徜徉在科研的樂(lè)園——訪“交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張江濤

■文/本刊記者 施京京

徜徉在科研的樂(lè)園
——訪“交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張江濤

■文/本刊記者 施京京

個(gè)人簡(jiǎn)介 張江濤，1972年生，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院電學(xué)與量子科學(xué)研究所研究員，全國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)電磁測(cè)量分會(huì)理事，國(guó)家電磁計(jì)量委員會(huì)委員。作為訪問(wèn)學(xué)者分別在法國(guó)國(guó)家電工研究中心(LCIE)、德國(guó)聯(lián)邦物理研究院（PTB）分別工作了6個(gè)月。2010年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)“交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和主要研究人員。2010年獲亞太計(jì)量組織Lizuka青年科學(xué)家獎(jiǎng)。2010年10月，被國(guó)家質(zhì)檢總局評(píng)為“科技興檢”先進(jìn)工作者。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院電學(xué)量子所的交流電量實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于張江濤來(lái)說(shuō)是個(gè)熟悉如家的地方。這個(gè)空間幾乎被大小儀器、蔓延的電線、自制的電子元件等充滿，似乎意味著這是沉浸其中的研究者們的樂(lè)園。張江濤和他的工作伙伴們，在這里不僅找到了無(wú)限樂(lè)趣，而且將用智慧和汗水凝聚的研究成果帶向世界，為國(guó)際電磁計(jì)量領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。談起獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的“交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)”項(xiàng)目時(shí)，張江濤娓娓道來(lái)，并如同展示寶貝一樣捧出他們精心制作的小巧的互感器，臉上流露出一抹童真的笑容。

創(chuàng)新的火花

2005年6月，在西班牙馬德里舉行的歐洲計(jì)量委員會(huì)交直流轉(zhuǎn)換專家會(huì)議上，一位中國(guó)學(xué)者的研究報(bào)告引起了各國(guó)同行的強(qiáng)烈關(guān)注。在他的報(bào)告中，首次提出了在交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)研究中，采用與國(guó)際上普遍采用的方法完全不同的新方法，同時(shí)憑借技術(shù)方案上的優(yōu)勢(shì)解決了國(guó)際上長(zhǎng)期無(wú)法解決的技術(shù)難題。報(bào)告結(jié)束后，來(lái)自各國(guó)的專家紛紛向他表示祝賀，因?yàn)樵谟?jì)量研究領(lǐng)域，十分重視研究成果對(duì)國(guó)際社會(huì)的貢獻(xiàn)。這位學(xué)者，就是來(lái)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的張江濤。

建立交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)是近年來(lái)國(guó)際研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，航空航天電子設(shè)備、軍工產(chǎn)品中的運(yùn)載工具、移動(dòng)軍事裝備、航海裝置等都對(duì)重量和體積有著嚴(yán)格的要求，高頻大電流的設(shè)備體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠，新一代航空航天及軍工產(chǎn)品的研制都把注意力轉(zhuǎn)向高頻變換以及大電流供電。此外，在高頻冶煉、電力電子以及醫(yī)療設(shè)備安全等方面，高頻大電流的使用也相當(dāng)廣泛。上個(gè)世紀(jì)90年代，美國(guó)航空航天局（NASA)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室首先提出高頻大電流的校準(zhǔn)需求，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究院（NIST）首先研制成功了高頻大電流源，輸出能力上限達(dá)到100A，100kHz，但NIST為校準(zhǔn)該電流源所研制的大電流分流器標(biāo)準(zhǔn)存在頻響不好、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，無(wú)法為該電流源提供可靠的校準(zhǔn)溯源。近年來(lái)，只有奧地利計(jì)量院（BEV）研制的同軸結(jié)構(gòu)大電流分流器的校準(zhǔn)能力達(dá)到了100A，100kHz，很多國(guó)家紛紛購(gòu)置該分流器用于建立各國(guó)的高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)。

在我國(guó)，航天國(guó)防事業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)能減排工作迫切需要盡快建立交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)。因此，2004年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院憑借國(guó)家社會(huì)公益研究專項(xiàng)科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)的支持，啟動(dòng)了建立高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)的項(xiàng)目，張江濤被任命為該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，與匯集著老中青科研力量的團(tuán)隊(duì)展開了接近3年的刻苦攻關(guān)。

在張江濤看來(lái)，課題的展開建立在老一輩科研工作者積累的成果上，而這也給了他無(wú)限的動(dòng)力?！坝?jì)量院的老前輩們剛來(lái)時(shí)，我國(guó)還處于困難時(shí)期，所有的東西都剛剛建立，他們查不到國(guó)外資料，也沒(méi)有什么電子元件，都需要通過(guò)最原始的方法來(lái)解決問(wèn)題，盡管如此，他們做出了很多成果，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先，這些積累的方法與現(xiàn)在的測(cè)量領(lǐng)域結(jié)合可以得到很好的效果。同時(shí)，看到他們?cè)谧约旱难芯款I(lǐng)域繼續(xù)堅(jiān)持開拓，也深深鼓勵(lì)著我，感覺(jué)到傳承的責(zé)任?！边@份責(zé)任感不僅讓張江濤和他的團(tuán)隊(duì)不辭辛苦積極投入到課題中，也令他們對(duì)研究的興趣不斷加深，碰撞出了一串串創(chuàng)新的火花。

在國(guó)際上，無(wú)論美國(guó)NIST還是奧地利BEV都是研制同軸大電流分流器以建立高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)至100A，100kHz，分流器的方案存在的缺點(diǎn)是由于電阻發(fā)熱嚴(yán)重，穩(wěn)定性不好，而且由于分流器散熱方面的限制，尺寸很大，頻響在高頻時(shí)非常不好，為了克服這些缺點(diǎn)，對(duì)分流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝都有極高的要求?！盀楹尾焕没ジ衅鹘⒏哳l大電流基準(zhǔn)呢？互感器的方法可等效看作互感式交流電阻，相比分流器方法發(fā)熱功率可降低幾十倍，由于不用擔(dān)心發(fā)熱的問(wèn)題，體積和重量也可以大幅度減小?！毕敕ㄌ岢鰜?lái)，但是連張江濤自己都不能確定能否成功——頻率范圍到20kHz時(shí)，運(yùn)用這種方法是沒(méi)問(wèn)題的，但到100kHz時(shí)真的可以嗎？這種方案事實(shí)上存在著很多技術(shù)難點(diǎn)，例如高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、負(fù)載過(guò)重……他們嘗試著改變同軸結(jié)構(gòu)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了高頻互感器方案。

2004年某天，德國(guó)聯(lián)邦物理研究院，在這里進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的張江濤拿著剛做完的看似粗糙的模型，來(lái)到該院電學(xué)處直流及低頻組組長(zhǎng)Manfred Klonz博士的辦公室，向他介紹了自己的想法，Manfred Klonz好奇地問(wèn)：“這樣真的行嗎？”因?yàn)橄啾扔赑TB的“大塊頭”分流器，這個(gè)互感器真的太小了！而當(dāng)測(cè)試結(jié)果出來(lái)時(shí)，他大為驚訝——這個(gè)“小家伙”能獲得很好的頻率響應(yīng)。2005年6月，張江濤在馬德里會(huì)議上報(bào)告了他們的研究成果后，這位組長(zhǎng)發(fā)來(lái)郵件寫道：“你在交流大電流研究方面做了相當(dāng)好的研究工作，非常感謝你出色的貢獻(xiàn)，同時(shí)我也看到你在馬德里會(huì)議上的報(bào)告給國(guó)際同行留下了深刻的印象?！?/p>

2006年年底，“交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)”項(xiàng)目完成，項(xiàng)目在關(guān)鍵技術(shù)上具有多項(xiàng)重大創(chuàng)新：采取了與國(guó)際上完全不同的獨(dú)立自主的互感器方案建立了我國(guó)交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)；研制了交直流差可計(jì)算的交流電阻，提供了我國(guó)獨(dú)立的交流電流溯源根基；研制了二進(jìn)制電抗分流器，在傳遞過(guò)程中避免了國(guó)際上的方法中低電位不一致的問(wèn)題，消除了此項(xiàng)重要的不確定度分量；在傳遞過(guò)程方面，從10mA到100A只需簡(jiǎn)單的4步，相比國(guó)際廣泛采用的至少13步，極大地降低了傳遞過(guò)程造成的不確定度積累；測(cè)量速度和穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)際上采用的交直流轉(zhuǎn)換法。研究成果得到了國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可，大電流分流器的研制者、奧地利計(jì)量院的Garcocz Martin博士在看到張江濤他們的新方法與分流器的比對(duì)結(jié)果后，感嘆道：“我要做的評(píng)論是，你們的方法為我的誤差計(jì)算提供了一種完全獨(dú)立的評(píng)估！”

攻克技術(shù)難點(diǎn)

在創(chuàng)新的過(guò)程中，張江濤和他的團(tuán)隊(duì)逐一攻克著技術(shù)上的難點(diǎn)，電流系數(shù)是引起電流交直流轉(zhuǎn)換測(cè)量最大的一項(xiàng)不確定度來(lái)源，也是張江濤和他的團(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中遇到的最大難點(diǎn)。在國(guó)際使用的方法中，交流電流的量程擴(kuò)展主要是通過(guò)分流器和熱電變換器組合后，在接近半量程電流下校準(zhǔn)，然后在滿量程電流下假設(shè)其交直流差不變進(jìn)行逐級(jí)傳遞。然而分流器的交直流差是否在半量程和滿量程下完全相等？這一直是國(guó)際上廣泛關(guān)注卻無(wú)法解決的難題。

“我們有著自己的想法和計(jì)劃，但沒(méi)有得到理想的結(jié)果之前，我們所經(jīng)歷的都是不斷發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的過(guò)程?！睆埥瓭f(shuō)，每當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)，他們都一起討論，在實(shí)驗(yàn)中如果發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果偏差大，唯一的解決辦法就是找出原因克服掉，再次測(cè)量。在研究電流系數(shù)的測(cè)量方法時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)若頻率超過(guò)20kHz，由于電容電位等影響，測(cè)量結(jié)果偏差很大，嘗試了各種實(shí)驗(yàn)還是無(wú)法解決——這是他們最艱難的時(shí)期，每天都在一遍遍地改變線路狀態(tài)，把所有可能的影響因素都分析一遍，連續(xù)一個(gè)月每天都工作到晚上12點(diǎn)半，不論在實(shí)驗(yàn)室還是家里，滿腦子思考的都是解決方法……后來(lái)，他們嘗試用二進(jìn)制電抗分流器的方法對(duì)電流系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了電阻分流器交直流差電流系數(shù)的絕對(duì)測(cè)量！這項(xiàng)研究成果在國(guó)際權(quán)威雜志IEEE2010年第一期上發(fā)表，對(duì)世界各國(guó)國(guó)家基準(zhǔn)不確定度的重新評(píng)價(jià)具有重要貢獻(xiàn)?！皢?wèn)題的未解決和解決，說(shuō)起來(lái)只是幾句話，但當(dāng)?shù)玫嚼硐氲臏y(cè)試結(jié)果時(shí)，心里非常開心，覺(jué)得踏實(shí)和放松了，可以喘口氣好好吃飯了。”張江濤笑著說(shuō)，“這就是做科研的樂(lè)趣！”

在興趣中堅(jiān)持

在課題組里，有一些新來(lái)的年輕人，團(tuán)結(jié)的氣氛和不言放棄的研究精神也影響了他們?！皬埨蠋熥屛覀儗W(xué)到，做科研要有責(zé)任感，他對(duì)我們說(shuō)得最多的，就是一定要把手中的任務(wù)做好?！闭n題組27歲的潘仙林說(shuō)。張江濤這種在科研中的堅(jiān)持讓他印象深刻，他記得張老師總對(duì)組里的年輕人說(shuō)：“作為研究人員，最重要不是你的學(xué)歷，而是要對(duì)研究有興趣，這會(huì)支持你不斷堅(jiān)持去克服各種難題。”

交流高頻大電流國(guó)家基準(zhǔn)的建立至今已經(jīng)成功地為我國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第514研究所、工業(yè)和信息化部電子第五研究所賽寶計(jì)量檢測(cè)中心等科研單位提供了可靠的校準(zhǔn)服務(wù)，同時(shí)為我國(guó)冶金、電力等行業(yè)提供了重要的技術(shù)支持，為提高能源使用效率及節(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。新的交流電流國(guó)家基準(zhǔn)的建立也為今后參加國(guó)際關(guān)鍵性比對(duì)、保證與國(guó)際量值的統(tǒng)一，提高我國(guó)產(chǎn)品的質(zhì)量，增加其國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該項(xiàng)目的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于2008年國(guó)際計(jì)量校準(zhǔn)能力(CMC)的申報(bào)，并通過(guò)了國(guó)際專家評(píng)審，使我國(guó)成為國(guó)際上為數(shù)不多的大電流校準(zhǔn)能力達(dá)到100A，100kHz的國(guó)家。

目前，張江濤他們又投入到了高頻功率國(guó)家技術(shù)的研究中，將已有的科研成果再進(jìn)行改進(jìn)，不僅要考慮原來(lái)的比差，還要結(jié)合角度誤差一起考慮。在新的任務(wù)和難題面前，他們保持著好奇心和沖勁，將繼續(xù)在這片研究的樂(lè)園中開拓下去！