可通过自准直望远镜测得。如果第二块晶体围绕轴旋转,两块晶体位差为。这个角度差直接反映出两个晶体晶格面距离的差DD6。这一研究的目的是使我们真实地了解晶体的晶结构,可以检测和分辨晶格的缺陷,精确测量它们的密度和研究它们的均匀性另外还可以计算缺陷对晶格参数和密度的影响。34单晶晶胞的原子数的测定理想的单晶晶胞是由N8个原子组成,但FZ硅晶体在生长时会受其它原子的影响,并影响它的晶格常数及密度,同时反映在N的数值上。当今的FZ硅晶体还具有点阵缺陷,主要反映在以下3个方面1在晶格上的硅原子可被其它原子取代2在晶格间含有其它原子,这会增加单晶晶胞的原计量学报2001年4月136图1X射线位移干涉仪与光学干涉仪的组合图2利用两个X射线源和两块晶体比较晶格面距离的装置子数目3空穴和硅自身间隙与晶格密度相关。因此,在单晶晶胞内的N不再是一个自然数,而是N7N0,其中N08,是缺陷的修正值10。另外,不纯的原子主要是碳、氧和氮,但也很少,只占1108。当今对这一残余不纯度只有通过光学方法来确定,如荧光法或红外光谱法。验证硅的灵敏度为1012原子CM3,但验证碳、氧和氮原子灵敏度要低23个量级。当今对在室温下生长的硅还没有标准硅的点阵缺陷数据可以参考,所以,我们必须自己进行探讨,其方法有三,即正电子湮没光谱法散射实验7和小角度中子色散法。一个实际的方法是通过晶格参数效应,即测量晶胞中的原子尺寸。原子之间的距离可以通过共价曲率计算出来。在组成单晶晶胞原子中的晶胞体积的变化可以直接通过共价曲率之差得到。这个变化与不纯度有一个线性的关系。所以,晶格参数的变化为DRXN5DRNSI其中R为RXRSI共价曲率之差,RSI0117NM,NX为不纯度,NSI510CM。223如果其它原子处于晶格之间的位置,这样它对晶格参数的影响就很难了解清楚。从过去的实验和理论计算值得到,硅的其它原子的聚集大约在1016CM3量级。同位素对晶格参数的影响可忽略不计,晶体生长的单晶硅晶体含9902的28SI。35硅的克分子质量的确定I精密确定硅的克分子质量MSI必须精确了解它的同位素丰度FI及其原子质量MSI,而MSIFIMSII628自然硅同位素的丰度为F2809223,F2900467,F3000310。其中SI占绝对多数,故硅的克分子质量可写为MSIM28SI17对的测量不确定度要小於107。硅同位素丰度由特殊的气相质谱仪确定,单一同位素原子数目是通过离子电流比的测量进行比较。用这种方法当今可达到优于107的不确定度。36硅密度测量确定硅的密度有两种方法即可直接高精度地测量硅球体的质量,或高精度地将硅球体的密度溯源到一个标准体积上。但这个标准体积要能通过流体静力学悬浮法或浮选法与一个未知实验件进行比较。361硅球体的加工在三维物体的体积测量中,球体是测量精度能达到最高的最佳形状,因为正立方体和圆柱体都有尖锐的棱角,很难操作。对此项任务来说,为了便于与千克原器进行比较,球体的质量要尽量接近1KG。这样的硅球体直径大约为10CM,为了确保1KG质量的不确定度,必须要求它的直径加工精度在1NM范围内。达到这样的加工精度,要有十分高的硅球体研磨技术,另外,对圆度和粗糙度要求也都十分高。第22卷第2期赵克功更新计量基本单位KG定义的研究现状137目前加工的硅球体的球体形状与理想球体的形状差可以达到50NM,表面粗糙度可达几NM3。362利用PTB球面干涉仪测量硅球体的几何尺寸高精度测量硅球体的几何尺寸是利用专门研制的PTB球面干涉仪8进行的。目前测量这样硅球体体积的精度只能达到几纳米,其原因在于光在硅球体表面层的相位跳跃硅球体各部分温度测量的不确定度较低空气折射率的测量不确定度不够。另外,还由于在测量中可能会对硅球体形状和粗糙度造成不利影响。PTB球面干涉仪是斐索球面干涉仪。硅球被安放在一个球面石英晶体的标准具中,硅球的球形与球面标准具的曲率一致。入射到干涉仪的光波前为平面波,经标准具的球形参考面后,形成与硅球体曲率一致的波前的曲率。测量硅球直径需要进行两次测量首先测量空腔标准具的间距151MM,在第二次测量中计算球表面与相应参考截面的两个干涉图形。利用128128象素摄像系统每60O球弓形部分将产生16000个直径。球的调整可以通过两轴进行,因而经过26次测量得到200000个直径值。在测量中,同时将表面的形貌记录储存下来。当在一个大气压力01MPA下测量空腔标准具的间距时,压力如变化38KPA,空腔标准具的间距就会产生机械变形。空气压力可以通过辅助折射率干涉仪控制膜盒进行补偿,但它有滞后和松弛效应,所以使修正变得十分复杂。现在利用波长扫描方法来代替压力步进法,这一工作是作者参与的,利用了作者于1980年研制开发的程序控制偏频跟踪激光光谱仪,将半导体激光的频率锁定在碘稳频633NM激光器的频率上。对空腔标准具的偏频值为1GHZ,对硅球和参考表面的偏频值为5GHZ。另外,在整个测量过程中,测量空间的温度变化要保持在MK范围内。即使采取这些措施,目前的测量精度也只能达到8108。363硅密度的确定利用流体静力学悬浮法测量密度,其标准偏差仅能达到107量级。利用浮选法可选择密度与硅密度接近的液体,这种方法的精度可以超过107。不论是测定密度,还是测定硅球的直径,都要受球体表面结构的影响。球体的表面直接与空气接触,有硅氧化层或者球内部的硅氧化层,而且在这两层之间还有过渡硅氧化层。为了清楚地了解它们的合成和这些层的结构,可用不同的表面分析仪器与方法进行研究,例如利用椭圆仪、隧道扫描显微镜和X射线反射技术。有些问题到现在还未搞清楚,如抛光加工对硅氧化层和过渡硅氧化层的影响程度。这些都是导致硅球体积测量不确定度仅在8108的原因。371999年测定阿伏伽德罗常数的情况67各国研究所测定NA值间的相对误差在310范围内,但各研究所自测总误差则为210,晶格参数测量结果的差值最大也在1107范围内。这些数据表明,其中肯定有一个研究所的数据存在有系统误差。所以,确定摩尔体积的测量对阿伏伽德罗常数之值影响较大见表2。表2各研究所目前测定阿伏伽德罗常数NA的结果相对差值106研究所晶格间距摩尔体积NAPTB德国IMGC意大利NRLM日本NIST美国1920585681219201556961920155933012058823912058826412056864360221365516022137925602215733160221318730030234081CODATA1986602213673638确定阿伏伽德罗常数的今后任务为了实现利用阿伏伽德罗常数NA更新KG定义的设想。1998年2月在德国PTB召开了“确定阿伏伽德罗常数项目今后任务”的研讨会,BONSE教授等共30余位科学家出席,作者也应邀参加了。与会者共同认为今后的研究任务为计量学报2001年4月1381继续提高单晶硅晶体的纯度,改进硅晶体的均匀性减少与抑制其它原子的含量提高测量晶格缺陷的精度。同时要严格的考核PTB、IMGC和NRLM利用的单晶硅晶体WASO42A、MO34和SH1之间的差异,确定它们中哪一个晶体较差以及它们各项参数测量的系统误差2继续改善现有各种参数测量方法的不确定度,特别是改善晶格间距的测量不确定度3利用气体质谱仪测定克分子质量的不确定度给NA带来很大误差,要寻求新的测定方法PTB正在做4氧化层的抑制与测定,包括表面氧化层、过渡氧化层等,还有表面水分子的附着,C、N等其它原子对单晶硅晶体的污染的抑制与测定5为了达到利用单晶硅球体确定的阿伏伽德罗常数NA来更新KG定义,单晶硅晶体的晶体参数必须达到要求的测量不确定度表3。这些晶体参数由改写的公式2得到NANMSIV08式中MV为单晶硅晶体的密度,V0A为单晶晶胞的体积。这样,公式2变为33NANMSIMVA9公式9中必须测定的参数的目前达到和今后应达到的测量不确定度见表3。只有满足表3中给出的必须达到的各参数测量不确定度,才能实现利用阿伏伽德罗常数更新KG定义。表3必须测定的参数目前达到的不确定度今后应达到的不确定度2107210751088108110751081108510815108NMSIMVA把KG定义溯源到金原子质量上4把KG定义溯源到金原子的质量上9,是因为自然界中没有金的同位素,不存在同位素效应金有放射性同位素,但其半衰期很短。其具体方法如下一个离子源发射金离子到一个静电屏蔽器法拉第笼内,然后与千克基准的质量M进行比较见图3。因为离子带电,这样在离子源和离子储存器之间有带电金离子流过就形成一个电流IT,T为时间,IT与流过的金原子数成正比。在收集金离子的起止时间0到T内流过的总电荷为Q。因为单个金离子的电量相当於一个电子电荷E,故Q与E之比就是流过的金离子的总数NX。MAU为金原子的质量,其单位为千克。这样,TMAUQE0IMTDT10MAUE电流I通过量子化霍耳效应和约瑟夫森效应测得,即IKEFJ11式中FJ为约瑟夫森频率,K为校准常数。通过上式,我们可以将宏观的质量M与微观的金原子质量MAU衔接起来TMMAUK0FJTDT12目前的实验现状这项实验从开始提出物理思想到组装实验已有10年。实验装置目前还在建设当中,有所进展。目前能说的是在上述装置中,如离子电流为10MA,连续运转6图3KG定义溯源到金原子质量上的原理第22卷第2期赵克功更新计量基本单位KG定义的研究现状139天可以收集到10G的金原子。当然,实验遇到了很多困难,如离子束的损耗等问题的影响,目前还不清楚。实现前述设想,即使利用最先进的科学技术,估计也还再需要10年以上的时间。另外几种更新KG定义的设想551电功率天平这是一种机械与电功率的比较方法,是英国国家物理研究所的BKIBBLE提出的,其原理如图4所示。装置由两部分组成。第一部分为在天平的一端是质量为M的物体,由它因地心引力产生的重力MG与另一端的一个电磁力进行比较。电磁力F是由电流I通过导线长度为L的线圈产生的。线圈与磁力线相互垂直时产生的磁通量密度为B。当天平达到平衡时有FIBLMG另一部分是线圈以速度V在磁场中运动,由它产生的感应电压U被测量UVBL从式13、14可以得到UIMGV131415这种方法与线圈的几何形状和磁场磁通量无关。人们需要准确知道实验装置所处地点的重力加速度G。电功率可以通过约瑟夫森效应和量子化霍耳效应测出PUIKF2H16J其中H为普朗克常数。最后得到质量M为KF2J17MHGV这里应用的基本物理常数是普朗克常数H,H可以通过功率天平精密地测量。如果经功率天平测定的H能达到所要求的精度,那么国际计量单位制将会有一个全新的改观,参见文献10。图4电功率天平的原理图5磁悬浮实验装置的原理目前英国的NPL和美国的NIST在进行这项研究。他们是直接与1KG的质量进行比较,需要产生1KG的电磁力,所以他们的装置都十分庞大。在NPL的装置上产生1KG电磁力所用永久磁铁的重量达几吨,切割磁力线的线圈需要由吊车吊起,它的零位也需要调整。所以影响测量误差的因素相当多,对这些影响因素需要抑制、测试与补偿修正,以保证它们的测量都在所要求的测量精度范围内。NPL的研究开展了20余年,测得的H6626068911034,测量不确定度已达到了87108。1999年NPL11和NIST12的系统都作了进一步改进,估计H值的测量不确定度可望提高一个量级。1995年第二十届国际计量大会CIPM要求国际上有能力的科学研究机构从事KG定义更新的研究。为此,一些研究所对此进行了不同的新探索。瑞士国家计量科学研究所EAM进行了与NPL和NIST相同原理的研究,但并不是重复它们的实验。瑞士的比较质量为100G,因此它的装置大大地减小计量学报2001年4月140了,产生100G的感应电磁力的磁铁的重量只有几千克。目前EAM还没有确定是移动磁铁还是移动线圈,二者各有其优缺点。利用一套完整的滑动的机械装置可以准确地使线圈在永久磁铁磁场中作垂直运动。在瑞士的装置中,运动的部分与天平称重部分是完全分离的,天平的平衡状态不受干扰,所以由于天平臂转动造成的滞后效应可被消除。所用的比较天平是市场可购置的SARTORIUS或METTLERTOLEDO的01G比较天平,当然还要作一些改进。在实验中还有一个重要问题,即要准确地确定线圈的运动速度,为此,EAM与讷叶堡大学合作专门为这项目任务开发了一台激光干涉仪。为满足所需的3MMS的精度要求及对装置周围技术环境要求,希望能利用现有的技术手段来满足。特别是对温度的要求,由于装置变小,所以较易达到。瑞士的装置计划在2000年初投入运转,估计可将普朗克常数H的相对精度确定到优于1108。52磁悬浮实验此方法13本身也是基于机械功率与电功率的比较,只是利用了超导物理效应,比较物体是由超导材料制成的,可在超导线圈中悬浮着。线圈的磁通量变化能够准确确定,直到单个磁量子的变化。这个磁通量的变化作用在悬浮物体上,使其位置有一高低的变化,并通过激光干涉仪测出。当然,这里有个假设,即输入的能量全部转换为磁能和悬浮物体的势能。这样,这个物体的质量就可以溯源到普朗克常数H上。当然,人们也需要准确地知道装置所处位置的重力加速度G,其原理如图5所示。图5示出了两个电路一个是超导线圈的回路,通过的电流为IS,在这个回路中没有电压降。电流和超导磁铁磁通量密度的大小要能使比较超导物体处于悬浮状态,其悬浮高度ZL由激光干涉仪测出。另一个回路是供电电路,通过的电流为ID,ID由超导量子干涉器件SQUID控制,使ID严格地与超导电流IS相等。ID通过一个已知电阻R测出。在超导线圈回路中具有约瑟夫森器件JJ,它由FJ频率照射,可产生0或1的约瑟夫森电压UJUJFJH2EFJ018式中0是磁通量。在时间TTHTL内线圈中的磁通量由L变化为H,其变化量为FJT0。在这个时间内两个回路的电流也由IL升高为IH,由于磁通量的升高使悬浮物体位置由ZL提到ZH。在时间T内输入的能量全部由线圈的磁能量转换为悬浮物体的势能,在这种假设下可导出THTUJITDTHIHLIL2ZHZLMG19L测量是在悬浮物体处于不同高度时进行的。因为磁通量是从Z0即电流为零到悬浮物体悬起的全部积分,所以磁通量是完全知道的。电流也是通过量子化霍耳效应和约瑟夫森效应测出,这样质量M就可溯源到普朗克常数H上。这项实验在日本计量研究所进行。目前达到的测量不确定度为106,经过改进还可以提高。另外,俄国门捷列夫计量科学研究院也开始了这一研究。总结与展望6国际计量单位制中KG的定义必须更新。几种更新设想的探索都是把KG单位溯源到基本物理常数NA或H上。虽然有的实验已进行了二三十年,但距离实现更新目的还有一段研究路程。1998年在PTB制定阿伏伽德罗常数研究项目三年计划的研讨会上,有人希望到2001年能使NA的不确定度达到或优于5108。虽然,由WACKERSILTONIC专门提供阿伏伽德罗常数课题研究的单晶硅晶体4196904和4196905已经在均匀性和含其它原子等方面都相当完善了,但还存在晶体结构缺陷以及氧、氮和碳的含量,所以对单晶硅晶体的生长与加工方面还要进行技术改进与更新。特别是对氧化层的分析、测试和它对DD的影响必须了解清楚。另外还要达到表3给出的必须达到的测量不确定度指标。看来还需要再进行5年或更多时间的研究,才能实现利用阿伏伽德罗常数更新KG的定义。利用功率天平将KG溯源到普朗克常数H上的研究,如果方案可行,可能需要的时间还会更长一第22卷第2期赵克功更新计量基本单位KG定义的研究现状141些。因为,它牵连着国际计量单位制的更新10。这样更新的国际计量单位制,其计量基本单位只有时间单位秒S是一个唯一的具有实际装置的基本单位量,其它的是三个基本物理常数真空中光速值C0、普朗克常数H和电子电荷E。在这个基础上,国际计量单位制的其它单位如何导出、溯源等,要有一个整体考虑,所以需要时间。利用基本物理常数NA或H更新KG定义的方向是肯定的。为了消除存在系统误差的怀疑,在国际上应有三个以上研究所从事同一原理的独立研究。但它们的测量结果以及这些结果的国际比对和它们与原千克原器的比对的不确定度,要达到5108范围内。因此,希望在20102020年间国际计量大会能通过更新的KG定义。参考文献1234QUINNTJTHEKILOGRAMMTHEPRESENTSTATEOFOURKNOWLEDGEJIEEETRANS,1991,IM4081DAVISRSSTABILITYOFTHESIOFMASSASDETERMINANTFROMELECTRICALMEASUREMENTJMETROLOGIA,1989,2675MARTINJ,KUETGENSU,STUEMPELJ,ETALTHESILICONLATTICEPARAMETERANINVARIANTQUANTITYJMETROLOGIA,1998,35811DIFILIPPOF,NATARAJANV,BOYCEKR,ETALACCURATEATOMICMASSESFORFUNDAMENTALMETROLOGYJPHYSREVLETT,1994,7314811484BONSEU,HARTMANXRAYINTERFEROMETERJAPPLPHYSLETT,1965,6155156MARTINJISTSILICIUMZURNEUDEFINITIONDESKILOGRAMMSGEEIGNETRPTBBERICHT,PTBAPH34,SEPT,1999FRANKW,GOESELEU,MEHRERHDIFFUSIONINCRYSTALLINESOLIDSMMURCHGE,NOWICKASEDS,NYACADEMICPRESS,1984NICOLAUSAEINNEUESINTERFEROMETERZURDIMENSIONELLENMESSUNGEINERKGKUGELRPTBJAHRESBERICHT,1996,S233GLAESERMPROPOSALFORNOVELMETHODOFPRECISELYDETERMININGTHEATOMICMASSBYACCUMULATIONOFIONSJREVSCIINSTR,1991,622493赵克功二十世纪的度量衡二十一世纪的量子计量学A全国计量