高精度标准单晶硅球直径测量系统的研究

　　当前, 质量单位千克是国际单位制现有7 个基本量中唯一用实物复现的基准, 而千克原器在1889年至1989 年的100 年里质量变化了约50 Lg( △m/ m U≈5 x 10- 8 ) , 已满足不了当今工业、科学技术发展的要求, 需要利用基本物理常量或原子物理特性来重新定义。实现质量自然基准的主要方法目前有3 种[ 1-2] : 移动线圈功率天平(Wat t Balance) 测量普朗克常数h; 离子收集法( Ion Accumulat ion) ;X 射线单晶密度法( X-Ray Crystal Density, XRCD)测定阿伏伽德罗数NA[ 3] 。

　　根据定义, 为准确测定N A 的大小, 需要对质量为1 kg 的标准单晶硅球体积( 直径约931 6 mm) 进行精密测量[ 4] 。选用单晶硅作为研究阿伏伽德罗常数的材料是因为其具有独特的性能且生长、加工工艺较为成熟, 而球体表面圆滑, 没有棱角, 不会碰掉任何的尖锐物。在直径测量采用的干涉原理方面,目前国际上有两种主要的类型: 平面波前激光干涉法[ 5-7] 和球面波前激光干涉法[ 8-9] 。

　　我国建立的高精度硅球直径测量系统采用的是平面波前激光干涉法, 其直径测量的准确度直接决定着阿伏伽德罗常数的测量不确定度。本文论述了高精度标准硅球直径测量系统的测量原理和方法,对系统重要组成部分进行了深入分析, 并给出了重要的实验结果。

　　1 直径测量原理

　　标准硅球直径测量的基本原理如图1 所示, 其中虚线框代表真空腔。硅球放置于由两块石英玻璃板组成的Fabr y-Per ot 标准腔内, 从高稳频He-Ne激光器发出的激光经扩束准直后被分成相对传播的两路, 并沿硅球直径方向垂直入射石英标准板内表面。对于每一路光而言, 由标准板内表面及相邻硅球表面反射回来的光发生干涉, 产生的圆环干涉图像由CCD 图像传感器接收并记录。利用相移发生系统得到多幅不同的干涉图像, 进而对图像中的干涉圆环中心进行提取并分析, 最终计算得到标准硅球直径的大小。图1 中633 nm 的He-Ne 激光为主光源, 594 nm 的H e-Ne 激光用于/ 小数重合法0 确定干涉条纹级次的整数部分。

　　2 直径测量系统分析

　　按系统各部分实现的功能主要可分为: 相移扫描系统、真空绝热及温控系统、硅球位置控制系统、Fabry-Perot 干涉系统、计算机控制及数据处理系统等。

　　2. 1 相移扫描系统

　　直径测量采用/ 压力扫描法0, 即利用/ 压力法0测量标准具间距L 和/ 扫描法0测定硅球与标准具的间距L1 和L2 , 进而求得硅球直径D= L - L1- L 2。

　　( 1)/ 压力法0测标准具间距L

　　为了采用扫描相移的方法来精确测量标准具间距, 腔长可变式Fabry-Pero t 标准具是实现压力法的关键。图2 中, 当位于A 点的PZT 向经过精心设计的石英标准具施加均匀压力时, 标准具腔长( BB间距) 会随着压力的改变而改变, 其变化量由位于C 点高精密电容微位移传感器( 德国PI 公司E-509C2A, 分辨率为01 1 nm) 精确测得[ 10] 。