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重新定義的緣由

國際單位制(International System of Units, SI) 成立於1960年,涵蓋長度、質量、時間、電流、溫度、物量及光強度七個基本單位。簡言之,現代社會中,從日常生活至尖端科技,幾乎沒有任何事不受SI的影響,是維持現代社會運行的重要骨幹。

由於量測技術的提升,從目前基本單位的定義上,發現到有矛盾現象或無法提高精密度等限制。因此,國際度量衡局 (Bureau international des poids et mesures; BIPM) 著手推動SI單位之重新定義,期使所有的單位均直接由物理常數來定義,以跟上時代的腳步,更貼近新的科技與產業。

2011年國際度量衡委員會 (Comité international des poids et mesures; CIPM) 提出了千克、安培、克耳文和莫耳等基本單位的重新定義,與相關物理常數的量測不確定現況。此一提案目前仍在CIPM檢討中,預期將於2018年第26次國際度量衡大會 (Conférence Générale des Poids et Mesures; CGPM) 上正式通過。

為因應這百年一遇「NEW SI」趨勢,協助國內計量標準技術與國際同步,國家度量實驗室在政府的大力支持下,積極進行相關新定義實現方法的建置工作,分述如下。

新公斤實現的方法__X射線晶體密度法

質量單位「公斤」目前定義為「國際公斤原器」(International Prototype of Kilogram, IPK)之質量,以鉑銥合金鑄造,是至今七個基本量唯一的人為物標準,目前存放於法國巴黎國際度量衡局(BIPM)中。然而人為物的穩定性隨時間的推移中,因諸多干擾發生了質量的變化,近130年來「國際公斤原器」質量已產生約50 μg的漂移,遠大於各NMI所宣稱之質量量測不確定度,我國NML 1 kg質量量測不確定度為32 μg,因此早於2004年國際度量衡委員會(CIPM)即啟動質量新定義的研究,研究發展至今將以更穩定的量子力學常數-普朗克常數h重新定義質量單位「公斤」,預計於2018年底之第26屆國際度量衡大會(CGPM)通過SI基本單位新定義取代現有定義,2019年5月20日質量單位將以新定義實施,屆時「公斤」將以普朗克常數h重新定義。

我國質量最高標準鉑銥公斤原器,IPK第78號複製品,於1995年5月購入,目前可達成自主追溯至SI基本單位,但隨著新定義頒布,實施我國質量最高標準78號鉑銥公斤原器將降為二級標準,為維持國家最高量測標準及自主追溯的國際等同地位,確保我國質量標準追溯不受新定義實施的影響,NML將實施建立新公斤質量量測系統建置,由普朗克常數h重新定義質量單位「公斤」,實現的方法有兩種,分別為瓦特天平法(Watt Balance)與X射線晶體密度法(X-ray Crystal Density method, XRCD method),其質量標準分別為瓦特天平及矽晶球。NML規劃採用矽晶球(如下圖)取代目前的公斤原器,為我國質量原級標準。

符合國際規範的新質量實驗室建置

新公斤質量量測之傳遞須進行矽晶球表面層質量分析、標準件吸附效應分析以及質量導引工作,此高精度質量量測易受到環境的干擾而使量測不穩定,故為確保NML實驗室具備實現新公斤質量量測標準之能力,量測中心16館地下室B09、B10、B11及B12將進行新質量量測實驗室建置工程。實驗室建置環境條件須符合國際規範OIML R111 E1等級法碼之量測條件,量測期間環境溫度須維持在20.0 ℃,溫度每小時變化量不超過0.3 ℃;相對濕度維持在40 %至60 %;空氣密度須保持在(1.2 ± 10) kg m-3,因此實驗室需量測控制二氣化碳濃度及大氣壓力以估算空氣密度。另精密質量量測對震動的干擾極為敏感,量測期間應隔絶週遭不穩定傳來的震源,如附近車輛經過、周圍物品搬運或人員的走動等,突然傳來不同的震源變化都可能會影響量測結果。為了使質量量測於穩定的環境條件下進行及實驗室震動干擾達到Vibration free要求,各國NMI於質量量測時皆會控制實驗室環境條件及實驗室人員的進出,並遠離外界干擾源,以及規劃質量實驗室地下結構以滿足量測需求。

對於隔絶週遭震源,各國質量實驗室皆安排在地下室,並於地底下設計獨立隔絶週遭干擾的石塊,此石塊與實驗室走道地板無接觸,質量量測儀器設備置於此石塊上方。美國NIST質量實驗室地下設計,在地下建立防震基礎台、彈簧隔離基床及隔離石台,地底下挖深度2.2 m,安裝區域與大樓地板分離;德國PTB新質量實驗室地下設計,在地下建立獨立的混泥土塊、隔震彈簧及填砂,地底下挖深度2 m,安裝區域亦與大樓地板分離;芬蘭MIKES質量實驗室地下設計,地下設計單獨水泥地基、空氣彈簧、水泥塊及鋼架,安裝區域亦與大樓地板分離,牆壁加設計一空氣間隙隔離附近震源,芬蘭地下的設計與我國NML小質量實驗室地下設計相近,但空氣彈簧易隨時間老化變形且脆裂,故NML新質量實驗室設計將參考德國PTB作法,於地底下製作混泥土塊並加密度大於2.8 g cm-3之花崗岩石塊,

NML XRCD新公斤質量實驗室建置已於107年2月開始動工,預計107年8月底完成,未來實驗室建置完成將進行XRCD新公斤質量各項實驗測試及系統評估,預計108年完成NML新公斤質量量測標準建立並維持我國質量自主追溯的國際等同地位。

Silicon sphere

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