Метрологическое обеспечение нанотехнологий

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ярославский Государственный  Технический Университет»

Кафедра «Технология металлов»

Курсовая работа защищена

                                                                                       с оценкой ______

                                                                                       Руководитель,

канд. техн. наук

____Е.Ф.Трофимов

                                                                                        ___________2013 г.

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

ЯГТУ 200503.65. КР

Нормоконтролер                                                                    Работу выполнил

канд. техн. наук                                                                       студент гр. ЭСК-52

__Трофимов Е.Ф.                                                                ___Сулейманов Ю. Б.

______________2013                                                             _____________2013

2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Человечество по-настоящему может считать себя современной цивилизацией, если, помимо моральных и нравственных ценностей, оно будет иметь одинаковую для всех государств официально принятую систему измерений.

Исторически сложилось так, что  оторванность стран и регионов мира друг от друга, неравномерность и особенности развития привели к тому, что люди разрабатывали и пользовались разными системами измерений физических величин. Но по мере развития техники, международной торговли и гуманитарных отношений возникла настоятельная необходимость одинакового и точного представления о пройденном пути, о расстоянии между городами, о площади земельных участков, о весе и объемах товара, о сроках их поставки и многом другом.

Системы измерений совершенствовались, некоторые из них имели достаточно широкое распространение, но только во Франции в 1795г. впервые была разработана система мер, которая не носила сугубо национальный характер и со временем могла быть принята в качестве международной. По предложению крупнейших французских ученых за единицу длины метр – была принята десятимиллионная часть ¼ длины парижского географического меридиана. Система измерений была названа метрической системой мер.

К 1875г. метрическую конвенцию подписали уже семнадцать государств, включая Россию, где применение новой системы измерений по предложению Д.И. Менделеева было разрешено 4 июня 1899г. Введение же метрической системы  мер в России в качестве обязательной  состоялось по декрету СНК РСФСР от 14 сентября 1918г.

К 1972г. метрическую конвенцию подписало уже сорок одно государство. К примеру: Великобритания, начав в парламенте обсуждения возможности перехода на метрическую систему еще в 1871г., но полностью завершила процесс отказа от фунтов, футов и дюймов лишь в 2004г.

1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Что такое ГСИ

Государственная система  обеспечения единства измерений (ГСИ) - государственное управление субъектами, нормами, средствами и видами деятельности по обеспечению заданного уровня единства измерений в стране. Деятельность по обеспечению единства измерений направлена на охрану законных интересов граждан и установление правопорядка и экономики, а также на содействие экономическому и социальному развитию страны путем защиты от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений во всех сферах общества.

Обеспечение единства измерений  осуществляется на нескольких уровнях:

− государственном; 
− уровне федеральных органов исполнительной власти; 
− уровне юридического лица.

Основной целью Государственной  системы обеспечения единства измерений (ГСИ) является создание общегосударственных правовых, нормативных, организационных, технических и экономических условий для решения задач по обеспечению единства измерений.

1.2 Основные задачи ГСИ

Основными задачами ГСИ  являются:

− разработка оптимальных принципов  управления деятельностью по обеспечению  единства измерений; 
− организация и проведение фундаментальных научных исследований с целью создания более совершенных и точных методов и средств воспроизведения единиц и передачи их размеров; 
− установление системы единиц величин и шкал измерений, допускаемых к применению; 
− установление основных понятий в метрологии, унификация их терминов и определений; 
− установление экономически рациональной системы государственных эталонов, их создание, утверждение, применение и совершенствование; 
− установление систем передачи размеров единиц величин от государственных эталонов средствам измерений, применяемым в стране; 
− создание и совершенствование вторичных и рабочих эталонов, комплектных поверочных установок и лабораторий; 
− установление общих метрологических требований к эталонам, средствам измерений, методикам выполнения измерений, методикам поверки (калибровки) средств измерений и всех других требований, соблюдение которых является необходимым условием обеспечения единства измерений; 
− разработка и экспертиза разделов метрологического обеспечения федеральных и иных государственных программ, в том числе программ создания и развития производства оборонной техники; осуществление государственного метрологического контроля: поверка средств измерений;

- испытания с целью утверждения  типа средств измерений, лицензирование  деятельности юридических и физических  лиц по изготовлению, ремонту,  продаже и прокату средств  измерений; 
− осуществление государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц физических величин, соблюдением метрологических норм и правил; разработка принципов оптимизации материально-технической и кадровой базы органов государственной метрологической службы; 
− аттестация методик выполнения измерений; 
− калибровка и сертификация средств измерений, не входящих в сферы государственного метрологического контроля и надзора; 
− аккредитация метрологических служб и иных юридических и физических лиц по различным видам метрологической деятельности; 
− аккредитация поверочных, калибровочных, измерительных, испытательных и аналитических лабораторий, лабораторий неразрушающего и радиационного контроля в составе действующих в Российской Федерации систем аккредитации; 
− участие в работе международных организаций, деятельность которых связана с обеспечением единства измерений; 
− разработка совместно с уполномоченными федеральными органами исполнительной власти порядка определения стоимости метрологических работ и регулирование тарифов на эти работы; 
− организация подготовки и переподготовка кадров метрологов; 
− информационное обеспечение по вопросам обеспечения единства измерений; 
− совершенствование и развитие ГСИ.

Государственная система обеспечения единства измерений  состоит из следующих подсистем:

− правовой, 
− организационной; 
− технической.

Структура Государственной  системы обеспечения единства измерений:

Правовая подсистема – комплекс взаимосвязанных законодательных и подзаконных актов, объединенных общей целевой направленностью и устанавливающих согласованные требования к взаимосвязанным объектам деятельности по обеспечению единства измерений.

1.3 Объекты деятельности по обеспечению единства измерений

Объектами деятельности по обеспечению единства измерений  являются:

− совокупность узаконенных единиц величин и шкал измерений; 
− терминология в области метрологии; 
− воспроизведение и передача размеров единиц величин и шкал измерений; 
− способы и формы представления результатов измерений и характеристики погрешности; 
− методы оценивания погрешности и неопределенности измерений; 
− порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений; 
− комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерений; 
− методы установления и корректировки межповерочных интервалов; 
− порядок проведения испытаний в целях утверждения типа средств измерений и сертификации средств измерений; 
− порядок проведения поверки и калибровки средств измерений; 
− порядок осуществления метрологического контроля и надзора; 
− порядок лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений; 
− типовые задачи, права и обязанности метрологических служб федеральных органов исполнительной власти и юридических лиц; 
− порядок аккредитации поверочных, калибровочных, измерительных, испытательных и аналитических лабораторий, лабораторий неразрушающего и радиационногоконтроля в составе действующих в Российской Федерации систем аккредитации; 
− порядок аккредитации метрологических служб и иных юридических и физических лиц по различным видам метрологической деятельности; 
− термины и определения по видам измерений; 
− государственные поверочные схемы; 
− методики поверки (калибровки) средств измерений; 
− методики выполнения измерений.

Нормативная база ГСИ насчитывает  более 2500 обязательных и рекомендательных документов, регламентирующих все аспекты  в области метрологии. В их числе  государственные и межгосударственные стандарты, правила по метрологии (ПР), методические инструкции (МИ), руководящие документы (РД), методические указания (МУ) и др.

К правилам (ПР) по метрологии относятся  документы в области метрологии, устанавливающие обязательные для  применения организационно-технические и общетехнические положения, порядки (правила процедуры), методы (способы, приемы) выполнения работ, а также обязательные требования к оформлению результатов этих работ. К рекомендациям относятся документы в области метрологии, содержащие добровольные для применения организационно-технические и общетехнические положения, порядки (правила процедуры), методы (способы, приемы) выполнения работ, а также рекомендуемые – правила оформления результатов этих работ.

Основным основополагающим документом в области обеспечения единства измерений является ГОСТ Р 8.000 «ГСИ. Основные положения».

Техническую подсистему составляют:

− совокупность государственных эталонов, эталонов единиц величин и шкал измерений; 
− совокупность военных эталонов – резерва государственных эталонов; 
− совокупность стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов; 
− совокупность стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов; 
− средства измерений и испытательное оборудование, необходимы для осуществления метрологического контроля и надзора; 
− совокупность специальных зданий и сооружений для проведения высокочастотных измерений в метрологических целях; 
− совокупность научно-исследовательских, эталонных, испытательных поверочных, калибровочных и измерительных лабораторий и их оборудования.

Техническая основа состоит из 114 государственных  эталонов, 76 установок высшей точности, около 15 млн. рабочих эталонов и средств  испытаний, более 8000 типов стандартных  образцов.

Организационная подсистема ГСИ – совокупность подразделений Госстандарта России, осуществляющих функции по обеспечению единства измерений.

Организационную подсистему ГСИ составляют следующие метрологические  службы обеспечения единства измерений:

− Государственная метрологическая служба; 
− иные государственные метрологические службы; 
− метрологические службы федеральных органов исполнительной власти и юридических лиц.

В Государственную  метрологическую службу входят:

− подразделения центрального аппарата Госстандарта России, осуществляющие функции планирования, управления, контроля деятельностью по обеспечению 
единства измерений на межотраслевом уровне;− государственные научно-метрологические центры; 
− органы Государственной метрологической службы на территории республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, краев, областей, округов и городов.

К иным государственным  службам обеспечения единства измерений  относятся:

− Государственная служба времени  и частоты и определения параметров вращения Земли; 
− Государственная служба стандартных образцов состава веществ и материалов (ГССО); 
− Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГССД).

Организационную, научную и практическую деятельность по обеспечению единства измерений осуществляют 11 научно-исследовательских метрологических институтов и центров, около 100 ЦСМ Госстандарта России, более 30 тыс. метрологических служб организаций и предприятий.

1.4 Цели и сфера действия настоящего Федерального закона.

Целями настоящего Федерального закона являются:

- установление правовых основ обеспечения единства измерений в РФ.

- Защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

- Обеспечение потребности граждан, общества и государства в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений, используемых в целях защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, обеспечения обороны и безопасности государства, в том числе экономической безопасности.

- Содействие развитию экономики РФ и научно-техническому прогрессу.

1.5 Требования к измерениям

Измерения, относящиеся к сфере госрегулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам измерений, за исключением методик измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений, с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших проверку. Результаты измерений должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в РФ.

Методы  измерений, предназначенные для  выполнение прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. В остальных  случаях подтверждения соответствия методов измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется путем аттестации методов измерений. 

Аттестацию  методов измерений, относятся к  сфере государственного регулирования  обеспечения единства измерений, проводят аккредитованные в установленном  порядке  в области обеспечения  единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели.

1.6 Формы государственного регулирования в области обеспечения единства измерений.

Государственное регулирование в  области обеспечения единства измерений  осуществляется в следующих формах:

1. Утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений
2. Проверка средств измерений
3. Метрологическая экспертиза
4. Государственный метрологический надзор
5. Аттестация методов измерений
6. Аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ или оказание услуг в области обеспечения единства измерений.

К принятию Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.08г №102-Ф3

Произошло важнейшее для российской метрологии событие. Сложная и продолжительная  работа над новым Федеральным  законом «Об обеспечении единства измерений» завершилось его принятием. Прошли многочисленные дискуссии и  жаркие споры как по общим проблемам развития отечественной метрологии так и по отдельным формам государственного регулирования обеспечения единства измерений.

В новом федеральном законе учтены положения, содержащие в утвержденной  в 2004 г Концепции разработки Федерального закона «Об обеспечении единства измерений». Учтены также рекомендации Международной организации по законодательной метрологии. Принятый закон позволил более четко разделить сферы действия законодательства о техническом регулировании и законодательства, регулирующего обеспечение единства измерений в РФ.

В новом законе сохранены формы  регулирования, предусмотренные законом  «Об обеспечении единства измерений» от 1993г, которые показали свою эффективность  за последние пятнадцать лет.

2. МЕТРОЛОГИЯ И СТАНДАРТЫ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

2.1 Метрология в нанодиапазоне.

Так как в наш мир постоянно  приходят все более новые технологии, и в данном случае это нанотехнологии, то таким же образом совершенствуется и обеспечение единства измерений.

В связи с возможными перспективами широкого использования  нанокластеров и наноконструктивных материалов в настоящее время возникла насущная необходимость в метрологии наноматериалов. Это, в частности, обусловлено существенной зависимостью физико-химических свойств нанокластерных материалов, определяющихся их структурой и электронными характеристиками, от размера, формы, взаимного расположения, а так же свойств внешней среды.

В метрологии рассматривают связь  между физическими величинами и  принципами построения системы единства измерений.

Нанометрология должна развивается  в двух направлениях. Первое заключается  в повышении точности существующих методов измерения характеристик  макроскопических объектов до наномасштаба и, главным образом, связано с  совершенствованием технологии; второе – в разработке новых методов  измерения характеристик наноразмерных объектов в области, где начинают проявляться особые свойства вещества, неприсущие макроскопическим объектам.

Для исследований и создания наносконструированных  покрытий, тонких пленок и малых элементов начинает применяться наноиндентирование, т.е. измерение твердости материалов на уровне наномасштабов. Однако, несмотря на выпуск приборов для этой цели, в настоящее время их метрологическое обеспечение отсутствует. Возникают задачи разработки эталонов твердости на наноуровне, методик расчета твердости, и пересмотра самого определения твердости применительно к наноразмерным масштабам.

 Стандартизация и сертификация в области наноматериалов призваны регулировать качество выпускаемой продукции путем разработки соответствующих норм, эталонов и стандартов. Необходимость разработки новых и адаптация существующих норм обусловлена особыми свойствами наноматериалов. Так возникает вопрос применимости к новым наноматериалам уже существующих норм, регулирующих использование химических веществ. Можно ли считать частицы серебра – серебром, углеродные нанотрубки – графитом?

В настоящее время в связи  с прогрессивным развитием нанотехнологии возникла необходимость общего пересмотра определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными константами. Например: обнаруженный в 1980г. квантовый эффект Холла приводит к квантованию сопротивления в двухмерных электронных структурах. Нестационарный эффект Джозефсона проявляется в виде ступенек постоянного напряжения в вольт-амперной характеристике джозефсоновского перехода под воздействием излучения частоты. Высокая точность, стабильность и воспроизводимость величин, определяющихся фундаментальными константами, позволили в 1990г. принять их в качестве «представления» единиц измерения сопротивления и напряжения, измерение которых может быть проведено в любой лаборатории без необходимости передачи «искусственного» эталона. Квантовый электрический стандарт можно представить «метрологической триадой», связывающей измеряемые величины: напряжение, силу тока, частоту с квантовыми эффектами.

31 июля 2007г 44организации из 16 стран  мира подписали Декларацию «принципы  контроля за нанотехнологиями  и наноматериалами», содержащие 8 основополагающих принципов, которые должны составить фундамент для адекватного и эффективного контроля и оценки формирующейся в области нанотехнологий, включая те наноматериалы, которые уже широко используются в коммерческих целях. В настоящее время существует несколько международных и национальных программ, касающихся стандартизации и нормативного регулирования в области нанотехнологий. Международная организация по стандартизации (ISO), Европейский комитет по стандартизации (CEN) и организации экономического сотрудничества и развития(OECD) сформировали рабочие группы, ответственные за стандартизацию в области нанотехнологий. Основные задачи их работы касаются вопросов терминологии и номенклатуры, метрологии, методологии и определения эталонных материалов в области здравоохранения, охраны окружающей среды и безопасности.

В нашей стране в рамках Федерального агентства по техническому регулированию  и метрологии существует Технический  комитет ТК 441 «Наукоемкие технологии», занимающиеся разработкой стандартов в области нанотехнологий и включающий подкомитеты: ПК 1 Нанотехнологии, ПК 2 Кванторазмерные эффекты в наукоемких технологиях, ПК 3 Термины и определения, ПК 4 Методы и средства обеспечения единства измерений в нанотехнологиях, ПК 5 Нанотехнологии в микроэлектронике, ПК 6 Материалы, структуры и объекты нанотехнологии, ПК 7 Нанотехнологии и наноиндустрия.

Однако в России действующих  стандартов в области нанотехнологий и наноматериалов еще недостаточно. Введено четыре стандарта на меры нанометрового диапазона, используемые в качестве эталонов линейных размеров в нанометровом диапазоне.

Учитывая межотраслевой характер наноиндустрии и необычных объектов, с которыми она работает, ее стандартизация должна идти по особому пути. Стандарты  должны предшествовать появлению новых устройств и процессов. Такие стандарты называют опережающими. Согласно стратегии этих стандартов они предопределяют необходимость создания новых инструментов и процессов, компонентов и продуктов давая импульс для их разработки. Такой подход стимулирует конкуренцию на мировом рынке для быстрой коммерциализации и широкого распространения новых разработок.

2.2 Международное сотрудничество в нанометрологии.

Решение задач нанометрологии осуществляется на основе международного сотрудничества. В первую очередь, здесь надо отметить создание Технического комитета Международной организации по стандартизации (International organization for standardization – ISO) ISO/TC 229 "Нанотехнологии". Свое первое заседание Комитет провел 9-11 ноября 2005 г. в Лондоне. Организатор заседания – Британская организация по стандартизации.

Первоочередные задачи ISO/TC 229, сформулированные странами-участниками заседания, состоят  в стандартизации по следующим направлениям: термины и определения, метрология и методы испытаний и измерений, стандартные образцы состава и свойств, моделирование процессов, медицина и безопасность, воздействие на окружающую среду. Решение этих задач, по мнению специалистов, даст мощный импульс развитию нанотехнологий и их практическому применению в различных отраслях экономики.

В рамках Технического комитета ISO/TC 229, секретариат которого ведет Британский институт стандартов, деятельность подкомитета  по метрологии, методам измерений  и испытаний координирует Япония, подкомитета по терминам и определениям – Канада, подкомитета по здоровью, безопасности и окружающей среде – Соединенные Штаты Америки.

В России функции государственной  метрологической службы возложены  на Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии –  Ростехрегулирование и подведомственные ему организации. В их обязанности входит обеспечение единства измерений, включая государственные испытания, с целью утверждения типа вновь произведенных или импортируемых средств измерений, надзор за состоянием и применением находящихся в эксплуатации средств измерений, обеспечение прослеживаемости передачи размера единиц физических величин в нанодиапазон всем применяемым средствам измерений, метрологическая экспертиза стандартов и иных нормативных документов, организация службы стандартных справочных данных, участие в работе международных метрологических организаций.

Для решения этих задач в области  высоких технологий, включая нанотехнологию, в Ростехрегулировании создан Технический  комитет по стандартизации ТК 441 "Наукоемкие технологии", функции организаторской деятельности секретариата которого возложены на Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума Ростехрегулирования (НИЦПВ).

В состав ТК 441 наряду с НИЦВП входят Институт радиотехники и электроники  РАН, Институт кристаллографии РАН, Физико-технологический институт РАН, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Центр фотохимии РАН, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Институт физики полупроводников СО РАН, Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов, Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности “Гиредмет”, фирма НТ-МДТ, Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш", Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы, Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений, Московский институт стали и сплавов, Московский физико-технический институт.

Следует отметить, что за НИЦПВ  закреплено участие от России в деятельности Технического комитета ISO/TC 229 "Нанотехнологии".

Центр является также членом Международной  ассоциации производителей материалов, оборудования и технологий для полупроводниковой промышленности и плоскопанельных дисплеев (Semiconductor Equipment and Materials International – SEMI).

НИЦПВ также является координатором  проекта "Метрологическое обеспечение  нанотехнологий" в рамках Международной организации КООМЕТ по европейско-азиатскому сотрудничеству в области метрологии, посвященного решению фундаментальных проблем метрологии в нанотехнологиях. Страны-участники: Россия, Беларусь, Украина, Словакия, Германия. На настоящий момент разработаны проект концепции метрологического обеспечения нанотехнологий и технология передачи размера единиц физических величин в нанодиапазон.

2.3 Обеспечение единства измерений в нанометровом диапазоне.

В конце 20 в. Метрологическое обеспечение измерений длин менее 1 м осуществлялось только в диапазоне 1 мкм – 1м, которому соответствовала многоступенчатая структурная схема передачи размера единицы длины от Первичного эталона к измеряемому объекту. Эту схему можно представить в виде пирамиды, в основании которой находится вся совокупность рабочих средств измерений, а вершину занимает Первичный эталон единицы длины (рис 3а).(1-ПЭ, 2-Эталоны 1-го разряда, 3-Эталоны 2-го разряда, 4-Эталоны 3-го разряда, 5-рабочие средства измерений). Каждый из разрядов указанных на рисунке обладает некоторыми свойствами эталонов как верхнего так и нижнего уровня, что позволяет передать размер единицы длины между уровнями. Такое большое количество уровней увеличивает погрешность измерений от 0.02нм для ПЭ до 100нм на измеряемом объекте, что не позволяет проводить измерения линейный размеров менее 1 мкм.

Бурное развитие нанотехнологии, имеющей  дело с объектами, размеры которых  порядка атомных, уже сейчас требует  решения проблемы обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне (1-1000нм). Линейные измерения в этой области длин  производятся с помощью новых, созданных во 2-й половине 20 в приборов – зондовых микроскопов, обладающих высоким разрешением.

Чтобы превратить эти приборы, расположенные у потребителя, из наблюдательных в средства измерений, необходимо осуществлять калибровку этих приборов с абсолютной привязкой к ПЭ единицы длины – метру. Старая схема такой привязки, показанная на рис 3а ,не годится для этого - слишком большая потеря точности на промежуточных уровнях. Необходима новая схема в которой устраняются некоторые промежуточные уровни (рис 3б) –одну меру малой длины, которая обладала бы свойствами связывающими ее с ПЭ и с рабочими средствами измерений.