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标准及校正实验所的早期历史

标准及校正实验所的成立过程(1977年至1984年)

昔日香港(1970年代) 昔日香港(1970年代)

香港工业在1977年前的数十载发展蓬勃,惟直到1977年,本港仍未设有计量基础设施,而此情况亦受到对计量标准有认识的社会人仕关注。前天文台台长钟国栋先生(Mr Gordon Bell)便曾于1977年的报告中表示,「在欠缺本地机构协助维持及认证测量标准的情况下,香港的制造业和商业仍然能发展成熟,实在令人惊讶。」

在1960年至1978年期间,本港经济每年的增长率平均约达9%。不过,有关增长的工业基础狭窄,仅仅来自三类主要产品,即(i)纺织及成衣产品、(ii)电气和电子产品,以及(iii)玩具及塑胶制品,而这种情况已经持续多年。1977年,香港政府成立经济多元化咨询委员会,研究促进工业多元化的方法。

该咨询委员会在其1979年发表的报告书中建议,「政府应在可行情况下,致力尽快成立一所基准实验所,该实验所初期应提供有关电力及电子的标准及在日后能扩展至其他领域,设立更多标准。政府的另一政策目标,是应为香港与其他地方设立的基准,建立两者之间的可比性,并为多个提供专项校正服务的二级实验所制订认可和监察制度,藉此建立基准与制造业和品质认证机构之间的联系。」

与此同时,香港政府于1978年委聘英国国家物理实验所的Mr CH Dix进行顾问研究,检讨为支援电子/电气产品业界而提供电力测量标准及校正服务的情况。顾问报告同意有需要作出相关安排,并勾画了实验所的可行组织架构。

在考虑顾问研究、深入检讨香港多年来对各项标准及校正服务的需求,同时顾及可对香港的产业多元化以至未来贸易情况造成重大影响的经济因素后,政府在1980年决定成立标准及校正实验所。相关的筹备工作由Mr Brian Tyler领导,他其后并出任标准及校正实验所的首任主管。

1984年,香港政府辖下的标准及校正实验所正式成立,隶属前工业署(早前由前工商署分拆出来),初期负责进行电力和温度测量工作。

与标准及校正实验所在1980年至1984年成立期间相关的两个部门 与标准及校正实验所在1980年至1984年成立期间相关的两个部门

 

标准及校正实验所在1980年代出版的小册子 标准及校正实验所在1980年代出版的小册子

 

标准及校正实验所设立时间和频率标准

标准及校正实验所在1990年代初期使用的时间和频率标准 标准及校正实验所在1990年代初期使用的时间和频率标准
标准及校正实验所使用的HP5061A型号铯原子束频率标准及美国国立标准检定局就其发出的首份校正报告
标准及校正实验所使用的HP5061A型号铯原子束频率标准及美国国立标准检定局就其发出的首份校正报告
标准及校正实验所使用的HP5061A型号铯原子束频率标准及美国国立标准检定局就其发出的首份校正报告

标准及校正实验所最早设立的其中一项标准,是用作时间和频率标凖的铯原子钟。首个HP5061A型号铯原子束频率标准购于1983年,另一个相同型号的标准则添置于1991年。HP5061A型号标准初期由美国国立标准检定局(现称美国国家标准及技术研究所)进行校正。

标准及校正实验所于成立初期,利用Austron 2100型号「罗兰-C」(LORAN-C)授时接收机,透过接收从日本冲绳庆佐次信号站发出的罗兰-C信号(群组重复周期(GRI) 99700;该信号站已于1993年关闭),使HP5061A型号铯原子束频率标准达致与美国海军天文台的协调世界时(UTC)同步。罗兰-C信号的载波频率为100 kHz。

日本冲绳庆佐次「罗兰-C」信号站(群组重复周期 99700) 日本冲绳庆佐次「罗兰-C」信号站(群组重复周期 99700)
Austron 2100型号「罗兰-C」授时接收机 Austron 2100型号「罗兰-C」授时接收机

1986年,标准及校正实验所的频率测量服务获英国国家计量认可服务处(NAMAS)认可,频率标准的准确度达5 x 10-12。从当时开始,标准及校正实验所的频率测量通过日本冲绳庆佐次的「罗兰-C」信号站,链接到UTC(TKO),再通过GPS共视法比对链接UTC(NPL),从而溯源到英国国家物理实验室(NPL)。(UTC(TKO):在东京天文台的协调世界时)

1989年,标准及校正实验所购入Allen Osborne公司的TTR-5A型号单频道全球定位系统(GPS)接收机。1992年,标准及校正实验所开始参与GPS共视法比对的工作。1992年8月,协调世界时(UTC)与UTC(SCL)同步的结果首次刊载于国际计量局出版的《时间公报》(Circular-T)。自1993年起,标准及校正实验所的频率测量可直接溯源至国际计量局。由1995年起,标准及校正实验所开始以更先进的HP5071A型号标凖取代HP5061A型号标凖。

Allen Osborne公司的TTR-5A GPS接收机 Allen Osborne公司的TTR-5A GPS接收机

标准及校正实验所设立质量标准

1980年代后期标准及校正实验所辖下的质量实验所 1980年代后期标准及校正实验所辖下的质量实验所

标准及校正实验所在1986年着手成立质量实验所和长度实验所。在1993年以前,标准及校正实验所采用的质量参考标准,是由英国国家物理实验所进行校正的一套标准砝码,而当时进行的质量测量,可以通过英国国家标准溯源至国际千克原器。

从1889年至2019年5月20日,作为国际单位制基本单位的千克,被定义为由国际计量局保存的国际千克原器的质量。 国际千克原器是一个由90%的铂和10%的铱制成的圆柱形合金。 国际千克原器大约有一百多个复制品,被分发给了国际计量大会(CGPM)的成员,作为其质量的参考标准。

1990年,标准及校正实验所决定为中国香港引进国际千克原器复制品,遂于1990年5月15日致函国际计量局,「……本实验所目前采用的质量参考标准,是可直接溯源至英国国家物理实验所的一千克不锈钢砝码,该不锈钢砝码已由该实验所核实至±50 µg(两个标准差)。本实验所内部使用的质量比较器(Mettler HK1000)测量一千克时所得的标准差为10 µg,……如可取得国际计量局以铂铱制成的一公斤标准器物作为参照,本实验所的测量能力将会显著提升。」

标准及校正实验所于1990年5月23日收到国际计量局的回复,反应非常正面。该局原则上同意在完成第三次定期核查工作(在1988年至1992年期间进行)后,便会向中国香港提供国际千克原器的复制品。此定期核查工作从1889年开始的一百年间只进行了3次(1899至1911,1939至1953,1988至1992),标准及校正实验所能在合适时机提出请求,实属幸运。

标准及校正实验所最终在1993年4月19日收到国际千克原器第75号复制品。

国际千克原器第75号复制品,现存放于标准及校正实验所。
国际千克原器第75号复制品,现存放于标准及校正实验所。

标准及校正实验所设立温度标准

1980年代时标准及校正实验所辖下的温度实验所 1980年代时标准及校正实验所辖下的温度实验所

「开尔文」是国际单位制(SI)下热力学温度的基本单位。要准确测量热力学温度是十分困难的,因此利用铂电阻温度计等作测量器的实用温标便被采用,令使用更为容易及测量结果更为精确。首个国际温标(International Temperature Scale)于1927年被采用,并于1948 年被修订为IPTS-48及于1968年再被修订为IPTS-68,其后更于1990 年被修订为《1990年国际温标》(ITS-90)。标准及校正实验所于1984年成立温度实验所时顺理成章采用IPTS-68,其后于1990年1 月1日改用ITS-90。

在13.81 K至630.74 °C的范围内,可透过铂电阻温度计复现IPTS-68。对于0 °C以上的范围,铂电阻温度计可透过水的三相点(0.01 °C)、锡的凝固点(231.9681 °C)及锌的凝固点(419.58 °C)来进行校正。在1980年代,因锡点及锌点标准尚未设立, 标准及校正实验所的铂电阻温度计是送交英国国家物理实验所负责校正。

标准及校正实验所自1984年起分别设置了两个水的三相点容器,用于测量铂电阻温度计在0.01 °C的电阻,以计算获得R(0 °C)的数值并套用于IPTS-68的参考方程式。1987年,标准及校正实验所向英国国家物理实验所分别购买一个锡凝固点标准和一个锌凝固点标准,这些凝固点标准原先拟用作按照IPTS-68校正铂电阻温度计的基准,但有关计划因实施ITS-90而押后。

水的三相点容器 水的三相点容器
锡凝固点或锌凝固点的测试炉 锡凝固点或锌凝固点的测试炉
锡凝固点或锌凝固点的测试炉 1987年购买的锡凝固点标准

在1990年ITS-90取代了IPTS-68,其中的重大改动包括采用另一套新定义的温度固定点,标准及校正实验所透过设立下列固定点来复现ITS-90。自此,标准及校正实验所便利用这些温度固定点校正本所的标凖铂电阻温度计,以便溯源至ITS-90。

  • 氩的三相点 (-189.3442 °C)
  • 汞的三相点 (-38.8344 °C)
  • 镓的熔点 (29.7646 °C)
  • 铟的凝固点 (156.5985 °C)
  • 锡的凝固点 (231.92 °C)
  • 锌的凝固点 (419.527 °C)
  • 铝的凝固点 (660.323 °C)
  • 银的凝固点 (961.78 °C)
用于复现ITS-90的多个温度固定点
用于复现ITS-90的多个温度固定点
用于复现ITS-90的多个温度固定点
用于复现ITS-90的多个温度固定点

标准及校正实验所设立电磁学标准

1980年代时标准及校正实验所辖下的直流实验所 1980年代时标准及校正实验所辖下的直流实验所

自标准及校正实验所在1984年成立以来,其电压单位一直有赖一套12枚放置于温控箱的韦斯顿电池来维持。直到1993年,标准及校正实验所的「伏特」(电压单位)溯源至英国国家物理实验所。每隔半年, 标准及校正实验所会以人手运送方式,将两枚「可运送电压标准」与英国国家物理实验所作出互换,以维持伏特的可溯源性。在这段期间,标准及校正实验所的伏特每年出现的漂移少于0.6 x 10-6

标准及校正实验所沿用至1993年的电压标准 标准及校正实验所沿用至1993年的电压标准

1993年,标准及校正实验所引进了1伏特的约瑟夫森结阵电压标准,并于1995年将其提升至10伏特。此电压标准购自美国,其生产不单按美国国家标准及技术研究所的设计进行,系统配备的阵列芯片亦由该研究所制造,通过电脑界面操作系统的「NISTVOLT」软件也由该研究所开发。标准及校正实验所于1993年后进行的电压测量均可溯源至这个系统。

标准及校正实验所在1990年代中期使用的约瑟夫森结阵电压标准 标准及校正实验所在1990年代中期使用的约瑟夫森结阵电压标准

自1984年起,标准及校正实验所存备一套在控温油槽使用的标准电阻器,其电阻由1 mΩ至10 MΩ不等(其后更扩展至10 TΩ),作为本港的电阻参考标准。为建立电阻的可溯源性,标准及校正实验所定期向英国国家物理实验所送交三个电阻分别为1 Ω、1 kΩ和10 kΩ的标准电阻器进行校正,并通过替代方法,运用此三个标准电阻器重新厘定其他标称值的标准电阻器。

标准及校正实验所放置于控温油槽的标准电阻器
标准及校正实验所放置于控温油槽的标准电阻器
标准及校正实验所放置于控温油槽的标准电阻器

2001年,标准及校正实验所建立了量子霍尔电阻标准(QHRS),以复现电阻单位。该系统的组件包括一个电磁铁、两组量子霍尔效应样本、一条氦-3可变温度样本插管,以及一个超低温电流比较仪电阻桥。该系统在2001年后成为本港电阻测量的溯源源头。

标准及校正实验所在2000年代初使用的量子霍尔电阻标准
标准及校正实验所在2000年代初使用的量子霍尔电阻标准
标准及校正实验所在2000年代初使用的量子霍尔电阻标准

标准及校正实验所设立长度标准

复现国际单位制长度的基本单位米的其中一种方法是利用频率f的平面电磁波在真空的波长。标准及校正实验所选取了以碘稳频氦氖激光器产生、频率473.612 THz、对应波长633 nm的标准频率来复现米。

1998年,标准及校正实验所向英国国家物理实验所引进一部633 nm的碘稳频氦氖激光器,作为中国香港的长度基准。

标准及校正实验所的碘稳频氦氖激光器 标准及校正实验所的碘稳频氦氖激光器