NRLM和IMGC固体硅密度基准双边比对的评述

　　0　引言

　　通过多年对硅性质的研究,生产厂家已经逐步掌握了制做大尺寸(直径≥0.1m)、高纯净度单晶硅球的技术。在基本常数研究中,通过测量硅的晶格参数、分子质量和密度来确定阿佛加德罗常数。因此,硅晶体的密度十分重要。由于硅具有良好的稳定性,便于进行精密加工和光学抛光。可以通过绝对法测量出制作硅球的直径和质量,得到它的密度,从而建立密度基准。

　　意大利计量院(IMGC)和日本国家计量研究院(NRLM)分别于1988年和1991年建立了各自的单晶硅球固体密度基准。为了解目前双方密度基准的一致性;评估硅球作为基准在液体静力法中使用的可行性及为密度基准的准确性和稳定性提供试验依据,双方于1991年9月至1992年2月进行了一次固体密度基准的双边比对。

　　1　比对计划程序

　　比对中选用两个硅球:硅球的大小和表面品质相同,质量约为1kg,直径约9cm,选择球体是因为其表面积与体积比最小,并且没有易于损坏的棱角。IMGC的硅球Si2由澳大利亚国家测试实验室(NML)的光学车间生产。NRLM的硅球S1是在日本生产的,抛光工艺与NML的技术类似,比对计划如下:

　　2　IMGC的比对测量

　　1988年,IMGC对硅球Si2的体积进行了两次完全独立的测量,随后按照空气折射因子对数值进行了修正。这次比对,Si2的体积是根据1988年的测量值按ITS-90修正,最终值为426.560076cm3,总不确定度为0.38×10-6。

　　此次比对,IMGC没有进行绝对法体积测量,但是为了进一步验证1988年测量值的可靠性,IMGC和NRLM使用各自的激光干涉仪对硅球Si2上相距42°的两条直径分别进行了测量,完成了直径测量的比对实验。

　　IMGC确定条纹数的方法是基于固定基准长度板静态条纹的角度扫描,这种方法的优点是可以适用于两种不同结构形式的干涉仪(球体位于基准长度板内、外)。因此一个直径可以通过对两个小间隙和基准长度板的连续测量得到。基准板长度(E,由对称的两侧1、2测得)与两个小间隙和(d1+d2)之间的差值作为测量的直径时,消除了干涉条纹测量中很大一部分系统误差,所采用的测量方式为(d1,d2,d2,d1,E1,E2)。因此,以上测量结果的不确定度包含基准长度板的测量。

　　以硅球Si2为体积参考标准,用液体静力法测得硅球S1的体积。虽然1988年,已经测量出Si2的质量,但为了达到更高的精度,用液体静力法将硅球Si2、S1在空气和水中分别进行称量。近几年改进了所有的仪器和测量步骤。

　　将一台1kg单盘天平改造为全自动测量系统,其中将横梁改为随动装置,建立一个交换机构如图1所示。由计算机程序控制称量过程和数据采集,这套系统可用于空气及液体中称量。第三个硅球Si1参与了所有的称量过程,以增加额外的数据信息。