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國際計量單位「公斤」重新定義 工研院率先投入矽晶球質量新標準 接軌國際促進產業競爭力

工研院今(24)日舉辦「SI質量新標準-矽晶球歡迎儀式記者會」,宣布將投入全球最新的矽晶球法實現公斤新定義。(左起)標檢局副局長陳玲慧、標檢局局長劉明忠、德國聯邦物理技術研究院院長Joachim H. Ullrich、工研院院長劉文雄(右三)、工研院量測技術發展中心主任林增耀及德國聯邦物理技術研究院所長Frank Hartig。
工研院今(24)日舉辦「SI質量新標準-矽晶球歡迎儀式記者會」,宣布將投入全球最新的矽晶球法實現公斤新定義。(左起)標檢局副局長陳玲慧、標檢局局長劉明忠、德國聯邦物理技術研究院院長Joachim H. Ullrich、工研院院長劉文雄(右三)、工研院量測技術發展中心主任林增耀及德國聯邦物理技術研究院所長Frank Hartig。

與生活息息相關的計量單位-「公斤」在定義上將遇百年來重大變革!隨著量測標準日益精進及現有的標準「鉑銥公斤原器」潛藏著數十微克之質量漂移,國際度量衡局規劃以普朗克常數重新定義公斤。因應此全球新國際單位制的重大變革,工研院積極投入新公斤定義的研究與建置,並於今(24)日舉辦「SI質量新標準-矽晶球歡迎儀式暨技術研討會」,宣布台灣接軌國際,將投入全球最新的矽晶球法實現公斤新定義,並由德國聯邦物理技術研究院院長Joachim H. Ullrich親自來台遞交此新公斤質量傳遞的關鍵矽晶球,象徵開始新定義的里程碑。

工研院院長劉文雄表示,在經濟部的支持下,工研院過去三十多年來以量測標準能量維繫國家計量技術主權,維持國家最高計量標準,滿足國家於科技、產業、民生及安全之量測儀器追溯校正需求,使台灣產業符合國際標準並在國際間具有領導優勢。隨著國際基本單位的重新定義,工研院也將持續精進,投入矽晶球法之相關技術建置,以精準實現由普朗克常數所定義之公斤,確保國家最高量測標準及自主追溯。工研院一直以聚焦市場導向的研發、扮演產學研的橋樑與協助產業轉型升級為使命。而精準量測的品質是產業發展的基礎,我們有責任擔任橋樑,透過精準量測來作為產業轉型後盾,帶領國內的廠商走向工業4.0,迎向新藍海、提升台灣產業競爭力。

經濟部標準檢驗局局長劉明忠表示,2018年對計量領域而言,無疑是百年一遇的大挑戰,包括七個基本單位中即有公斤、安培、克耳文和莫耳四個基本單位將重新定義。它是人類社會運行的重要骨幹,從日常生活至尖端科技,幾乎沒有任何事不與國際單位制(SI)緊緊相連。為確保我國質量標準追溯不受新定義實施的影響,標準檢驗局強力支持工研院積極進行新公斤質量量測系統之建置,希望藉此協助推動高科技產業發展,掌握精密的量測數據,未來世代的工業4.0生產自動化、物聯網及大數據等嶄新技術,皆需要精準的量測來協助這些技術趨向更精密、更準確。

德國聯邦物理技術研究院院長Joachim H. Ullrich表示,德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,簡稱PTB)是全球聞名的計量和測試科研機構,主要進行計量學基礎研究和應用技術開發,與台灣國家度量衡標準實驗室有長期的合作。國際間最新國際度量衡委員會(CIPM)啟動質量新定義的研究,最大的特色是用更穩定的量子力學常數-普朗克常數(h)來重新定義「公斤」,來確保量測技術之穩定性,降低不確定度。且因應工業4.0及大數據時代來臨,對於精準量測的需求,藉由矽晶球法進行新質量標準系統之建置,預計於2018年11月之第26屆國際度量衡大會(CGPM)中通過國際計量單位新定義,並於2019年5月20日起正式實施,使國際間有共同一致標準。

工研院量測中心同時也為國家度量衡標準實驗室主任林增耀表示,目前各國國家計量機構主要採用兩種方法來實現質量的新定義,其一為瓦特天平法;另一方法為矽晶球法。矽晶球法為透過計數矽晶球中矽原子數量的方式來實現新公斤定義。取自自然界的矽經過純化、長晶、切割、研磨與拋光多道程序,製造出矽28純度超過99.99 %、直徑為93.7 mm且真圓度為數十奈米的完美球體,藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子,再乘以單顆矽原子平均質量,來準確計算出矽晶球的質量,並連結至普朗克常數。工研院採用矽晶球法來實現新公斤定義,以維持台灣的質量標準與世界各國的一致性。

林增耀進一步指出,由於隨著新國際基本單位定義發布,原實施我國質量最高標準之78號鉑銥公斤原器,將降為二級標準,因此,為了維持國家最高量測標準及我國計量主權,並與國際標準同等地位,確保我國質量標準追溯不受新定義實施的影響,工研院國家度量衡標準實驗室將採用矽晶球法直接實現以普朗克常數h重新定義之質量單位「公斤」,德製矽晶球日後將取代成為我國最原級質量標準,以確保公斤數值之穩定性,使台灣的質量標準與世界各國一致。

計量從古至今無所不在,與科技、產業、醫療及民生息息相關,目前科技與產業已朝高精密、高品質發展,量測計量單位成為重要關鍵,工研院更扮演基礎科學與產業間的橋樑,協助建立量測基石與產業標準。台灣有許多高科技產業,需要世界級的計量標準,國家度量衡標準實驗室早就做好準備,期望新公斤標準為台灣高科技產業在精度、誤差及良率等提供品質與追溯的保證,更可服務亞洲其他國家,促進台灣產業升級、提升產業附加價值。


【新聞連絡人】
工研院行銷傳播處 白蕙禎
電話:+886-3-5912888
Email:stacy.bai@itri.org.tw



【新聞小辭典】

1. 公斤重新定義
國際公斤原器(IPK)的質量是1公斤,我們可以透過質量比較法知道複製品與IPK之間的質量差值,決定出複製品的質量。但這個方法衍生出一個問題,若是IPK的質量起了些微的變化,那1公斤的標準也就隨之改變。IPK與他的6個複製品每隔一段時間就會進行質量比較,結果顯示他們之間的質量差值有逐年增加的趨勢。可是依據質量定義我們無法知道質量的改變是來自於複製品抑或是IPK,因此計量學家們決議以自然界不變量:普朗克常數重新定義質量。因此,國際度量衡大會(CGPM)宣布將在2018年發布全新的公斤定義,不再以實體器具作為標準,屆時,國際公斤原器將走入歷史。

2.矽晶球法
普朗克常數是一個物理常數,用來描述物理作用量之量化大小,在量子力學中佔有重要的角色。普朗克常數用以描述光子能量與頻率之間的關係,以及基本粒子物質波波長與動量間之關係。實現普朗克常數所定義公斤的方式有兩種,一種為瓦特天平法(watt balance),2016年則正式改名為「基布爾天平(Kibble balance)」;另一種為X光晶體密度法(XRCD method),又稱為矽晶球法,此方法亦為目前物量單位莫耳最準確的實現方法。矽晶球法透過計數矽晶球中矽原子數量的方式來實現新公斤定義。取自自然界的矽經過純化、長晶、切割、研磨與拋光多道程序,製造出矽28同位素純度超過99.99%、直徑為93.7 mm且真圓度為數十奈米的完美球體,藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子,再乘以單顆矽原子平均質量實驗數值(此數值與普朗克常數聯結),來計算出矽晶球的質量。

工研院率先投入矽晶球質量新標準,此矽晶球為矽28純度超過99.99 %、直徑為93.7 mm且真圓度為數十奈米的完美球體,藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子,再乘以單顆矽原子平均質量,來準確計算出矽晶球的質量。
工研院率先投入矽晶球質量新標準,此矽晶球為矽28純度超過99.99 %、直徑為93.7 mm且真圓度為數十奈米的完美球體,藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子,再乘以單顆矽原子平均質量,來準確計算出矽晶球的質量。