千克量值溯源自2月1日起啟用國際共識值

我國NIM-2能量天平為國際共識值確定作出貢獻(xiàn)

□ 李正坤 王 健

日前，國際計量局網(wǎng)站發(fā)文宣布開啟千克量傳新階段（Beginning a new phase of the dissemination of the kilogram），自2021年2月1日起，全球范圍內(nèi)質(zhì)量量值將溯源至國際共識值2020（Consensus Value 2020）。該國際共識值由國際質(zhì)量及其相關(guān)量咨詢委員會（CCM）千克量傳階段任務(wù)組（TGPfD）綜合2014年以來的3次測量數(shù)據(jù)得到。我國的NIM-2能量天平為國際共識值的確定作出了貢獻(xiàn)。

千克重新定義的背景

在2019年5月20日之前，質(zhì)量單位的定義和量值傳遞依賴于一顆保存于國際計量局（BIPM）的鉑銥合金圓柱體——國際千克原器（IPK）。這顆鉑銥合金圓柱體于1879年制成，并在1889年召開的第一屆國際計量大會上被批準(zhǔn)為國際千克原器。

隨著科技的進(jìn)步，特別是以原子鐘為代表的量子基準(zhǔn)取得的巨大成功，采用量子化的手段來定義和復(fù)現(xiàn)基本單位已經(jīng)成為計量發(fā)展的新趨勢。IPK作為一種實物基準(zhǔn)，100年間變化了約50微克，其不穩(wěn)定性已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代前沿科技和工業(yè)生產(chǎn)的需求。此外，實物基準(zhǔn)在遇到地震或戰(zhàn)爭等意外原因而受損后，其復(fù)現(xiàn)的量值將發(fā)生中斷。而量子基準(zhǔn)則不受此限制，可以依據(jù)其測量原理在任何時間、任何地點重建和復(fù)現(xiàn)。2005年，國際計量委員會（CIPM）建議采用普朗克常數(shù)重新定義千克，并號召各個國家采用不同方案對普朗克常數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。為此，國際上陸續(xù)提出了多種方案，其中占據(jù)主流的有基布爾天平、能量天平和X射線晶體密度法（硅球法）。

千克量傳新階段

2018年11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）通過了關(guān)于修訂國際單位制（SI）的“1號決議”，批準(zhǔn)采用普朗克常數(shù)對千克進(jìn)行重新定義，并于2019年5月20日在全球范圍內(nèi)正式實施，原本測量普朗克常數(shù)的測量裝置將轉(zhuǎn)為復(fù)現(xiàn)質(zhì)量單位千克。

原則上，自實施之日起，具備復(fù)現(xiàn)裝置的國家就可依據(jù)普朗克常數(shù)獨立復(fù)現(xiàn)千克。然而CCM認(rèn)為，國際科技數(shù)據(jù)委員會基本物理常數(shù)任務(wù)組（CODATA TGFC）在2017年為重新定義進(jìn)行數(shù)據(jù)平差處理時，各個國家的普朗克常數(shù)測量數(shù)據(jù)的一致性并不理想。在測量數(shù)據(jù)不一致性的問題得到解決之前，各國的裝置還不能直接用于千克的復(fù)現(xiàn)和量傳。因此，CCM決定，2019年由國際計量局（BIPM）組織各個國家進(jìn)行國際關(guān)鍵比對（CCM.M-K8.2019），這次比對的主要目的是評估不同測量裝置復(fù)現(xiàn)千克的一致性，并為計算第一個國際共識值提供依據(jù)。

目前，國際上從事千克復(fù)現(xiàn)方案研究的科研機構(gòu)有BIPM和14個國家計量實驗室，其中的7家實驗室共采用3種不同實驗方案參加了此次國際比對，即加拿大計量院、美國計量院、BIPM和韓國計量院采用功率天平方案，中國計量院采用能量天平方案，德國計量院和日本計量院采用硅球方案。

2020年10月，CCM千克量傳階段任務(wù)組根據(jù)2014以來的3次測量數(shù)據(jù)的平均值得到了用于千克量值傳遞的國際共識值，這3次測量數(shù)據(jù)分別來自2014年直接溯源至IPK的數(shù)據(jù)、2016年千克復(fù)現(xiàn)研究性比對數(shù)據(jù)和2019年首次千克復(fù)現(xiàn)方法國際關(guān)鍵比對（CCM.M-K8.2019）參考值，IPK的最新值為1kg-0.002mg，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.020mg。各個國家的測量和校準(zhǔn)能力（CMC）將根據(jù)IPK的新不確定度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。BIPM將通過溯源至普朗克常數(shù)的國際共識值為其成員國提供1kg鉑銥合金砝碼和不銹鋼砝碼的校準(zhǔn)服務(wù)。

千克重新定義和復(fù)現(xiàn)中的中國貢獻(xiàn)

為應(yīng)對國際單位制的重大變革，建成自主可控的千克復(fù)現(xiàn)裝置，我國于2006年提出能量天平方案。作為第三種獨立復(fù)現(xiàn)千克新定義的方法，能量天平的測量結(jié)果可與功率天平以及硅球法的測量結(jié)果相互佐證，為千克新定義實現(xiàn)以及質(zhì)量量值溯源由IPK到普朗克常數(shù)過渡提供精密的實驗驗證。中國計量院的NIM-2能量天平測量裝置自2013年中期開始研制，2017年實現(xiàn)了2.4×10-7的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，2019年實現(xiàn)了10-8量級的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并代表我國參加了BIPM主導(dǎo)的首次千克復(fù)現(xiàn)方法國際關(guān)鍵比對。中國計量院采用NIM-2能量天平裝置對兩顆比對樣品（1顆鉑銥合金砝碼和1顆不銹鋼砝碼）測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為5.2×10-8和6.5×10-8。經(jīng)國際計量局對各國的數(shù)據(jù)綜合評定，我國的測量結(jié)果與比對參考值（KCRV）的相對偏差為1.17×10-8，相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為4.49×10-8。

經(jīng)過10余年研究，我國獨立提出的能量天平方案的測量能力得到逐步提升，測量數(shù)據(jù)參與國際共識值的確定，進(jìn)而用于國際單位制新定義實施后全球質(zhì)量單位的量值傳遞。這標(biāo)志著我國研制的能量天平測量裝置的測量能力得到了國際計量委員會的認(rèn)可。中國計量院取得的這一研究成果，為建立我國自主可控的新質(zhì)量量值傳遞系統(tǒng)，奠定了堅實基礎(chǔ)。

《中國質(zhì)量報》