讓國際計量界永遠銘記的“中國貢獻”

　讓國際計量界永遠銘記的“中國貢獻”

　　——記“國家卓越工程師”、中國計量科學研究院首席研究員張金濤

　　□ 記者 史玉成

　　1月19日，“國家工程師獎”首次進行評選表彰，81名個人和50個團隊在北京人民大會堂接受黨和國家在工程領域的最高規格褒獎。

　　璀璨燈光下，獎章閃耀，銘記了“國家卓越工程師”們為國奮斗的業績。中國溫度計量基礎研究領域的領軍人才、中國計量科學研究院首席研究員張金濤就是其中一員。同時他也是全國市場監管系統唯一一位獲此殊榮的人。

　　從國際計量界的“無名之輩”，到首次對國際單位制（SI）基本單位——溫度的重新定義取得決策權，張金濤見證了我國計量事業特別是溫度計量領域取得的突破性成績。

圖為張金濤（右二）和他的團隊。

　　結緣溫度，搶抓變革機遇

　　溫度無處不在，它是最為廣泛使用的基本物理量之一，其準確測量事關科學研究、能源環境和民生健康等眾多領域。

　　為了使溫度的標尺時空恒定，國際計量界決定用玻爾茲曼常數取代水三相點，重新定義溫度的單位，這也結束了人類幾百年來溫度的單位（標尺）依賴實物性質的歷史。

　　為避免單一方法可能存在的系統誤差，國際溫度計量最高權力機構CCT（國際計量委員會溫度咨詢委員會）要求使用至少兩種獨立方法，分別實現不確定度小于3×10-6的測定。這一要求涉及多個物理量的高精度絕對測量，是對精密測量極限的巨大挑戰。

　　而張金濤與溫度計量史上這次最重大的變革“結緣”，還要從2004年說起。

　　2004年，世界溫度大會在克羅地亞召開，張金濤和同事代表中國出席。“當時幾乎沒有人和我們打招呼，中國直接是被輕視的，因為我們在溫度計量領域沒有成績。”這次的經歷讓奮發圖強的種子埋進了張金濤的心里。

　　2006年，中國計量科學研究院決定對3個國際單位制基本單位的常數定義進行研究。喜歡挑戰的張金濤勇挑重擔，牽頭承擔“玻爾茲曼常數測量研究”課題。

　　另辟蹊徑，敢為天下先

　　當時，美國、英國、法國、意大利等國的國家計量實驗室，已在這個領域耕耘數十年，對于實驗的核心部件，他們均選擇了球形或準球形共鳴腔。這種形狀的部件對精密加工制造的能力要求極高，在多方了解后，張金濤決定放棄。

　　“曾經有國際友人提出可以送給我們一個球形共鳴腔，但我拒絕了。因為我想做出完全具有中國自主知識產權的測定值。”張金濤說。

　　在查閱了大量文獻后，結合我國當時精密加工的技術能力及方案的可實現性，張金濤決定另辟蹊徑，用圓柱形共鳴腔取代球形共鳴腔，創新提出用定程圓柱腔聲學氣體原級測溫法測定玻爾茲曼常數的技術方案。

　　創新之路，從來不會平坦。由于采用了有別于國外已有的技術方案，定程圓柱腔體內部尺度的原位絕對精密測量的實驗方案需要全部自行設計。

　　在充分咨詢中國計量科學研究院老一代專家的意見后，張金濤和他的團隊決定借助國家長度基準的成熟技術——多波長激光干涉法。但在實際測量后，他們發現獲得的聲速測量值與國外同行的最好結果存在一個系統性的偏差，這個偏差遠大于測量的不確定度。

　　癥結到底在哪兒？不服輸的張金濤開展了大量的實驗，最后將原因鎖定到安裝端蓋過程中，在螺栓的緊固作用下，腔體的長度發生痕量改變。最終，他成功解析了端蓋隨溫度的痕量變形方向，設計了激光干涉法原位實時絕對測量共鳴腔內平均長度的技術方案，使得在現場實驗環境下，完全封閉的圓柱聲學共鳴腔的內部平均長度測量的不確定度從數百納米降低到幾十納米。

　　在完成了數輪的常數測定后，考慮到激光干涉法不適用于寬廣的現場溫度下的測量，張金濤又帶領團隊嘗試用微波諧振技術，實現對圓柱腔體內的平均長度和直徑的原位絕對測量。這又是一項在國際上沒有可借鑒經驗的實驗。

　　對于當年在實驗室的日日夜夜，張金濤記憶猶新，“風險、壓力、孤獨伴隨著我們。但大家樂在其中，一往無前”。

　　在一次次的數值模擬后，張金濤團隊最后選擇了數個微波諧振模式，發現這些微波模式測量的圓柱腔內長度的一致性很好，測量不確定度比英國國家物理實驗室的方案改善了200倍。這些微波諧振模式被成功地用于團隊后期的玻爾茲曼常數的測定，以及承擔的高溫熱力學溫度的測量研究課題。

　　經過數十載的潛心研究，最終張金濤團隊獲得的玻爾茲曼常數的測量結果兩次被國際科技數據委員會（CODATA）基本常數委員會收錄，用于確定該常數的推薦值和最終定值，使我國與美、英、德、法、意并列，成為對玻爾茲曼常數的最終定值和溫度單位的重新定義有貢獻的6個國家之一。

　　這是自米制公約（1875年）以來，中國首次對國際單位制基本單位的定義作出重要貢獻并有了決策權。

　　在2018年度國家科學技術獎勵大會上，作為第一完成人的張金濤接過了國家科學技術進步獎一等獎的證書。

　　孜孜以求，甘于為人梯

　　在完全自主地掌握了尖端的聲學原級測溫法的關鍵技術后，張金濤和團隊成員投入到新的溫度計量基礎前沿研究中，砥礪前行，力圖將原級測溫技術應用于原位測量熱力溫度，解決一些極端環境下的溫度可靠測量的技術難題。

　　曾經被國際同行忽略，如今成為國際溫度計量界的重要力量，張金濤團隊被邀請在美國國家標準技術研究院主辦的頂級期刊上發表研究綜述論文，在國際測量聯合會世界溫度計量大會、美國國家標準技術研究院主辦的溫度大會百年慶典等學術會議上，作全會報告，新的研究成果獲得國際同行的高度關注。

　　在張金濤看來，工程技術人員要取得一定的成績，離不開良好的科技創新環境。

　　中國計量科學研究院以科技發展規劃為牽引，建立多層次的科研項目布局體系，圍繞計量基礎研究關鍵科學問題，長期穩定支持一批跟蹤計量科技前沿、推動計量學科發展的基礎研究項目。同時提升基礎研究的科研經費投入，設立“揭榜掛帥”、自由探索等項目，助推計量科技取得創新性成果。組建潛心攻關的計量基礎前沿創新團隊，給予穩定支持，保障科研人員心無旁騖地開展科學研究。

　　在寬松的科研環境下，張金濤發揚學術民主，甘做提攜后學的鋪路石和領路人。他帶領的創新團隊在歷年考核中名列前茅。他鼓勵、推薦年輕人到國外先進實驗室訪問研究，開闊眼界，吸取新思想和新方法，同時引導他們擴展研究方向，開拓交叉計量領域。

　　近年來，團隊成員們相繼成為科研骨干和管理人才，先后入選“國家百千萬人才工程”“青年人才托舉工程”，獲得“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號及中國青年科技獎、亞太計量組織青年計量科學家獎等獎項。

　　“科學研究好比登山，只有站在高處，才能夠看清上山的捷徑和更進一步的方向。”張金濤告訴記者，目前他們正在開展固體量子溫度傳感器的計量溯源研究，“希望能夠為建立國家的極低溫溫標的計量基礎設施作出貢獻”。

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計量人的驕傲。

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計量的先鋒

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