傾力國防科技發(fā)展 創(chuàng)新真空計量技術(shù)

錢朝軍　戶萬

專家簡介：

李得天，1966年生，甘肅人，研究員，博士生導師。現(xiàn)任中國航天科技集團公司第五研究院第五一○研究所副所長，是我國真空測試計量技術(shù)及儀器領(lǐng)域?qū)＜摇H宇航科學院通訊院士、國家杰出青年科學基金獲得者、國防“973”項目首席科學家、國家“863”計劃主題專家。目前擔任真空技術(shù)與物理國家級重點實驗室常務(wù)副主任、中國真空學會副理事長、中國計量測試學會常務(wù)理事、全國真空技術(shù)標準化技術(shù)委員會副主任、《真空與低溫》期刊主編等學術(shù)職務(wù)。享受國務(wù)院政府特殊津貼。榮獲“全國優(yōu)秀科技工作者”稱號。入選國家百千萬人才工程，并榮獲“有突出貢獻中青年專家”國家級榮譽稱號。獨著《真空計量新技術(shù)》專著1部，參與編寫著作3部，發(fā)表學術(shù)論文180余篇。獲授權(quán)國家發(fā)明專利30余項，其中4項獲中國專利優(yōu)秀獎。獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項，獲國防科技進步獎一等獎、軍隊科技進步獎一等獎、中國計量測試學會科技進步獎一等獎等省部級科技獎勵23項。

真空計量技術(shù)與國防科技發(fā)展密不可分。不論是受控核聚變裝置中的超高/極高真空測量，還是載人飛船艙門檢漏儀和月球樣品封裝裝置中的漏率測量，均與真空計量技術(shù)密不可分。中國航天科技集團第五研究院第五一○研究所副所長、國家杰出青年科學基金獲得者李得天研究員帶領(lǐng)科研團隊，依靠自主創(chuàng)新，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，在真空計量標準建立、真空測試計量儀器研制以及工程應(yīng)用等方面做出了突出貢獻。

真空計量標準建立

在真空計量標準研建方面，李得天研究員和他的科研團隊攻堅克難，取得了多項國際領(lǐng)先的原創(chuàng)性成果。

說到真空計量標準，“靜態(tài)膨脹法”就是一個繞不開的關(guān)鍵。自從1910年Kundsen提出將之用作真空標準起，靜態(tài)膨脹法真空標準經(jīng)過近百年的發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國進行真空計量的基準器具。然而，隨著航天科技、高能物理等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，即使具有結(jié)構(gòu)簡單、測量不確定度小等一系列優(yōu)點，原有的靜態(tài)膨脹法也已經(jīng)不能滿足需求。“要做這個標準，需要把高壓力氣體從一個小容器里膨脹到已經(jīng)預先抽空的大容器中，此時大容器中的氣體壓力就衰減了。真空就是通過這樣的原理形成的。但是由于真空容器內(nèi)壁放氣影響，該標準的校準下限僅為10-4Pa，無法實現(xiàn)對超高真空的精確校準。”李得天說。

盡管包括美國、日本、德國在內(nèi)的多個國家計量技術(shù)機構(gòu)長期致力于該項技術(shù)瓶頸攻關(guān)，提出采用高溫燒氫除氣、內(nèi)表面鍍膜等方法減小內(nèi)壁放氣，卻一直沒有取得實質(zhì)性進展。在國內(nèi)，五一○所也自上世紀60年代開展了靜態(tài)膨脹法真空標準研究工作，但當時是玻璃真空系統(tǒng)，校準室的容積有限，使其校準范圍也比較窄，準確度不高。面對這一國際上公認的技術(shù)難點，李得天帶領(lǐng)科研團隊總結(jié)前輩們的經(jīng)驗，開展了深入細致的分析，從理論研究、設(shè)計到實驗驗證工作，精益求精，終于創(chuàng)新性地提出了采用非蒸散型吸氣劑的選擇性抽氣技術(shù)來消除真空容器內(nèi)壁放氣效應(yīng)的方法。應(yīng)用這種方法，可以實現(xiàn)室溫狀態(tài)下對校準室內(nèi)表面氣體的吸附；同時，由于具有“選擇性”，該方法僅對校準室內(nèi)表面放出氣體有大抽速，對實驗所需氣體零抽速，消除了放氣對真空校準下限的影響。這被認為是一條全新的技術(shù)解決途徑，從根本上解決了近百年來困擾靜態(tài)膨脹法真空基礎(chǔ)標準校準下限延伸的國際性難題。而李得天團隊就此所建立的我國新一代靜態(tài)膨脹法真空基礎(chǔ)標準，校準下限達到10-7Pa，首次實現(xiàn)了采用靜態(tài)膨脹法對超高真空規(guī)的精確校準。相關(guān)論文在真空科學領(lǐng)域權(quán)威學術(shù)期刊Vacuum上發(fā)表，國際真空計量專家Peksa認為“他提出的這種方法使得靜態(tài)膨脹法真空標準的校準下限遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)方法的校準下限值”。國際知名真空科學家、德國真空學會前主席Karl Jousten教授則認為“該下限延伸方法是一個Unique Idea（獨特理念）”。

與靜態(tài)膨脹法相似，超高/極高真空校準也是真空計量領(lǐng)域研究的熱點和難點之一，此前，僅有美國NIST、德國PTB和日本NIMJ曾建有超高/極高真空標準。隨著我國探月工程的發(fā)展，對超高/極高真空校準提出了迫切需求。要利用已有標準嗎？事實上，美、德、日的超高/極高真空標準并沒有那么完美，比如，因為采用分子束法和壓力衰減法校準，測量不確定度大；而由于都是采用低溫抽氣手段獲得極高真空，運行成本也非常高。無論是技術(shù)瓶頸，還是技術(shù)封鎖，研建超高/極高真空計量標準刻不容緩。但李得天團隊也不得不面對一個現(xiàn)狀——我國極高真空計量研究起步晚，國內(nèi)配套條件差、關(guān)鍵設(shè)備缺乏、可借鑒的經(jīng)驗很少。面對這種情況，李得天研究員針對當時的條件，查閱了大量資料。研究工作繁瑣而艱難，縱使困難如山，他也堅持迎難攀登。經(jīng)過一番探索，他提出了分流法校準超高/極高真空規(guī)和室溫抽氣獲得極高真空的技術(shù)方案，最終突破技術(shù)瓶頸和技術(shù)封鎖，實現(xiàn)了技術(shù)途徑的整體創(chuàng)新。他自主設(shè)計研制成功的我國首臺超高/極高真空標準裝置，將我國真空校準能力的下限首次延伸至10-10Pa的極高真空范圍，及時為我國月球探測、受控核聚變裝置等國家重大科技工程提供了重要的技術(shù)支撐和計量保障服務(wù)。相關(guān)論文在真空科學領(lǐng)域國際頂尖學術(shù)期刊J.Vac.Sci.Technol.上發(fā)表，在出版當月統(tǒng)計的下載量最多的20篇論文中位列第3。“他提出的分流法校準方法，校準下限達到了極高真空范圍，校準范圍寬，測量不確定度小，校準裝置不需要采用低溫抽氣手段，操作容易，是近年來在極高真空研究領(lǐng)域很有意義的一項工作。”論文審稿人評價道。相關(guān)論文發(fā)表后，歐洲計量規(guī)劃委員會以此為重要參考依據(jù)，在2012年發(fā)布的計量研究規(guī)劃中將極高真空計量列為此后3年發(fā)展的重點。該項成果獲國防科技進步獎一等獎（排名第1）；核心專利獲中國專利優(yōu)秀獎（排名第1）。

另外，他還提出了固定流導法測量氣體微流量的新方法，負責研建了氣體微流量測量標準，將微流量的測量下限比國際最好水平延伸了4個數(shù)量級。相關(guān)論文在計量科學領(lǐng)域國際頂尖學術(shù)期刊Metrologia上發(fā)表，國際同行認為“這是對真空計量和氣體微流量計量的一個重要貢獻”。endprint

“做標準追求準確度高，越復雜，影響因素就越多；越簡單，不確定因素就越少。”談起多年來做真空計量標準的心得，李得天研究員說道。

真空測試計量儀器研制及工程應(yīng)用

在真空測試計量儀器方面，李得天研究員和他的科研團隊同樣功不可沒。

他提出的基于雙道密封圈的小容積正壓檢漏方法，解決了載人航天器艙門氣密性快速檢測技術(shù)難題。而以此為原理研制的航天器艙門快速檢漏儀，與美國、俄羅斯等同類產(chǎn)品相比，是一個高度集成化的空間測量儀器——所有的機電熱、軟件、遙測遙控接口全部集成在一起，重量輕、體積小、功耗低，更難能可貴的是，用該檢漏儀完成全部檢漏任務(wù)僅需8分鐘。目前，該檢漏儀已在多艘飛船、目標飛行器以及飛船與目標飛行器的交會對接中得到成功應(yīng)用，確保了航天員的生命安全，為我國載人航天工程順利實施提供了重要保障。

對李得天團隊來說，探月三期并不陌生。探月三期的核心目標是實現(xiàn)無人自動采集月球樣品（月壤和月巖）并返回地球。這些樣品質(zhì)量有限，其價值不可估量，極為珍貴。根據(jù)系統(tǒng)方案規(guī)劃，月球樣品返回地面后要經(jīng)過原始樣品運輸、解封、處理、收集登記、存儲、描述、分樣和制備等相關(guān)階段，月球樣品一旦暴露于地球大氣，將與之發(fā)生物理和化學反應(yīng)，從而使樣品污染或變性，失去科學研究價值。因此，要完成這個目標，研制具有自動封裝等功能的月球樣品封裝裝置，就成了重中之重。經(jīng)過上級領(lǐng)導的多輪討論和慎重考慮，最終將研制月球樣品封裝裝置這一神圣使命交給了李得天研究員和他的科研團隊。

研制月球樣品封裝裝置，技術(shù)上存在很多難題，他首先考慮的是解決密封問題。在總結(jié)真空計量標準研制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，他提出了靜態(tài)累積比較法測量極小真空漏率的方法，研制出月球樣品封裝裝置極小真空漏率測量系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)研究了封裝裝置密封結(jié)構(gòu)、填料、過渡層、刀口形狀和角度、刀口壓入深度、擠壓力等與漏率之間的關(guān)系，為成功研制滿足漏率要求的月球樣品封裝裝置奠定了基礎(chǔ)。最終，低質(zhì)量火工鎖緊、自動開合等一系列難題不斷被攻克，他負責研制成功的月球樣品封裝裝置，具有月球樣品無污染自動封裝等功能，性能指標滿足嫦娥五號探測器采樣分系統(tǒng)的要求，即將在我國探月三期月球樣品采樣返回任務(wù)中獲得應(yīng)用。

液體推進劑是我國航天任務(wù)中使用的主要燃料，發(fā)生泄漏后會嚴重威脅航天器產(chǎn)品安全和人身安全。我國就曾在一次航天任務(wù)研制過程中發(fā)生過由于推進劑泄漏而導致的發(fā)射事故。為了避免后續(xù)發(fā)射任務(wù)中推進劑泄漏事故的再次發(fā)生，就需要盡快研制出推進劑泄漏檢測儀進行現(xiàn)場實時監(jiān)測。李得天研究員和他的科研團隊再次臨危受命。他們在查閱國外大量文獻的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了基于質(zhì)譜分析原理的推進劑泄漏檢測方法。不到3個月，他們就研制出靶場衛(wèi)星推進劑泄漏檢測儀和火箭危險氣體共底泄漏監(jiān)測統(tǒng)，第一時間解決了推進劑泄漏檢測難題。目前，相關(guān)檢測儀器已長期應(yīng)用于我國衛(wèi)星、火箭發(fā)射現(xiàn)場的推進劑泄漏監(jiān)測中，為我國航天任務(wù)的高質(zhì)量、高密度發(fā)射提供了主要的技術(shù)保障。

不懼挑戰(zhàn)，一直以來都是李得天團隊的基因。他帶領(lǐng)團隊突破了電子光學透鏡設(shè)計、高壓掃描電源及微小電流采集處理等多項技術(shù)難題，研制出我國首臺空間用雙通道磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計。該質(zhì)譜計已成功在某新技術(shù)試驗衛(wèi)星上搭載，對499km太陽同步軌道氣體成分隨區(qū)域及時間的變化進行了全面探測，為我國近地空間環(huán)境研究及航天器工程應(yīng)用積累了寶貴的空間環(huán)境數(shù)據(jù)。他提出的雙分子流小孔進樣方法，消除了氣體的質(zhì)量歧視效應(yīng)，保證了進樣后氣體成分比例不變，解決了標樣氣體進樣技術(shù)難題。該標樣氣體進樣系統(tǒng)已用于我國衛(wèi)星導航用銣原子鐘的銣泡精確充氣之中，使得導航銣原子鐘打破了歐美禁運，為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網(wǎng)做出了重要貢獻。此外，他還負責研制出電火箭工質(zhì)氣體微流量測量系統(tǒng)，主持完成了電火箭工質(zhì)氣體微流量專項定標工作，為我國步入電推進時代做出了重要貢獻。

鑒于以上工作的原創(chuàng)性和在國防領(lǐng)域的重要性，相關(guān)研究成果獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎、國防科技進步獎一等獎、軍隊科技進步獎一等獎等省部級以上科技獎勵23項，李得天研究員也先后獲航天貢獻獎、航天創(chuàng)新獎等榮譽。2015年12月，李得天研究員在廣州參加國家自然科學基金委信息學部國家杰出青年科學基金項目結(jié)題驗收學術(shù)匯報交流會。在這次交流會上，他就五一○所，甚至整個中國航天科技集團的第一個國家杰出青年基金項目——“極高真空測量的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)”研究，從電離規(guī)的電子激勵脫附效應(yīng)產(chǎn)生機理、高性能碳納米管陰極制備、新型碳納米管陰極極高真空電離規(guī)的理論建模與優(yōu)化設(shè)計以及實驗驗證等4個方面的研究工作進行詳細匯報，并對專家相關(guān)提問進行解答。評委會專家組嚴格審議后，對該項目研究取得的理論和實驗成果給予了高度評價，認為項目研究具有挑戰(zhàn)性，創(chuàng)新性強，在國際同行中學術(shù)影響力大，給出了“考核優(yōu)秀”的定論。榮譽迭至，李得天淡然如初，在他和團隊心目中，成果本身比獎項更值得他們驕傲。

悉心培育高素質(zhì)創(chuàng)新性人才

科技創(chuàng)新，人才為本，李得天深知人才對于科技創(chuàng)新猶如人體的血液一般重要，他始終把培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和創(chuàng)新型團隊作為研發(fā)工作之外的另一個重點。

在日常的工作中，李得天以每周一次研討會的創(chuàng)新形式開展工作，鼓勵年輕科研人員調(diào)研新方向、新進展，并在每周的研討會上進行匯報交流，讓科研團隊中的每位成員及時了解本學科的最新進展和國際前沿，促進科研團隊學習新知識，把培養(yǎng)人才和創(chuàng)新科研相結(jié)合，使年輕科研人員在保持自身活力的同時將航天精神的優(yōu)良傳統(tǒng)繼承并發(fā)揚。正是通過這樣一種人才培養(yǎng)的實踐，李得天的科研團隊一直保有創(chuàng)新的活力，年輕人能夠更快地進步，而中年技術(shù)骨干和老同志在促進年輕人進步的過程中也能再學習、再提高，適應(yīng)新技術(shù)研發(fā)的需要。團隊的創(chuàng)新文化和創(chuàng)新風氣，有力地推動了科研事業(yè)的不斷創(chuàng)新發(fā)展。

目前，李得天的科研團隊科學作風培養(yǎng)經(jīng)驗已在全所范圍內(nèi)得以推廣。作為中國空間技術(shù)研究院的博士生導師，多年來，他已培養(yǎng)博士后4人，博士7人，碩士10人，其中1名博士獲首屆陳嘉庚青年科學獎，1名博士被聘為中國航天科技集團公司學術(shù)技術(shù)帶頭人。

“出身中科院，書香門第，學養(yǎng)深厚；成長在航天，自力更生，堅韌頑強；扎根在西北，耐得住寂寞，淳樸厚道。”這是對五一○所的形象描述，也是李得天近30年如一日所堅持的精神內(nèi)涵。他認同五一○所歷史文化的傳承，也和團隊一起為了五一○所的未來，為了中國航天事業(yè)的未來奮力拼搏。endprint