精细结构常数测量关键技术及电容基准的研究
2011年10月21日召开的第24届国际计量大会，从科学研究和计量发展的需要和目前的水平出发，提出建立新的国际单位制，采用基本常数来定义基本单位：用普朗克常数来定义质量单位“千克”，用基本电荷定义电流单位“安培”，用玻尔兹曼常数定义热力学温度单位“开尔文”，用阿伏加德罗常数定义物质的量的单位“摩尔”。国际单位制可以改变定义，但是不能改变它们的物理实质内容，这是保证生产、贸易和社会生活稳定所必需的。例如在现有单位制下的1千克大米，在未来的单位制下，还必须是“1千克”。为了做到这一点，必须在现有的和未来的单位制之间建立联系。国际计量界近年来的一项重要工作，就是在现有单位制下把基本常数测量准确，然后把它们作为未来单位制的定义基础。
为开展相关基本常数的研究， “十一五”国家科技支撑计划设立了“精细结构常数测量关键技术及电容基准的研究”项目， 课题负责人为中国计量科学研究院首席研究员陆祖良。课题研究内容包括计算电容本体、电容电桥、电容电阻电桥、激光测长四个部分，分别由黄璐博士、杨雁博士、赵建亭博士和钱进研究员负责。
精细结构常数与上述四个基本常数有重要的联系，对确定四个基本常数有重要的帮助。计算电容装置是电磁计量领域内除量子电压和量子电阻之外具有最高准确度水平（10-8）的装置。它本身是交流阻抗的计量基准。在电力行业、电子行业、家用电器、通讯设备的质量控制方面都有广泛的应用，对提高产品的国际竞争力具有重要作用。课题组建立了新型的立式可移动屏蔽电极型计算电容装置，复现1皮法（pF）电容单位的标准不确定度达到2.0×10-8，并与中国已经建立的量子霍尔电阻装置相结合，测量了精细结构常数，为确定四个基本常数供了重要的验证证据，也为应对国际单位制的重大变革打下了坚实的基础。
此外，课题组还实现了多方面的创新，例如提出了有我国特点的精密机械调整方法，实现了高精度的安装要求；通过实验验证了中国提出的电补偿法比国际通行的机械方法补偿效果高一个数量级；研制了能同步解调激光束调制频率的F-P干涉仪腔长伺服系统，将计算电容轴向长度锁定到633nm兰姆凹陷He-Ne激光半波长整数倍上，并以633nm碘稳定He-Ne激光波长标准进行实时校准，有效降低了激光测长的不确定度；提出一种电容电桥自动辅助平衡新方法，消除了辅助平衡的负载残余影响，提高了测量速度；提出了一种完全等电位屏蔽校验方法，实现了工作状态下感应分压器的高精度校验；实现了四端对阻抗的高精度测量；采用了计算电容单位复现的简便方法，代替了复杂的原有方法，过程简单、方便、快捷。
通过一系列创造性工作，中国计量科学研究院研制成功了立式可移动屏蔽电极型计算电容装置，建立了更高水平的交流阻抗计量基准，该装置可测量精细结构常数，为应对国际单位制的重大变革打下了坚实的基础。
