■文/本刊記者 施京京

徜徉在科研的樂園
——訪“交流高頻大電流國家基準”項目負責人張江濤

■文/本刊記者 施京京

個人簡介 張江濤，1972年生，中國計量科學研究院電學與量子科學研究所研究員，全國儀器儀表學會電磁測量分會理事，國家電磁計量委員會委員。作為訪問學者分別在法國國家電工研究中心(LCIE)、德國聯邦物理研究院（PTB）分別工作了6個月。2010年度國家科技進步獎二等獎“交流高頻大電流國家基準”項目負責人和主要研究人員。2010年獲亞太計量組織Lizuka青年科學家獎。2010年10月，被國家質檢總局評為“科技興檢”先進工作者。

中國計量科學研究院電學量子所的交流電量實驗室，對于張江濤來說是個熟悉如家的地方。這個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園。張江濤和他的工作伙伴們，在這里不僅找到了無限樂趣，而且將用智慧和汗水凝聚的研究成果帶向世界，為國際電磁計量領域做出了重要貢獻。談起獲得國家科技進步獎二等獎的“交流高頻大電流國家基準”項目時，張江濤娓娓道來，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量委員會交直流轉換專家會議上，一位中國學者的研究報告引起了各國同行的強烈關注。在他的報告中，首次提出了在交流高頻大電流國家基準研究中，采用與國際上普遍采用的方法完全不同的新方法，同時憑借技術方案上的優(yōu)勢解決了國際上長期無法解決的技術難題。報告結束后，來自各國的專家紛紛向他表示祝賀，因為在計量研究領域，十分重視研究成果對國際社會的貢獻。這位學者，就是來自中國計量科學研究院的張江濤。

建立交流高頻大電流國家基準是近年來國際研究的一個熱點問題。隨著電子技術的不斷發(fā)展，航空航天電子設備、軍工產品中的運載工具、移動軍事裝備、航海裝置等都對重量和體積有著嚴格的要求，高頻大電流的設備體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠，新一代航空航天及軍工產品的研制都把注意力轉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)療設備安全等方面，高頻大電流的使用也相當廣泛。上個世紀90年代，美國航空航天局（NASA)的校準實驗室首先提出高頻大電流的校準需求，美國國家科學技術研究院（NIST）首先研制成功了高頻大電流源，輸出能力上限達到100A，100kHz，但NIST為校準該電流源所研制的大電流分流器標準存在頻響不好、穩(wěn)定性差等問題，無法為該電流源提供可靠的校準溯源。近年來，只有奧地利計量院（BEV）研制的同軸結構大電流分流器的校準能力達到了100A，100kHz，很多國家紛紛購置該分流器用于建立各國的高頻大電流國家基準。

在我國，航天國防事業(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家基準。因此，2004年，中國計量科學研究院憑借國家社會公益研究專項科技基礎條件平臺的支持，啟動了建立高頻大電流國家基準的項目，張江濤被任命為該項目的負責人，與匯集著老中青科研力量的團隊展開了接近3年的刻苦攻關。

在張江濤看來，課題的展開建立在老一輩科研工作者積累的成果上，而這也給了他無限的動力。“計量院的老前輩們剛來時，我國還處于困難時期，所有的東西都剛剛建立，他們查不到國外資料，也沒有什么電子元件，都需要通過最原始的方法來解決問題，盡管如此，他們做出了很多成果，達到了國際領先，這些積累的方法與現在的測量領域結合可以得到很好的效果。同時，看到他們在自己的研究領域繼續(xù)堅持開拓，也深深鼓勵著我，感覺到傳承的責任。”這份責任感不僅讓張江濤和他的團隊不辭辛苦積極投入到課題中，也令他們對研究的興趣不斷加深，碰撞出了一串串創(chuàng)新的火花。

在國際上，無論美國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家基準至100A，100kHz，分流器的方案存在的缺點是由于電阻發(fā)熱嚴重，穩(wěn)定性不好，而且由于分流器散熱方面的限制，尺寸很大，頻響在高頻時非常不好，為了克服這些缺點，對分流器的結構設計和加工工藝都有極高的要求。“為何不利用互感器建立高頻大電流基準呢？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，由于不用擔心發(fā)熱的問題，體積和重量也可以大幅度減小?！毕敕ㄌ岢鰜?，但是連張江濤自己都不能確定能否成功——頻率范圍到20kHz時，運用這種方法是沒問題的，但到100kHz時真的可以嗎？這種方案事實上存在著很多技術難點，例如高頻結構設計、負載過重……他們嘗試著改變同軸結構，通過反復實驗，在國際上首次實現了高頻互感器方案。

2004年某天，德國聯邦物理研究院，在這里進行學術交流的張江濤拿著剛做完的看似粗糙的模型，來到該院電學處直流及低頻組組長Manfred Klonz博士的辦公室，向他介紹了自己的想法，Manfred Klonz好奇地問：“這樣真的行嗎？”因為相比于PTB的“大塊頭”分流器，這個互感器真的太小了！而當測試結果出來時，他大為驚訝——這個“小家伙”能獲得很好的頻率響應。2005年6月，張江濤在馬德里會議上報告了他們的研究成果后，這位組長發(fā)來郵件寫道：“你在交流大電流研究方面做了相當好的研究工作，非常感謝你出色的貢獻，同時我也看到你在馬德里會議上的報告給國際同行留下了深刻的印象?！?/p>

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

攻克技術難點

在創(chuàng)新的過程中，張江濤和他的團隊逐一攻克著技術上的難點，電流系數是引起電流交直流轉換測量最大的一項不確定度來源，也是張江濤和他的團隊在研究過程中遇到的最大難點。在國際使用的方法中，交流電流的量程擴展主要是通過分流器和熱電變換器組合后，在接近半量程電流下校準，然后在滿量程電流下假設其交直流差不變進行逐級傳遞。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？這一直是國際上廣泛關注卻無法解決的難題。

“我們有著自己的想法和計劃，但沒有得到理想的結果之前，我們所經歷的都是不斷發(fā)現和解決問題的過程?！睆埥瓭f，每當遇到問題時，他們都一起討論，在實驗中如果發(fā)現測量結果偏差大，唯一的解決辦法就是找出原因克服掉，再次測量。在研究電流系數的測量方法時，他們發(fā)現若頻率超過20kHz，由于電容電位等影響，測量結果偏差很大，嘗試了各種實驗還是無法解決——這是他們最艱難的時期，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)一個月每天都工作到晚上12點半，不論在實驗室還是家里，滿腦子思考的都是解決方法……后來，他們嘗試用二進制電抗分流器的方法對電流系數進行了測量，測量結果達到了技術指標，在國際上首次實現了電阻分流器交直流差電流系數的絕對測量！這項研究成果在國際權威雜志IEEE2010年第一期上發(fā)表，對世界各國國家基準不確定度的重新評價具有重要貢獻?！皢栴}的未解決和解決，說起來只是幾句話，但當得到理想的測試結果時，心里非常開心，覺得踏實和放松了，可以喘口氣好好吃飯了?！睆埥瓭χf，“這就是做科研的樂趣！”

在興趣中堅持

在課題組里，有一些新來的年輕人，團結的氣氛和不言放棄的研究精神也影響了他們。“張老師讓我們學到，做科研要有責任感，他對我們說得最多的，就是一定要把手中的任務做好。”課題組27歲的潘仙林說。張江濤這種在科研中的堅持讓他印象深刻，他記得張老師總對組里的年輕人說：“作為研究人員，最重要不是你的學歷，而是要對研究有興趣，這會支持你不斷堅持去克服各種難題?！?/p>

交流高頻大電流國家基準的建立至今已經成功地為我國航天科技集團公司第五研究院第514研究所、工業(yè)和信息化部電子第五研究所賽寶計量檢測中心等科研單位提供了可靠的校準服務，同時為我國冶金、電力等行業(yè)提供了重要的技術支持，為提高能源使用效率及節(jié)能減排做出了重要貢獻。新的交流電流國家基準的建立也為今后參加國際關鍵性比對、保證與國際量值的統一，提高我國產品的質量，增加其國際競爭力奠定了技術基礎。該項目的研究成果已經應用于2008年國際計量校準能力(CMC)的申報，并通過了國際專家評審，使我國成為國際上為數不多的大電流校準能力達到100A，100kHz的國家。

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