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为温度计量作出中国贡献——记“国家卓越工程师”、中国计量科学研究院首席专家张金涛


  来源: 中国消费者报•中国消费网 时间:2024-03-19 编辑:清风
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1月19日,“国家工程师奖”首次评选表彰大会在人民大会堂举行,81名个人被授予“国家卓越工程师”称号,50个团队被授予“国家卓越工程师团队”称号。其中就包括中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)首席研究员张金涛,他荣获了“国家卓越工程师”称号。


温度单位的重大变革


张金涛,中国计量院首席研究员,中国温度计量基础研究领域领军人才。曾以第一完成人获2018年度国家科学技术进步一等奖,获第六届“全国杰出专业技术人才”称号。


作为计量战线上的一名科研工作者,张金涛长期从事国际单位制SI温度单位重新定义的研究,温度SI是七个基本物理量之一,它和我们的生活息息相关,比如人体是恒温系统,温度的异常波动,意味着身体某个方面的病灶;地球是个恒温体,气候变化的最直观表现是海洋和大气温度的波动;温度是指示物理系统状态的关键参数,物理基本现象的研究,离不开对系统温度的准确测量和调控;芯片制造离不开对环境温度的长期精确的控制;人类从事的任何最高精度的测量,都需要降低系统的温度,消除热噪声效应,精确地控制温度保证测量的稳定和一致……从时间的维度、和空间的维度,保证人类的温度测量的一致性和可比性,依赖温度单位定义的时空不变性。然而长期以来,温度单位的定义都依赖于某种物质的自然属性,比如用水的三相点的热力学温度定义温度单位(即水三相点的热力学温度的273.16分之一为1K)。


显然,实物的属性终究抵不过时光的侵蚀,而在人类的科学认知中,时空中恒定的莫过于物理定律和基本常数。因此从上世纪60年代开始,国际计量界开始研究用基本常数重新定义基本单位,提出用玻尔兹曼常数取代水的三相点定义温度单位。


张金涛正在做科学实验


国际温度单位的“中国贡献”


2018年11月16日,第26届国际计量大会(CGPM)经包括中国在内的各成员国表决,全票通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。根据决议,千克、安培、开尔文和摩尔等4个SI基本单位的定义将改由常数定义,于2019年5月20日起正式生效。


在此次国际单位制变革的工作中,中国计量科学研究院利用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数,为SI温度基本单位开尔文的修订作出了重要贡献。带领团队承担“玻尔兹曼常数测量研究”课题的,就是张金涛。


早在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,作为中国计量院温度计量基础研究创新团队负责人,张金涛带领团队开展玻尔兹曼常数的测定。


按照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)的要求,为避免单一方法可能存在的系统误差,必须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。


当时国际上开展的玻尔兹曼常数测量,采用的是实验设备是一种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很高。张金涛却另辟蹊径,带领温度计量基础研究创新团队,经过多年如一日的科研攻关,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,这一方案突破了当时国内超精密加工、测量能力不足的限制,定程圆柱声学气体原级法核心部件的装配鲁棒性(指一个系统或算法在面对输入数据中的扰动或噪声时,保持其性能稳定性和准确性的能力)强、技术扩展性好,可用于解决极端环境下的温度测量技术难题。与此同时,团队骨干还提出了无感应误差的磁通量子调控技术,大幅度地改善了磁通量子噪声原级法的测量水平。通过系列关键技术创新,实现玻尔兹曼常数测量相应方法全球最佳测量结果,这也是全球唯一采用两种独立方法满足重新定义的成果,在温度单位重新定义的历史性变革中作出突出贡献,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。因为上述贡献,中国计量院“温度单位重大变革关键技术研究”项目荣获2018年度国家科技进步奖一等奖。


探索新的精密计量高峰


在科研过程中,曾遇到很多困难。张金涛表示:“科学研究好比登山,一览众山小的感觉激励科学研究的爱好者向更高峰攀登。”


关键词:中国计量科学研究院 张金涛    浏览量:1916

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