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計量 | 重大變革!公斤等4個國際單位明年將重新定義

2017-06-01點擊:988


【核心介紹】影響了人類半個世紀的國際計量體系,將在2018年發生重大變革。利用量子技術與互聯網技術,國際單位制中科學家假設的數值,將全部改由自然界的基礎常數來定義。國際度量衡委員會(CIPM)的新草案一旦在明年的國際度量衡大會上通過,世界測量技術規則將被重構。  
影響了人類半個世紀的國際計量體系,將在2018年發生重大變革。利用量子技術與互聯網技術,國際單位制中科學家假設的數值,將全部改由自然界的基礎常數來定義。國際度量衡委員會(CIPM)的新草案一旦在明年的國際度量衡大會上通過,世界測量技術規則將被重構。
 
新舊國際單位定義對比
 
包括“千克”(質量)、“開爾文”(溫度)、“安培”(電流)、“摩爾”(物質的量)在內的4項國際單位定義在明年初改變,對計量學家是千載難逢的機會,卻急壞了臺灣媒體,因為臺灣引以為傲的IC半導體產業良率恐將大幅拉低。
 
 
為什么國際單位要重新定義?
 
國際單位制的核心是7個基本單位,即時間單位“秒”、長度單位“米”、質量單位“千克”、熱力學溫度“開爾文”、電流單位“安培”、發光強度單位“坎德拉”和物質的量單位“摩爾”。自1971年以來,這7個基本量,一直作為國際單位制的基本單位。
 
在7大國際單位制當中,有6個單位是由沒有實體的自然現象所定義,只有1個單位可以用實際物體來表示,那就是“千克”。定義千克的,是一塊放在法國巴黎近郊的國際標淮局(BIPM)保險箱的標準砝碼――國際千克原器(International Prototype of the Kilogram,簡稱IPK)。高爾夫球大小的IPK由90%鉑和10%銥打造,平時放在真空封存的三層玻璃罩內。全球還有許多IPK復制品,作為各國自己校正單位的標淮。
 
國際千克原器件
 
實物基準易受環境影響,巴黎的IPK已經微量發胖了,過去100年飄移了50微克,相當于一顆直徑0.4毫米的小沙粒,準確度產生偏差。預計到2018年第26屆國際度量衡大會,科學界將放棄末代小金屬圓柱,改用普朗克常數定義“千克”。
 
普朗克常數描述電磁波能量和頻率之間的關系(E=hν,其中,E是能量,ν是頻率和h是普朗克常數),但測量非常困難。也正是因為量不準的困難,質量單位一直無法自然定義。
 
任職于美國國家標淮與技術研究院(NIST)的物理學家史蘭明格(Stephan Schlamminger)團隊近期宣布,已取得初步成果:他們把已知質量的物體擺在瓦特天平(Watt Balance)的一端,另一端則對線圈施加電流產生機械力,與物體因重力下拉的力達到平衡。從電磁力算出普朗克常數的值后,再通過質能轉換公式E=mc2算出質量,精度可達3.4×10-8。
 
美國國家標淮與技術研究院的瓦特天平
 
該團隊預計2017年7月會再次公布他們獨立測量的結果。到2018年國際度量衡大會,從各團隊測量值中挑出最準確的最終值,IPK就可以退休了。
 
別的單位也將重新定義。如測量電流的單位“安培”,目前定義為:在真空中,截面積可忽略的兩根相距1米的平行而無限長的圓直導線內,通以等量恒定電流,導線間相互作用力在1米長度上為2×10-7牛時,則每根導線中的電流為1安培。
 
這樣假想的導線在現實中根本不存在,因此,也將改用可以真正被測量的基本電荷。現在的納米科技裝置已能計算在導線中流動的個別帶電粒子,所以可藉由電子的電荷量來重新定義安培。
 
同理,開爾文和摩爾,也將分別從水的三相點及相對原子質量,改由明確的波茲曼常數(Boltzmann constant)和阿佛加德羅常數(Avogadro constant)來定義。
 
科學家制造了世界上最精確的單晶硅球
 
另外幾項國際單位,未來也將變革。加拿大主導此項工作的計量學家史提爾(Alan Steele)說:“如果預想下一次重新定義,可能會以量子力學方法定義發光強度,秒的定義也許會從微波改成光學方式。不過這至少還要等15年,甚至可能更久。”定義的原則在于,無論是在地球上或在仙女座上,任何地方的智慧生物都能夠理解這些新單位。
 
 
臺灣半導體產業將受沖擊
 
面對即將到來的變革,臺灣卻沒有做好準備。臺灣倚仗的半導體業,由于制程精細,若出現單位制度上的誤差,很可能影響良率。
 
《中國時報》報道稱,若無法在明年跟上最新制度,對半導體業恐造成影響,因為化學溶液量測誤差會導致降低良率。提升檢測設備的費用高達6億臺幣,“經濟部標檢局”目前經費仍無著落。
 
 
隸屬臺灣“經濟部”的“國家度量衡標準實驗室”傳出消息,目前仍籌不到經費,無法跟進,千克量測校正標準將降為二級。這樣一來,將沖擊講求精準度的“納米”晶圓制程校正,生產機器、設備校正都會受影響,因國際標準拉高,相對地,臺灣半導體良率會被拉低。
 
臺灣標檢局官員指出,四項改變中最重要的是“千克”定義的改變。臺灣1995年引進IPK,放在新竹工研院的“國家度量衡研究室”。由于“經濟部標檢局”面臨“無錢可編”的窘境,將無法在明年跟上國際腳步。而在半導體制程中,晶圓表面的  清洗、蝕刻與研磨皆要仰賴特定化學溶液,這些化學溶液量測如果有一點點誤差,都會影響良率。
 
以先進的臺積電與聯電晶圓制程來說,良率均高達95%,新標準改變將被拉低多少良率?據臺灣標檢局官員分析,這將視不同生產線與產品而定,但千克新標準會比舊的精準2到4倍,將有一定程度影響。
 
 
大陸做好準備了嗎?
 
那么,面對明年的計量變革,大陸做好準備了嗎?可以說,關鍵技術已經有了突破。
 
據報道,今年3月,由中國計量院承擔的國家質檢總局科技計劃項目“高準確度真空質量測量系統的建立”項目通過驗收。項目首次在我國建立了最大量程1kg的高準確度真空質量測量裝置,真空質量測量重復性、靈敏度達到國際先進水平,成功解決了2018年國際質量單位千克重新定義后質量量值傳遞技術關鍵問題。
 
由于未來的質量單位將在真空中實現,而日常生活的質量工作標準――砝碼仍是在空氣中使用的,這給質量量值的傳遞方式帶來了一系列問題――除了需要將保存在真空中的質量標準傳遞到空氣中外,還必須對環境參數進行測量和實時修正。
 
從2013年起,中國計量院圍繞質量單位新定義之后質量量值傳遞關鍵技術開展了系列研究。經過多年努力,項目組在真空質量測量、真空質量標準的傳遞,以及異型砝碼表面吸附測量和修正等方面取得了一系列創新成果,建立了測量靈敏度優于0.1μg、滿載重復性優于0.47 μg、測量擴展不確定度25 μg(k=2)的高準確度真空質量測量裝置;形成了不同材料砝碼表面吸附率測量、不確定度評估和吸附修正,空氣密度測量,砝碼交換稱量等一系列具有自主知識產權的技術。
 
項目建立的高準確度真空質量測量裝置成功解決了砝碼真空質量測量時系統穩定性和保持高真空度之間的矛盾;采用的非接觸式分子泵散熱方法和多點位多參數循環監測方法,顯著提高了裝置的測量重復性和穩定性。此外,項目還實現了多種砝碼表面吸附與其逆過程的精確分析,吸附測量擴展不確定度0.0011 μg/cm2(k=2),達到了國際先進水平。
 
科學家早已開始行動,不過,相比臺媒的先知先覺,對世界測量技術規則的改變,相關產業如何應對,截止觀察者網發稿,大陸主流媒體并未進行專門報道和宣傳。

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