杜曉爽胡毅飛馮英強諶 貝曾 吾費 豐李 瑋屠治國楊曉偉翟玉衛(wèi)郝新友

（1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095；3.中國電子科技集團公司第四十一研究所，青島 266555；4.中國原子能科學研究院，北京 102413；5.北京東方計量測試研究所，北京 100086；6.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；7.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051；8.國防科技工業(yè)顆粒度一級計量站，新鄉(xiāng) 453019）

1 引言

計量是構(gòu)建一體化國家戰(zhàn)略體系和能力的重要支撐，是科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國防建設、民生保障的重要基礎。軍工計量作為國防科技自主創(chuàng)新的重要力量，是軍工產(chǎn)品量值的源頭，也是國家計量體系的重要組成部分。目前，隨著國際計量的量子化、數(shù)字化變革，計量標準器具量子化、量傳方式數(shù)智化與計量保障技術(shù)實戰(zhàn)化發(fā)展趨勢凸顯。

2 世界計量加速向量子化演進

計量量子化已進入一個全新的時代，量子化計量標準可隨時隨地復現(xiàn)更加準確、更加穩(wěn)定的量值。新的量子技術(shù)不斷涌現(xiàn)，核子鐘、單能伽馬射線產(chǎn)生、基于陷俘原子的微型透鏡、冷原子超高真空傳感器、量子功率、基于自旋電子學效應的微型太赫茲源、基于分離振蕩場磁共振量子效應的磁探測等量子技術(shù)獲得突破，將大幅度提高測量準確度和穩(wěn)定性，不斷推動新型量子傳感器在計量基標準中應用。

2.1 基于輕元素的質(zhì)子俘獲產(chǎn)生單能伽瑪射線誘發(fā)正電子壽命譜技術(shù)取得新進展

印度巴巴原子研究中心（BARC）與德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）采用19F（1H，α）16O 質(zhì)子捕獲核反應研究方案，在印度BARC 折疊串聯(lián)離子加速器上以4 MeV 的質(zhì)子束流轟擊聚四氟乙烯靶，產(chǎn)生（6～7）MeV 的單能伽瑪射線，射線束尺寸3.5 cm2×3.5 cm2，穿透深度達厘米級，靈敏度和重復性良好。以此在德國HZDR 的ELBE 直線加速器（LINAC）設施上，以厘米級尺寸金屬和聚合物為基礎材料，成功實現(xiàn)正電子湮沒壽命譜測量，獲得材料內(nèi)部原子級別缺陷尺寸、濃度和類型的分析數(shù)據(jù)，測量原理示意圖如圖1 所示［1］。該技術(shù)可有效提升正電子譜學在大尺寸材料中原子級別缺陷及殘余應力的探測分析能力。

圖1 基于聚四氟乙烯靶的質(zhì)子俘獲產(chǎn)生單能伽馬射線誘發(fā)正電子壽命譜測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement of positron lifetime spectra induced by single-energy gamma rays generated by proton capture based on PTFE target

2.2 基于量子效應的量熱技術(shù)在放射性活度測量方面取得新進展

美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）與Losalamos 國家實驗室合作，借助超導邊緣傳感器（TES）和磁性微量熱儀（MMC）等超冷傳感器對熱脈沖的極高靈敏度，實行True Bq 計劃，對放射性活度的關鍵參數(shù)實現(xiàn)量子化，并集成在芯片內(nèi)［2］，如圖2 和圖3 所示。放射性核素可以通過它們的衰變能譜（DES）特征進行識別和量化，檢測效率高，預計α衰變可達到100%。法國亨利貝克勒爾實驗室（LNHB）和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）聯(lián)合研制的金屬磁量熱計，該裝置采用兩級超導量子干涉設備（SQUID），減少測量回路的熱污染，可使探測器的溫度穩(wěn)定在7 mK，從而還原β 譜［3-7］。

圖2 美國NIST 的True Bq 計劃原理圖Fig.2 Measurement outline of True Bq project by NIST

圖3 MMC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of internal structure of MMC

2.3 實用化量子重力梯度儀面世

英國伯明翰大學研制基于量子傳感器的重力梯度儀，可對垂直間隔1 m 的兩個超冷銣原子云進行差分測量，獲得當原子云落下時引力場的細微變化，從而獲取高精度數(shù)據(jù)，其不確定度達到2E-8 s-2，同時使未來重力勘測速度提高10 倍［8］，如圖4 和圖5 所示。此款量子重力梯度儀是全球第一個能夠滿足現(xiàn)實場景挑戰(zhàn)，并執(zhí)行高空間分辨力探測的儀器，極大提高了地質(zhì)地形圖的測繪工作效率。

圖4 量子重力梯度儀測量原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement principle of quantum gradiometer

圖5 量子重力梯度儀街區(qū)實地測試圖Fig.5 Photograph of quantum gradiometer street field test

2.4 美國NIST 制造出陷俘原子的微型透鏡

美國NIST 與美國天體物理聯(lián)合實驗室（JILA）的研究人員，在《PRX Quantum》期刊上發(fā)表論文《超表面透鏡光鑷中的單原子捕獲》，首次證明單原子捕獲可以通過一種新的小型化“光鑷”系統(tǒng)實現(xiàn)，使用激光束來抓取原子。使用了一個長約4 mm 的方形玻璃片，上面印有數(shù)百萬個高度只有幾百納米的“柱子”，它們共同充當了微小的透鏡，可以聚焦激光，以捕獲、操縱和成像蒸氣中的單個原子［9］，其原理示意圖如圖6 所示。與普通光鑷不同，超鏡頭可以在被困原子云所在的真空中進行操作，聚焦的光和單個原子之間的相互作用在多類型原子級實驗中有應用前景。

圖6 用光鑷誘捕的超表面透鏡原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of metasurface lens using optical tweezer trapping

2.5 基于金剛石氮空位色心的量子儀器研制成為熱點

金剛石中的氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心在室溫下顯示出優(yōu)異的光學性質(zhì)與量子相干性質(zhì)，可以用于測量磁場、溫度場、微波場，是量子傳感器領域的研究熱點。NV 色心作為量子磁傳感器，其突出的技術(shù)特點是可以實現(xiàn)較高的靈敏度。中國科技大學最新研究中實現(xiàn)0.2 pT／Hz1／2的磁場測量靈敏度［10］。NV 色心可穩(wěn)定工作在低溫4 K 到高溫1 000 K 的環(huán)境中，并且其自身產(chǎn)生的磁場在距離10 nm 處時僅為1 μT，因此對樣品的磁性特征幾乎無干擾。國儀量子（CIQTEK）、日本堀場集團（HORIBA）、瑞士Qnami 公司等分別研制了基于金剛石氮空位色心技術(shù)的量子測量儀器，包括量子鉆石原子力顯微鏡［11］、量子鉆石顯微鏡［12，13］等，其實物圖如圖7 和圖8 所示。其中國儀量子研制的量子鉆石原子力顯微鏡空間分辨率可達（10～30）nm，靈敏度小于2 μT／Hz1／2。

圖7 國儀量子研制的量子鉆石顯微鏡實物圖［12］Fig.7 Photograph of Quantum Diamond Microscope（QDM）by CIQTEK［12］

圖8 HORIBA 和Qnami 聯(lián)合研制的量子鉆石顯微鏡實物圖［13］Fig.8 Photograph of Quantum Diamond Microscope（QDM）by HORIBA and Qnami［13］

2.6 基于原子囚禁技術(shù)的小型化冷原子超高真空傳感器取得新進展

美國NIST 于2022 年完成了小型便攜式冷原子真空標準傳感器研制及性能試驗驗證，其計算機輔助設計圖如圖9 所示。該傳感器由堿金屬原子源布散器（AMD）和芯片級衍射光柵磁光阱（MOT）真空測量室兩部分組成，兩者之間由長度2.67 cm、半徑1.5 mm 的差分抽氣管道相連，由均勻分布在測量室周圍的6 組永久釹鐵硼磁鐵（N52 NdFeB）陣列產(chǎn)生的球形磁場俘獲傳感7Li 原子，磁場梯度為4.59 mT／cm，2 s 時間內(nèi)MOT 能夠俘獲的原子數(shù)為1E5 個，關閉激光后四極磁阱中囚禁的原子個數(shù)為1E4 個。該傳感器尺寸為15 cm ×35 cm ×50 cm，真空系統(tǒng)的容積約1.3 L。目前，該傳感器能夠測量的真空度下限為4E-9 Pa，不確定度為2.6%［14］。

2.7 基于單電子隧道效應的量子電流標準成為研究熱點

德國PTB 設計的量子電流源，最佳測量不確定度1E-6；法國量子電流輸出8 pA，不確定度4E-6。目前基于聲表面波搬運單個電子原理，在300 mK 實現(xiàn)了千兆赫茲的工作頻率，產(chǎn)生了nA 量級的量子化電流。同時，采用低溫電流比較儀將小電流溯源至量子電流上的研究工作也在同步開展［15，16］，基于單電子隧道效應的量子電流標準原理圖如圖10 所示。

圖10 基于單電子隧道效應的量子電流標準原理圖Fig.10 Principle of quantum current standard based on single electron runnel effect

2.8 歐洲聯(lián)合開展的量子電功率計量技術(shù)向?qū)嵱没l(fā)展

德國、西班牙、意大利等國家計量院共同開展量子電功率計量技術(shù)研究，設計和實現(xiàn)面向?qū)嵱没牧孔庸β蕵藴氏到y(tǒng)，其原理如圖11 所示。該系統(tǒng)可以產(chǎn)生幅度和相位可調(diào)的電壓和電流信號，施加到被測試的功率表上，并且使用感應分壓器進行電壓轉(zhuǎn)換，使用交流分流器把電流轉(zhuǎn)換為電壓。配備一個帶有多路復用器的采樣器，用于測量單次采樣運行，通過對采樣數(shù)據(jù)進行DFT 分析得到電壓幅值和相位。由交流電壓引入的不確定度優(yōu)于0.4 μV／V［17］。

圖11 德國PTB 量子電功率計量標準原理圖［17］Fig.11 Principle of quantum power standard by PTB［17］

2.9 基于里德堡原子相干效應的微波功率測量技術(shù)取得新進展

美國NIST 開展了基于堿金屬里德堡原子的微波功率測量方法研究，其原理如圖12 所示。將玻璃泡囚禁的堿原子激勵到里德堡態(tài)，利用里德堡原子的電磁誘導透明及Autler-Townes 效應（EIT -AT分裂）來進行微波功率的測量。由于具有豐富的里德堡態(tài)能級結(jié)構(gòu)，通過激光調(diào)諧選擇不同的里德堡態(tài)，可以實現(xiàn)覆蓋100 MHz～500 GHz 頻段范圍內(nèi)微波功率的精密測量［18，19］。該方法將微波功率量值溯源至原子能級躍遷相關的拉比頻率測量，具有測量頻段寬、靈敏度高、適用范圍廣等特點。

圖12 基于里德堡原子的微波功率測量原理圖Fig.12 Principle of radio-frequency measurement using Rydberg atoms

2.10 基于自旋電子學效應的微型太赫茲源取得新進展

德國哈勒大學和柏林自由大學研究人員提出了一種在片上實現(xiàn)定點輻射太赫茲電磁場的新方法。其將高功率飛秒光脈沖入射至磁性納米結(jié)構(gòu)上，激發(fā)鐵磁材料內(nèi)部的電子產(chǎn)生較強的自旋電流脈沖，再利用逆自旋霍爾效應將自旋電流轉(zhuǎn)換成太赫茲電流脈沖，其微觀結(jié)構(gòu)及電測量波形如圖13和圖14 所示。通過與金屬波導結(jié)構(gòu)相結(jié)合，成功實現(xiàn)了帶寬范圍超過10 THz 的片上太赫茲源定點輻射［20］。該研究成果可推動基于量子理論的太赫茲校準裝置片上集成。

圖13 自旋電子學太赫茲輻射源芯片微觀結(jié)構(gòu)圖［20］Fig.13 Experimental geometry for on-chip waveguide-based THz-pulse generation using spintronic THz emitters［20］

圖14 時間分辨電測量波形圖［20］Fig.14 Waveform of time-resolved electrical measurements［20］

2.11 光鐘網(wǎng)絡實現(xiàn)超穩(wěn)定自由空間鏈路頻率傳遞

澳大利亞西澳大學研究團隊克服了自由空間大氣湍流帶來的相位噪聲及振幅噪聲的影響，構(gòu)建了2.4 km 超穩(wěn)定自由空間激光傳遞鏈路，并實現(xiàn)光鐘頻率傳遞，在300 s 積分時間內(nèi)，頻率穩(wěn)定度可達6.1E-21［21］。該研究可應用于構(gòu)建自由空間光鐘網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于自由空間鏈路大氣湍流情況與地對空鏈路近似，因此該研究也為未來機載、星載芯片光鐘比對提供了技術(shù)參考。其鏈路示意圖如圖15 所示，藍色線代表參考信號，紅色線代表光學信號。

圖15 超穩(wěn)定自由空間激光傳遞鏈路示意圖［21］Fig.15 Simplified schematic of the phase stabilization system integrated with the optical terminal［21］

2.12 芯片級激光器研制技術(shù)獲得重大突破

哥倫比亞大學、上海交通大學以及塔夫茨大學的研究人員，共同設計出了一種全新片上集成芯片級激光器。該激光器真正實現(xiàn)了全模塊的微型集成，在極低空間占有率的同時，能夠大幅降低片上光源的設計成本。此外，該激光器也能夠在（404～785）nm 波段內(nèi)實現(xiàn)極快的調(diào)諧輸出，輸出功率為同類型研究的最佳水平［22-24］。激光器概念圖、激光器結(jié)構(gòu)示意圖、諧振腔性能表征圖、新型激光器的應用領域如圖16 所示。

圖16 片上集成芯片級激光器原理結(jié)構(gòu)及預期用途圖Fig.16 Principle structure and intended uses of chip-scale laser

2.13 約翰遜噪聲測溫標準芯片研制成功

美國NIST 研制了一款基于鈮的約翰遜噪聲測溫（JNT）芯片，如圖17 所示，該芯片具有10 個約瑟夫森結(jié)，可以產(chǎn)生具有兆赫茲帶寬的偽隨機噪聲源，從中確定約翰遜噪聲的熱力學溫度。采用被校準的電阻，通過測量約翰遜噪聲的方法，能夠用于研制精確的、適合在惡劣環(huán)境中應用的溫度測量儀器，可以實現(xiàn)（100～1 000）K 測溫范圍內(nèi)測量不確定度優(yōu)于5E-5 的指標［25，26］。

圖17 美國NIST 研制的約翰遜噪聲測溫芯片實物圖Fig.17 Photograph of Johnson noise temperature measuring chip by NIST

2.14 基于分離振蕩場磁共振量子效應的磁探測技術(shù)取得新進展

分離振蕩場磁共振量子效應現(xiàn)已成熟應用于原子鐘，使原子鐘的秒穩(wěn)定度提高到1E-16。近年來，歐美國家開始將該技術(shù)用于10 fT 級中子電偶極矩的測量。隨著激光技術(shù)在光泵磁強計的應用，促進了基于分離振蕩場磁共振量子效應磁探技術(shù)的發(fā)展。近年，由美國國防部和海軍研究辦公室資助，美國海軍航空系統(tǒng)司令部（Naval Air Systems Command）、麻省理工學院等單位開展了基于分離振蕩場磁共振量子效應的磁探測技術(shù)研究，研制了原理樣機，并開展了環(huán)境磁場測量［27］，分離振蕩場試驗結(jié)果如圖18 所示。

圖18 分離振蕩場試驗結(jié)果圖Fig.18 Results of separated oscillatory field

3 量傳方式逐漸向數(shù)智化轉(zhuǎn)型

近年來，國際上計量測試領域的數(shù)智化不斷取得新的進展，美國NIST、德國PTB、法國LNE 等計量機構(gòu)在數(shù)字證書、標準參考數(shù)據(jù)、人工智能評價、智能計量測試平臺等方面研究進一步深入并已逐步投入實際應用；國外先進公司以具體的應用為背景，發(fā)展了基于人工智能算法、無人裝備等的智能化測試技術(shù)，開發(fā)了一系列適用于不同工作模式的數(shù)智化產(chǎn)品，解決傳統(tǒng)測量存在的難題。

3.1 智能化機器人放射性巡檢儀及熱點成像技術(shù)取得新進展

英國蘭卡斯特大學研制了核設施退役用智能化中子、γ、β 射線巡檢機器人Lyra，通過深度學習算法可自主規(guī)劃路徑并定位放射源和核材料，通過線性回歸預測算法可實現(xiàn)輻射場熱點分布預測，測繪范圍22 m×22 m，測繪時間約1.5 h，輻射分布地圖分辨率5 cm，如圖19 和圖20 所示［28］。該工作入選《時代周刊》雜志2022 年最佳發(fā)明。長期以來，遺留核設施的退役一直是核工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。Lyra智能機器人解決了退役場所源項調(diào)查中高放環(huán)境下人工測量的難題，并且通過智能化算法，可以繪制輻射區(qū)域熱點分布圖，未來在核設施退役領域具有重要前景。

圖19 智能化中子、γ、β 射線巡檢機器人示意圖［28］Fig.19 Diagram of intelligent robot platform under neutron，γ and β ray［28］

圖20 JSI TRIGA Mark II 反應堆空間分辨γ 輻射熱點分布圖［28］Fig.20 Spatially resolved γ radiation data overlaid on an occupancy generated through SLAM at JSI TRIGA Mark II reactor［28］

3.2 人工智能技術(shù)的計量測試體系不斷完善

美國NIST 發(fā)布“人工智能風險管理框架（AI RMF）”，將可信度納入人工智能產(chǎn)品、服務和系統(tǒng)的設計、開發(fā)、使用和評估等環(huán)節(jié)［29］，如圖21 所示。德國PTB 聚焦人工智能可信性，并開展了重癥監(jiān)護人工智能系統(tǒng)的標準化質(zhì)量控制、生物醫(yī)學中機器學習模型解釋的理論與實踐、基于ML 的MRI 穩(wěn)健量化、基于人工智能和蒙特卡羅方法的劑量預測不確定性研究等項目。德國PTB、英國NPL 等計量機構(gòu)聚焦自動駕駛，提出現(xiàn)有的針對傳感器的計量測試能力無法滿足智能系統(tǒng)快速發(fā)展的需求，需從系統(tǒng)層考慮，進而為智能系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

圖21 美國NIST 人工智能風險管理框架圖Fig.21 Diagram of AI risk management framework（AI RMF）by NIST

3.3 法國LNE 針對智能系統(tǒng)開發(fā)通用基準并推出針對人工智能的認證服務

建立的人工智能評估平臺LEIA 可構(gòu)建沉浸式測量場景，通過大量測試評估智能系統(tǒng)在受控環(huán)境中的反應，推出的“人工智能”認證涵蓋所有人工智能系統(tǒng)，涉及系統(tǒng)整個生命周期中開發(fā)人員設置的所有流程，以確保經(jīng)過認證的AI 系統(tǒng)都根據(jù)相關領域的技術(shù)規(guī)則進行過評估［30］，其原理示意圖如圖22 所示。

圖22 法國LNE 的人工智能評估平臺LEIA 原理示意圖Fig.22 Schematic diagram of artificial intelligence evaluation platform LEIA by LNE

4 保障技術(shù)更加向?qū)崙?zhàn)化發(fā)展

國外軍事計量測試技術(shù)呈現(xiàn)出面向?qū)崙?zhàn)化的發(fā)展特點。例如針對隱身戰(zhàn)機、導彈的輻射特性參數(shù)、激光武器損傷特性參數(shù)、大型海軍艦船用兆牛米級超大扭矩標準、飛秒激光標記示蹤測速技術(shù)完成高超音速流場中邊界層測量等方面涌現(xiàn)出新技術(shù)和新手段，為高超武器性能測試、隱形戰(zhàn)機隱形導彈的攻防、激光武器損傷性能測試等武器裝備發(fā)展發(fā)揮了重要支撐作用。

4.1 基于紅外輻射特性測試評估的軍事應用近年來發(fā)展迅速

目前，世界局勢復雜，地區(qū)沖突頻發(fā)。戰(zhàn)爭中對于隱身飛機的偵察和打擊、導彈的預警和攔截，導彈的突防和隱身，都對其輻射特性的探測識別提出了迫切的需求。美國、俄羅斯、日本、加拿大等國家都建立了目標特性重點實驗室，國外許多紅外儀器公司也研制了用于發(fā)動機尾焰輻射特性測試的紅外熱像儀［31-36］，具有代表性的公司有加拿大Telops 公司、德國InfraTec 公司、美國FLIR 公司等，部分產(chǎn)品實物圖如圖23 和圖24所示。

圖23 加拿大Telops 紅外熱像儀實物圖Fig.23 Photograph of infrared thermal imager by Telops

圖24 德國InfraTec 線性高溫計LP4 實物圖Fig.24 Photograph of linear pyrometer LP4 by InfraTec

4.2 激光損傷計量技術(shù)成功應用于高能激光武器系統(tǒng)

在高能激光武器系統(tǒng)中要求光學表面的抗損傷閾值是一個非常重要的參數(shù)，決定了系統(tǒng)中元件材料的選用、鍍膜方法、輸出功率等。美國利夫莫爾實驗室（LLNL）為美國國家點火裝置研制了終端損傷在線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括望遠成像儀、成像儀定位器、控制軟件和光學檢測分析軟件四個部分，用做高能系統(tǒng)打靶后光學元件的常規(guī)測量，其原理如圖25 所示［37-40］。

4.3 德國在超大扭矩計量技術(shù)方面處于領先地位

德國PTB 已擁有最大量程的扭矩標準裝置為1.1 MN·m。目前，德國PTB 正在加緊研制5 MN·m扭矩標準裝置，裝置模型如圖26 所示，這是目前國際上量程最大的一臺超大扭矩標準裝置。主要為了滿足德國和歐共體等國家在大型渦輪渦扇裝置和大型能量發(fā)生裝置等的大功率動力裝備的技術(shù)發(fā)展需求，解決超大扭矩的高準確度量值傳遞難題［41，42］。

圖26 德國PTB 研制的5 MN·m 扭矩標準裝置模型圖Fig.26 Model graph of 5 MN·m torque standard machine by PTB

4.4 電子級超凈間粒徑譜儀校準裝置研制成功

美國NIST 和日本國家工業(yè)科學技術(shù)研究院（AIST）已研制了氣含納米顆粒分析儀校準裝置，如圖27 所示，并建立了量值溯源體系［43］。該裝置顆粒尺寸測量范圍（20～100）nm，顆粒數(shù)量濃度范圍（50～10 000）個／cm3（100 nm），能夠保證電子級超凈間空氣潔凈度監(jiān)測結(jié)果的準確可靠和有效溯源。

圖27 納米顆粒分析儀校準裝置實物圖Fig.27 Photograph of nanoparticle size analyzer calibration device

5 結(jié)束語

通過搜集、整理國內(nèi)外計量技術(shù)大量文獻資料，基于金剛石氮空位色心的量子磁場測量、基于單電子隧道效應的量子電流標準成為研究熱點，基于量子效應的量熱技術(shù)在放射性活度測量、基于里德堡原子相干效應的微波功率測量、基于分離振蕩場磁共振量子效應的磁探測技術(shù)取得新進展，小型化冷原子超高真空傳感器、芯片級激光器、約翰遜噪聲測溫標準芯片等研制成功，應用于高能激光武器系統(tǒng)的激光損傷計量、軍事應用的基于紅外輻射特性測試評估技術(shù)向?qū)嵱没l(fā)展，基于人工智能技術(shù)的計量測試體系不斷完善。歸納并分析出計量技術(shù)逐步向量子化、數(shù)智化和實戰(zhàn)化等方向的發(fā)展趨勢，可為計量測試技術(shù)發(fā)展提供借鑒。