李得天院士：勇攀真空計量高峰

張雙虎

國際標準化組織（ISO）近期發布實施了國際標準——《磁懸浮轉子真空計的規范、校準和測量不確定度》。這是我國首次在真空測試計量領域牽頭制定的國際標準，實現了這一領域“從0 到1”的突破。

該標準由中國航天科技集團五院五一〇所（蘭州空間技術物理研究所）研究員、中國工程院院士李得天牽頭制訂，標志著我國在真空計量領域達到國際一流水平，掌握更多的技術話語權。在這項國際標準的背后，有一群數十年如一日，默默“數分子”的人。

談及取得的成績，李得天感慨良多：“我們團隊就是在國家杰出青年科學基金、國家重大科研儀器研制項目、航天先進制造技術研究聯合基金等各類國家自然科學基金項目的長期支持下成長起來的。正是科學基金的穩定支持，讓我們能夠不斷攀登真空計量領域的高峰，為基礎研究貢獻力量。”

“數”分子“個數”的研究

在人類探索太空的征程中，由于真空泄漏，曾發生過數次嚴重事故。

1971年6月30日，俄羅斯宇航員完成“禮炮號”空間站任務返回途中，“聯盟11 號”飛船因壓力閥失效，僅數十秒時間，真空泄漏導致3 名宇航員窒息身亡。1986年1月28日，美國“挑戰者號”航天飛機發射73 秒后解體，7 名宇航員犧牲。調查發現，事故原因是火箭推進器密封圈失效造成燃料泄漏。

近年來，國際空間站也因真空泄漏而事故頻發。2020年9月，因氣體泄漏速率變快（漏率增至每天1.4kg），國際空間站中全體宇航員被迫轉移至俄羅斯艙段隔離14 天。

我國自上世紀末至今的數百次航天發射，從未發生過因真空泄漏而導致的重大航天事故。這只是真空計量保障航天工程的“冰山一角”。實際上，從國防建設到工業制造，再到民生工程，真空計量不只關乎前沿研究和高端制造，也與人們的日常生活息息相關。

“計量是關于測量的科學，真空計量主要研究真空壓力和氣體微流量的測量與校準。”李得天說，“只不過長度、質量、溫度等日常計量‘考察’的是我們可見可感的東西，真空計量‘考察’真空中氣體‘稀薄’程度，我們看不見、摸不著”。

真空是地外空間的首要特殊環境。人類探索太空、研究宇宙奧秘，離不開真空計量，真空獲得、真空維持（防止泄漏）、真空測量以及真空校準都屬于真空計量的研究范疇。

“前沿研究、高端制造尤其和真空計量關系密切。實際上，越是工業發達國家，越是重視真空計量研究，”李得天說，“因為真空氣體稀薄，真空計量實際上就是在真空中找氣體分子，所以可以將真空計量通俗理解為‘數’空間中的氣體分子個數。”

嫦娥五號月面采樣封裝示意圖

李得天在介紹真空標準裝置

從跟跑到領跑

根據空間（密閉容器）內氣體分子數的多少，科學家將真空劃分為粗真空、低真空、高真空、超高真空、極高真空等不同等級。通常離地球越遠，環境的真空度越高。

進入本世紀，隨著我國空間探測活動從地面到近地軌道、再到宇宙深空，真空測試計量需求也逐步延伸到了極高真空范圍，因此必須建立相應的超高/極高真空計量標準。

在地球上研究極高真空的前提是“獲得”極高真空，這需要將密閉容器空氣抽“干凈”的真空泵和真空分析儀器。當時，這些領域是我國的短板，國外又高筑技術壁壘。

2021年1月，李得天在人民網參加節目時講述科研歷程

“當時國外普遍采用液氦冷凍、液氮保護等低溫手段獲得極高真空，這樣的標準裝置結構復雜，運行成本很高，還會造成溫度不均勻，從而帶來測不準的問題，”李得天補充說，“即便如此，人家仍然不會把設備賣給我們。”

李得天曾遍訪全球主要的真空研究機構和相關企業。得知國外一家企業有款真空泵能在室溫條件下獲得極高真空，他立即動身前往拜訪。盡管雙方溝通順暢，交流融洽，但人家“炫技”后表示，這不是錢的事兒，設備不能賣。

沒有選擇，李得天團隊只能自主研制。

此后，他開展調研、查閱文獻、繼續走訪國際知名企業，并進行分析研究，對比技術路線。如何突破封鎖、解決“卡脖子”問題，一度成為李得天的一塊“心病”。直到受邀參加一次學術研討會，會上有學者介紹了一種用于生產惰性氣體的吸氣劑材料，李得天終于“眼前一亮”。

“當時，這種吸氣劑材料還沒有應用于真空計量的先例，但是它具有獨特的抽除混合氣體中活性氣體、保留惰性氣體的特性，”李得天說，“這一特性激發了我的思路。在真空計量中，惰性氣體（氦氣、氬氣等）通常作為校準氣體。這種對活性氣體選擇性抽除的吸氣劑，應該有望解決當時極高真空獲得和校準難題。”

這個電光石火般的靈感被李得天緊緊抓住，這使得他有機會向交叉學科領域作一次大膽跨越。經過多輪試驗，李得天團隊證實了這一技術的可行性，在此基礎上，創新性地提出磁懸浮渦輪分子泵級聯與非蒸散型吸氣劑選擇性抽氣相結合的室溫抽氣方法。

歷時5年，李得天團隊最終突破了室溫條件下極高真空獲得和校準技術瓶頸，解決了傳統“靜態膨脹法真空標準”的活性氣體脫附和滲漏等干擾問題，將國際最好水平延伸了兩個數量級，并自主研制了我國首臺超高/極高真空標準裝置，將我國真空校準能力首次延伸至10-10Pa的極高真空范圍。

相關成果發表后，得到了國際同行的認可和好評：“李得天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域很有意義的一項工作。”“該技術遠優于傳統方法。”“該工作是國際上‘僅有的’實際可行的常溫下極高真空標準。”……這項工作為我國月球探測、航天器空間環境模擬、重離子加速器、同步輻射光源、受控核聚變裝置等國家重大科技工程提供了重要的技術支撐和計量保障服務。

通過自主創新實現了精度更高的真空標準后，戲劇性的一幕出現了。原來將自己產品和技術捂得嚴嚴實實的國外企業，開始轉過頭來學習我國的創新技術。

“以前我們每個項目都要對標國際先進水平。這項技術出來后，歐洲計量發展規劃明確提出要參考我們的技術，建立室溫條件下極高真空標準裝置。”李得天頗為自豪。

建立真空計量技術體系

扎根西部30 多年來，李得天在真空計量領域不斷開疆拓土，帶領科研團隊，依靠自主創新，突破了真空中性氣體測試計量系列關鍵技術，建成了以國家計量標準、國防最高計量標準、ISO國際標準、國家標準、國防軍工計量規范等為核心的國防真空計量技術體系。

自上世紀90年代開始，真空計量工作直接支撐了我國航天泄漏檢測工程。李得天帶領團隊研制的系列化真空泄漏檢測裝置為火箭和衛星提供了計量保障；艙門快速檢漏儀完成了載人飛船交會對接、航天員出艙和返回等全過程在線檢漏；月球樣品密封封裝和漏率測量裝置保證了月球樣品無泄漏污染帶回地球。

進入本世紀，為滿足我國對空間電推進技術發展的需求，李得天帶領團隊持續攻關，研制成功大型系列電推進綜合測試與評價系統，突破了高真空、等離子體等復雜環境下電推進產品的在線動態測試與評價難題，實現了電推進真實工況下的天地等效測試，加速了我國電推進技術的發展，使我國航天領域步入了電推進時代。

目前，該項目成果已應用于眾多航天器所需的電推進產品，相關技術也推廣應用于空間環境模擬真空裝備中,為我國航天技術的不斷進步提供了重要技術支撐。2020年，該技術獲國家科學技術進步獎二等獎。

“最讓我自豪的是中國現在已經建立了完整的真空測試計量體系，而且用到了國家的重大工程，”李得天說，“我有些深切的體會，很多解決‘卡脖子’問題的關鍵技術是‘討不來’的，科技必須自立自強，這需要我們一代代科技工作者接力和傳承。老一輩科學家為我們打下了基礎，我們在此基礎上推進一步，還要培養好年輕人才，把事業延續下去。”

近期，繼發布我國在真空測試計量領域主導制定的首項國際標準后，李得天團隊又開始部署第二項真空測量方面國際標準的制定。下一步，李得天團隊將從三個方面持續奮斗，一是開展高端真空測量儀器研制，結合國際標準的制定，不斷提高國產科學儀器在國際上的主動權和話語權；二是推動計量前沿科技發展，將真空參數與物理常數聯系起來，促進真空計量標準逐步邁向量子化；三是隨著我國空間探測正在走向更遠的深空，構建我國空間探測計量保障體系，確保空間探測數據準確可靠，為高質量航天強國建設作出更大貢獻。