李得天院士：勇攀真空计量高峰

张双虎

国际标准化组织（ISO）近期发布实施了国际标准——《磁悬浮转子真空计的规范、校准和测量不确定度》。这是我国首次在真空测试计量领域牵头制定的国际标准，实现了这一领域“从0 到1”的突破。

该标准由中国航天科技集团五院五一〇所（兰州空间技术物理研究所）研究员、中国工程院院士李得天牵头制订，标志着我国在真空计量领域达到国际一流水平，掌握更多的技术话语权。在这项国际标准的背后，有一群数十年如一日，默默“数分子”的人。

谈及取得的成绩，李得天感慨良多：“我们团队就是在国家杰出青年科学基金、国家重大科研仪器研制项目、航天先进制造技术研究联合基金等各类国家自然科学基金项目的长期支持下成长起来的。正是科学基金的稳定支持，让我们能够不断攀登真空计量领域的高峰，为基础研究贡献力量。”

“数”分子“个数”的研究

在人类探索太空的征程中，由于真空泄漏，曾发生过数次严重事故。

1971年6月30日，俄罗斯宇航员完成“礼炮号”空间站任务返回途中，“联盟11 号”飞船因压力阀失效，仅数十秒时间，真空泄漏导致3 名宇航员窒息身亡。1986年1月28日，美国“挑战者号”航天飞机发射73 秒后解体，7 名宇航员牺牲。调查发现，事故原因是火箭推进器密封圈失效造成燃料泄漏。

近年来，国际空间站也因真空泄漏而事故频发。2020年9月，因气体泄漏速率变快（漏率增至每天1.4kg），国际空间站中全体宇航员被迫转移至俄罗斯舱段隔离14 天。

我国自上世纪末至今的数百次航天发射，从未发生过因真空泄漏而导致的重大航天事故。这只是真空计量保障航天工程的“冰山一角”。实际上，从国防建设到工业制造，再到民生工程，真空计量不只关乎前沿研究和高端制造，也与人们的日常生活息息相关。

“计量是关于测量的科学，真空计量主要研究真空压力和气体微流量的测量与校准。”李得天说，“只不过长度、质量、温度等日常计量‘考察’的是我们可见可感的东西，真空计量‘考察’真空中气体‘稀薄’程度，我们看不见、摸不着”。

真空是地外空间的首要特殊环境。人类探索太空、研究宇宙奥秘，离不开真空计量，真空获得、真空维持（防止泄漏）、真空测量以及真空校准都属于真空计量的研究范畴。

“前沿研究、高端制造尤其和真空计量关系密切。实际上，越是工业发达国家，越是重视真空计量研究，”李得天说，“因为真空气体稀薄，真空计量实际上就是在真空中找气体分子，所以可以将真空计量通俗理解为‘数’空间中的气体分子个数。”

嫦娥五号月面采样封装示意图

李得天在介绍真空标准装置

从跟跑到领跑

根据空间（密闭容器）内气体分子数的多少，科学家将真空划分为粗真空、低真空、高真空、超高真空、极高真空等不同等级。通常离地球越远，环境的真空度越高。

进入本世纪，随着我国空间探测活动从地面到近地轨道、再到宇宙深空，真空测试计量需求也逐步延伸到了极高真空范围，因此必须建立相应的超高/极高真空计量标准。

在地球上研究极高真空的前提是“获得”极高真空，这需要将密闭容器空气抽“干净”的真空泵和真空分析仪器。当时，这些领域是我国的短板，国外又高筑技术壁垒。

2021年1月，李得天在人民网参加节目时讲述科研历程

“当时国外普遍采用液氦冷冻、液氮保护等低温手段获得极高真空，这样的标准装置结构复杂，运行成本很高，还会造成温度不均匀，从而带来测不准的问题，”李得天补充说，“即便如此，人家仍然不会把设备卖给我们。”

李得天曾遍访全球主要的真空研究机构和相关企业。得知国外一家企业有款真空泵能在室温条件下获得极高真空，他立即动身前往拜访。尽管双方沟通顺畅，交流融洽，但人家“炫技”后表示，这不是钱的事儿，设备不能卖。

没有选择，李得天团队只能自主研制。

此后，他开展调研、查阅文献、继续走访国际知名企业，并进行分析研究，对比技术路线。如何突破封锁、解决“卡脖子”问题，一度成为李得天的一块“心病”。直到受邀参加一次学术研讨会，会上有学者介绍了一种用于生产惰性气体的吸气剂材料，李得天终于“眼前一亮”。

“当时，这种吸气剂材料还没有应用于真空计量的先例，但是它具有独特的抽除混合气体中活性气体、保留惰性气体的特性，”李得天说，“这一特性激发了我的思路。在真空计量中，惰性气体（氦气、氩气等）通常作为校准气体。这种对活性气体选择性抽除的吸气剂，应该有望解决当时极高真空获得和校准难题。”

这个电光石火般的灵感被李得天紧紧抓住，这使得他有机会向交叉学科领域作一次大胆跨越。经过多轮试验，李得天团队证实了这一技术的可行性，在此基础上，创新性地提出磁悬浮涡轮分子泵级联与非蒸散型吸气剂选择性抽气相结合的室温抽气方法。

历时5年，李得天团队最终突破了室温条件下极高真空获得和校准技术瓶颈，解决了传统“静态膨胀法真空标准”的活性气体脱附和渗漏等干扰问题，将国际最好水平延伸了两个数量级，并自主研制了我国首台超高/极高真空标准装置，将我国真空校准能力首次延伸至10-10Pa的极高真空范围。

相关成果发表后，得到了国际同行的认可和好评：“李得天提出的分流法校准方法，校准下限达到了极高真空范围，校准范围宽，测量不确定度小，校准装置不需要采用低温抽气手段，操作容易，是近年来在极高真空研究领域很有意义的一项工作。”“该技术远优于传统方法。”“该工作是国际上‘仅有的’实际可行的常温下极高真空标准。”……这项工作为我国月球探测、航天器空间环境模拟、重离子加速器、同步辐射光源、受控核聚变装置等国家重大科技工程提供了重要的技术支撑和计量保障服务。

通过自主创新实现了精度更高的真空标准后，戏剧性的一幕出现了。原来将自己产品和技术捂得严严实实的国外企业，开始转过头来学习我国的创新技术。

“以前我们每个项目都要对标国际先进水平。这项技术出来后，欧洲计量发展规划明确提出要参考我们的技术，建立室温条件下极高真空标准装置。”李得天颇为自豪。

建立真空计量技术体系

扎根西部30 多年来，李得天在真空计量领域不断开疆拓土，带领科研团队，依靠自主创新，突破了真空中性气体测试计量系列关键技术，建成了以国家计量标准、国防最高计量标准、ISO国际标准、国家标准、国防军工计量规范等为核心的国防真空计量技术体系。

自上世纪90年代开始，真空计量工作直接支撑了我国航天泄漏检测工程。李得天带领团队研制的系列化真空泄漏检测装置为火箭和卫星提供了计量保障；舱门快速检漏仪完成了载人飞船交会对接、航天员出舱和返回等全过程在线检漏；月球样品密封封装和漏率测量装置保证了月球样品无泄漏污染带回地球。

进入本世纪，为满足我国对空间电推进技术发展的需求，李得天带领团队持续攻关，研制成功大型系列电推进综合测试与评价系统，突破了高真空、等离子体等复杂环境下电推进产品的在线动态测试与评价难题，实现了电推进真实工况下的天地等效测试，加速了我国电推进技术的发展，使我国航天领域步入了电推进时代。

目前，该项目成果已应用于众多航天器所需的电推进产品，相关技术也推广应用于空间环境模拟真空装备中,为我国航天技术的不断进步提供了重要技术支撑。2020年，该技术获国家科学技术进步奖二等奖。

“最让我自豪的是中国现在已经建立了完整的真空测试计量体系，而且用到了国家的重大工程，”李得天说，“我有些深切的体会，很多解决‘卡脖子’问题的关键技术是‘讨不来’的，科技必须自立自强，这需要我们一代代科技工作者接力和传承。老一辈科学家为我们打下了基础，我们在此基础上推进一步，还要培养好年轻人才，把事业延续下去。”

近期，继发布我国在真空测试计量领域主导制定的首项国际标准后，李得天团队又开始部署第二项真空测量方面国际标准的制定。下一步，李得天团队将从三个方面持续奋斗，一是开展高端真空测量仪器研制，结合国际标准的制定，不断提高国产科学仪器在国际上的主动权和话语权；二是推动计量前沿科技发展，将真空参数与物理常数联系起来，促进真空计量标准逐步迈向量子化；三是随着我国空间探测正在走向更远的深空，构建我国空间探测计量保障体系，确保空间探测数据准确可靠，为高质量航天强国建设作出更大贡献。