让国际计量界永远铭记的“中国贡献”

让国际计量界永远铭记的“中国贡献”
——记“国家卓越工程师”、中国计量科学研究院首席研究员张金涛

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张金涛

1月19日,“国家工程师奖”首次进行评选表彰,81名个人和50个团队在北京人民大会堂接受党和国家在工程领域的最高规格褒奖。习近平总书记作出重要指示,向受表彰的“国家卓越工程师”和“国家卓越工程师团队”致以热烈祝贺。

璀璨灯光下,奖章闪耀,铭记了“国家卓越工程师”们为国奋斗的业绩。中国温度计量基础研究领域的领军人才、中国计量科学研究院首席研究员张金涛就是其中一员。同时他也是全国市场监管系统唯一一位获此殊荣的人。

从国际计量界的“无名之辈”,到首次对国际单位制(SI)基本单位——温度的重新定义取得决策权,张金涛见证了我国计量事业特别是温度计量领域取得的突破性成绩。

结缘温度,抢抓变革机遇

温度无处不在,它是最为广泛使用的基本物理量之一,其准确测量事关科学研究、能源环境和民生健康等众多领域。

为了使温度的标尺时空恒定,国际计量界决定用玻尔兹曼常数取代水三相点,重新定义温度的单位,这也结束了人类几百年来温度的单位(标尺)依赖实物性质的历史。

为避免单一方法可能存在的系统误差,国际温度计量最高权力机构CCT(国际计量委员会温度咨询委员会)要求使用至少两种独立方法,分别实现不确定度小于3×10-6的测定。这一要求涉及多个物理量的高精度绝对测量,是对精密测量极限的巨大挑战。

而张金涛与温度计量史上这次最重大的变革“结缘”,还要从2004年说起。

2004年,世界温度大会在克罗地亚召开,张金涛和同事代表中国出席。“当时几乎没有人和我们打招呼,中国直接是被轻视的,因为我们在温度计量领域没有成绩。”这次的经历让奋发图强的种子埋进了张金涛的心里。

2006年,中国计量科学研究院决定对3个国际单位制基本单位的常数定义进行研究。喜欢挑战的张金涛勇挑重担,牵头承担“玻尔兹曼常数测量研究”课题。

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另辟蹊径,敢为天下先

当时,美国、英国、法国、意大利等国的国家计量实验室,已在这个领域耕耘数十年,对于实验的核心部件,他们均选择了球形或准球形共鸣腔。这种形状的部件对精密加工制造的能力要求极高,在多方了解后,张金涛决定放弃。

“曾经有国际友人提出可以送给我们一个球形共鸣腔,但我拒绝了。因为我想做出完全具有中国自主知识产权的测定值。”张金涛说。

在查阅了大量文献后,结合我国当时精密加工的技术能力及方案的可实现性,张金涛决定另辟蹊径,用圆柱形共鸣腔取代球形共鸣腔,创新提出用定程圆柱腔声学气体原级测温法测定玻尔兹曼常数的技术方案。

创新之路,从来不会平坦。由于采用了有别于国外已有的技术方案,定程圆柱腔体内部尺度的原位绝对精密测量的实验方案需要全部自行设计。

在充分咨询中国计量科学研究院老一代专家的意见后,张金涛和他的团队决定借助国家长度基准的成熟技术——多波长激光干涉法。但在实际测量后,他们发现获得的声速测量值与国外同行的最好结果存在一个系统性的偏差,这个偏差远大于测量的不确定度。

症结到底在哪儿?不服输的张金涛开展了大量的实验,最后将原因锁定到安装端盖过程中,在螺栓的紧固作用下,腔体的长度发生痕量改变。最终,他成功解析了端盖随温度的痕量变形方向,设计了激光干涉法原位实时绝对测量共鸣腔内平均长度的技术方案,使得在现场实验环境下,完全封闭的圆柱声学共鸣腔的内部平均长度测量的不确定度从数百纳米降低到几十纳米。

在完成了数轮的常数测定后,考虑到激光干涉法不适用于宽广的现场温度下的测量,张金涛又带领团队尝试用微波谐振技术,实现对圆柱腔体内的平均长度和直径的原位绝对测量。这又是一项在国际上没有可借鉴经验的实验。

对于当年在实验室的日日夜夜,张金涛记忆犹新,“风险、压力、孤独伴随着我们。但大家乐在其中,一往无前”。

在一次次的数值模拟后,张金涛团队最后选择了数个微波谐振模式,发现这些微波模式测量的圆柱腔内长度的一致性很好,测量不确定度比英国国家物理实验室的方案改善了200倍。这些微波谐振模式被成功地用于团队后期的玻尔兹曼常数的测定,以及承担的高温热力学温度的测量研究课题。

经过数十载的潜心研究,最终张金涛团队获得的玻尔兹曼常数的测量结果两次被国际科技数据委员会(CODATA)基本常数委员会收录,用于确定该常数的推荐值和最终定值,使我国与美、英、德、法、意并列,成为对玻尔兹曼常数的最终定值和温度单位的重新定义有贡献的6个国家之一。

这是自米制公约(1875年)以来,中国首次对国际单位制基本单位的定义作出重要贡献并有了决策权。

在2018年度国家科学技术奖励大会上,作为第一完成人的张金涛接过了国家科学技术进步奖一等奖的证书。

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张金涛(右二)和他的团队

孜孜以求,甘于为人梯

在完全自主地掌握了尖端的声学原级测温法的关键技术后,张金涛和团队成员投入到新的温度计量基础前沿研究中,砥砺前行,力图将原级测温技术应用于原位测量热力温度,解决一些极端环境下的温度可靠测量的技术难题。

曾经被国际同行忽略,如今成为国际温度计量界的重要力量,张金涛团队被邀请在美国国家标准技术研究院主办的顶级期刊上发表研究综述论文,在国际测量联合会世界温度计量大会、美国国家标准技术研究院主办的温度大会百年庆典等学术会议上,作全会报告,新的研究成果获得国际同行的高度关注。

在张金涛看来,工程技术人员要取得一定的成绩,离不开良好的科技创新环境。

中国计量科学研究院以科技发展规划为牵引,建立多层次的科研项目布局体系,围绕计量基础研究关键科学问题,长期稳定支持一批跟踪计量科技前沿、推动计量学科发展的基础研究项目。同时提升基础研究的科研经费投入,设立“揭榜挂帅”、自由探索等项目,助推计量科技取得创新性成果。组建潜心攻关的计量基础前沿创新团队,给予稳定支持,保障科研人员心无旁骛地开展科学研究。

在宽松的科研环境下,张金涛发扬学术民主,甘做提携后学的铺路石和领路人。他带领的创新团队在历年考核中名列前茅。他鼓励、推荐年轻人到国外先进实验室访问研究,开阔眼界,吸取新思想和新方法,同时引导他们扩展研究方向,开拓交叉计量领域。

近年来,团队成员们相继成为科研骨干和管理人才,先后入选“国家百千万人才工程”“青年人才托举工程”,获得“有突出贡献中青年专家”荣誉称号及中国青年科技奖、亚太计量组织青年计量科学家奖等奖项。

“科学研究好比登山,只有站在高处,才能够看清上山的捷径和更进一步的方向。”张金涛告诉记者,目前他们正在开展固体量子温度传感器的计量溯源研究,“希望能够为建立国家的极低温温标的计量基础设施作出贡献”。

奖章

(来源:《中国质量报》,文:史玉成 图:中国计量院)