从水到单晶硅球：我国密度基准提升精确度
像大号黑珍珠似的单晶硅球静静地躺在隔振、恒温、洁净的国家固体密度基准实验室里。
通过创新长度极限测量方法，研究人员完成了对这颗大号“黑珍珠”密度的绝对测量，将我国固体密度基准从5×10-6提高至2×10-7。
这不仅结束了长期以来我国密度量值传递依赖纯水密度、无法有效实现国际接轨的历史；还实现了阿伏伽德罗常数（NA）测量重大技术突破，首次以“机械扫描”相移干涉法建立了硅球直径精密测量系统，填补了国际该领域空白。
为此，国际NA工作组主席Becker博士专程到访实验室，对该项目的技术创新给予高度评价：“这套基于新颖技术路线的硅球直径测量干涉仪对于支撑以硅球方案定义千克的下一步工作框架是非常重要的。基于独具特色的技术原理，该项工作实现了硅球直径不确定度的高可靠性评估，是一项杰出的科学成就。”
日前，这项由中国计量科学研究院罗志勇研究员领衔的国家重大基础研究专项——“测长方法创新及固体密度基准的建立”荣获国家科技进步奖二等奖。
———— 固体密度基准 ———— 基于纯水的液体密度基准已不能满足科学研究和精密工业需求
记者（以下简称记）：为什么要建立固体密度基准？
罗志勇（以下简称罗）：我国基于纯水的液体国家密度基准最高准确度仅可达到5×10-6，已不能适应量值传递、科学研究和精密工业对密度测量的需要，国际上几次密度比对都因我国只有液体密度基准而未获得参比资格。建立以绝对测量为基础、具有超高准确度的固体密度基准迫在眉睫。
记：除了科学研究，我们日常生活中哪些方面要用到高精确度的固体密度？
罗：密度测量准确与否直接关系到容量、流量、粘度、放射等相关学科的测量精度与发展，密度量值在全国范围内量值的准确和统一，直接影响到国防、科研、工业、农业、交通运输、文教卫生、环境保护、国内外贸易和人民生活，可以说直接影响到整个国家的经济发展。
比如说石油化工行业大宗的油料贸易。国际上进行贸易时是按照体积交接的，而体积跟密度有直接关系。相同体积的石油，其燃烧值在不同的温度下是一样的。如果没有高精确度的密度基准，容易发生贸易摩擦。平常我们看到的加油站，油料密度要根据天气的变化做修正，否则冬天的话加油站会亏。如果大家仔细观察，与密度密切相关的领域还有很多。
研究固体密度基准为什么选择单晶硅球
记：为什么选择球体作为固体密度基准测量对象？
罗：大家都知道密度等于质量和体积之比。我们国家已经有了高精确度的质量基准，只要测准物体的体积就可以得到高精确度的密度值。之所以选择球体，是因为球体是一维的，相对于其他几何形状而言，不仅容易加工，而且容易测量，只要准确测出球体的半径，就能准确测出其体积。
记：为什么选择单晶硅球的密度作为密度基准？
罗：因为硅，也就是单晶硅材料是非常标准的晶格排列，可以数原子数。而且单晶硅材料稳定、坚硬、经久不变，具有极好的材质均匀性和物理化学性能稳定性，即使因为某种原因遭到碰损、打碎，其密度值也不会改变，仍可以进行量值传递。
固体密度基准是研究阿伏伽德罗常数的关键装置
记：固体密度基准和阿伏伽德罗常数有什么关系？
罗：固体密度基准是研究阿伏伽德罗常数的关键装置。阿伏加德罗常数是一个将微观世界与宏观世界关联起来的基本物理常数。准确测量阿伏加德罗常数对国际基本单位——千克和摩尔的重新定义起着举足轻重的作用。目前，国际上阿伏加德罗常数的测定主要是根据完整晶格单晶硅的摩尔体积和单个硅原子的体积之比，通过准确测量单晶硅球的密度，单晶硅摩尔质量和晶格常数来实现。20世纪70年代以来，以建立固体密度基准、测量阿伏伽德罗常数为目标的研究一直是国际计量前沿领域的研究热点。
———— 四个重大突破 ———— 长度测量极限：实现亚纳米级的尺寸测量
记：您刚刚提到，本项目是以建立固体密度基准为出发点。但是项目获奖名称是“测长方法创新及固体密度基准的建立”，长度测量和建立密度基准有什么关系？
罗：在研究固体密度基准时，我们90%的工作是测长，就是测量单晶硅球的半径。这也是研究工作中最难的部分。在此之前，国际上对长度的测量普遍采用“激光变频”方法， 精确度只能达到纳米级。而建立固体密度基准，技术上则要求达到亚纳米级，这几乎是长度测量的极限。就好比我们平常生活中测长用的三角板，最多准确到毫米。如果要精确到微米，用三角板就不行了，必须采用新的、高准确度的测量方法或测量工具。
在研究中，我们提出了“机械扫描”相移干涉测长新方案，研制出一套硅球直径高准确度测量装置，实现了一种具有独立知识产权的超高准确度测长方法，技术潜力高出国际现有“激光变频”方法近1个数量级，为国际首创。
记：项目研究还有哪些主要创新点和重大的技术突破？
罗：首先，关键量——单晶硅氧化层厚度的精密测量方面。氧化硅层厚度测量是国际公认的技术瓶颈之一。因为硅球表面的氧化层一旦形成就非常稳定，厚度一般在3—7纳米，要进一步提高硅球直径的准确度就必须实际测量。我们在国际上首次提出了理论算法与光阑滤波相结合的技术方案，将确定度控制在小于0.05纳米的范围之内。
其次，信号去噪关键技术突破。干涉信号的准确采集直接决定直径测量准确度，我们实现了一种高效率噪声处理新方法，提高了信号测量准确度，为国际首创。第三，精密绝热控温技术创新。利用“温度补偿效应”和“相位叠加效应”，研制出温度稳定性显著优于国际同行的精密绝热控温系统。此项技术深得国际同行的肯定，基于此项技术还获得了发明专利。
———— 应用前景 ———— 提高我国特种工业领域国际竞争力
记：项目成果在推动科技进步和提高行业竞争力方面有哪些作用？
罗：首先，该项研究成果已在我国NA测量研究、国际合作研究、“压浮”测量研究及“移相干涉系统研制”等多项科学研究中得到实质性应用。其次，精密加工、精密制造和装配等行业是我国发展较的薄弱工业领域，该项成果的亚纳米级测长准确度，高出常规精密测量方法2个数量级，特别适用于这些领域的小尺寸样件或工件的微小变形、材料或工件热胀系数的精确测量。对于提高我国特种工业领域国际竞争力，推动整体科技能力提升具有重要意义。
精确测量海水密度 服务国防科技
记：除了这些应用，还有哪些潜在应用？
罗：所建立的固体密度基准在国防科技领域有着特殊的应用。例如，对海水密度的精确测量。海水密度对潜水艇升降沉浮有决定性影响，潜艇可以停泊在密度很大的水层(液体海底)之上隐蔽待命，而进入密度极小的水层(海中断崖)时则会急骤下沉。潜水艇如遇上由密度引起的波动就会剧烈颠簸，甚至失去控制。只有充分掌握海洋环境，特别是水下密度场的分布和变化规律，了解它们对潜水艇活动的影响，才能充分发挥潜水艇的战斗力。现代的科学技术对海水密度与海洋环境、气候关系的认识已经完全定量化。为实现对海洋环境的研究和对海洋气候的预测要求对海水密度的测量精确到10-6—10-7。固体密度基准测量准确度已完全满足军工单位和科学研究对海水密度计标定需要。