“太空级”冷阴极电子枪3D打印原理样机诞生记
电机轴高速旋转，送丝盘稳步传动，真空室内丝材快速熔化、沉积成形……中国航空制造技术研究院高能束流发生器实验室内，一台两米见方的3D打印机正在制造一件精密钛合金结构件。
“这是我国首次在模拟微重力环境下，应用冷阴极电子枪实现‘太空级’3D打印。”日前，中国航空制造技术研究院研究员、冷阴极电子枪研发团队负责人许海鹰告诉科技日报记者，“该设备有望成为我国‘太空制造’中的加工利器。”
此前，该技术长期被国外垄断。磨剑近十载，团队先后攻克电源负载阻抗匹配难、束流功率小等难题，研发出寿命长、功率大的冷阴极电子枪，并成功应用于多个高端制造领域。
实现自适应匹配
“在太空中应用3D打印，可快速、低成本制造空间结构件、维修工具、探测器零部件等。我们希望将3D打印机搬上太空，为人类在太空中长期生存提供支撑。”许海鹰一语道破研发初衷。
愿望虽好，但征途并不平坦。用什么来熔化耐高温金属丝材实现3D打印？这是团队面临的首要问题。大家反复研判，最终确认冷阴极电子枪可担此“重任”。
“冷阴极电子枪可产生高能电子束流，犹如一把极热的‘火’，可熔化高温合金等材料。”许海鹰介绍，“只要让它烧得又稳又可控，就能保证3D打印连续工作。”
但是，大家很快发现，要烧好这把“火”殊为不易，如何让电源具备实时、快速调节能力成为最大的“拦路虎”。
“电源是为冷阴极电子枪提供能量的‘心脏’。我们要改装这颗‘心脏’，让它自适应调整‘供血’速率，保证电子束流稳定输出。”团队成员王壮打了个比方。
改装“心脏”，谈何容易？团队研究数月，依然无法定下合适的“手术”方案。直到有一天，团队成员、中国航空制造技术研究院高级工程师杨波惊奇地发现，电源控制系统中电感、电容等参数的微小偏差，竟会导致电子枪输出不稳定。他敏锐地判断：“这可能就是‘手术’方案的切入点！”
团队像是抓住了“救命稻草”，开始密切关注这种偏差。只要电源系统出现一点微小波动，团队成员都会不分日夜，在实验室里花上几个小时记录、分析。
经过数月的调试和优化，团队设计出一套实时电源控制算法。它能够根据负载阻抗的变化自动调整电流、电压等参数。冷阴极电子枪终于装上了一颗“聪明的心脏”，持续稳定地输出电子束流。
破解大功率难题
攻克电源负载自适应匹配这一难关后，研发团队又乘胜追击，逐一解决了高频电磁干扰、高温散热等一系列问题，顺利完成了3D打印设备研制和核心部件结构优化。
就在大家以为即将大功告成时，一盆冷水直接浇了个透心凉——电子束流的功率始终上不来。
适当增减工作气体、修改电子枪结构参数、更换阴极材料……团队想尽各种方法调试，可效果始终不理想，研发工作一度陷入僵局。
就在团队心情接近冰点之时，一次偶然试验中，电子枪输气管道出现些许漏气。让大家没想到的是，这时设备竟也能输出较大电子束流，甚至稳定度短时间内变高了。“我们大胆猜测，空气中的某种成分，可能对提升束流功率及其稳定性有帮助。”王壮记忆犹新。
“冷阴极电子枪内，工作气体在高压下电离产生等离子体，其中正离子负责轰击阴极金属，从而激发其释放出电子。”杨波解释，“我们一开始并不知道问题究竟出在哪里，直到这时才意识到，调整电子枪内工作气体‘配方’，应该是提升束流功率的关键。”
果然不出所料，团队在后续的不断验证中发现，电子枪中阴极材料——铝金属表面氧化而成的氧化铝，有助于提高阴极电子发射能力，可使电子束流达到期望功率且保持稳定。
大家立即着手改进气体“配方”，将原来使用的纯氦气，调整为氦气与氧气的混合气，人为促进氧化铝形成，最终实现了大功率电子束流的稳定输出。
接下来，团队又一步步突破了丝束同轴设计等多项技术难点，研制出国内首台基于冷阴极电子枪的3D打印设备，在地面可实现1000工作小时以上的稳定熔丝成形。
突破微重力瓶颈
地面3D打印的硕果犹如一剂“强心针”，极大地鼓舞了团队向浩瀚宇宙“再出发”。但是，想让冷阴极电子枪“飞天”，绝非易事。
“太空的微重力环境对材料流动和沉积行为影响很大，这是我们亟待解决的核心难题。”团队成员桑兴华解释，“在地面上，用于3D打印的金属丝材熔化形成熔滴，在重力影响下可直接滴至基板上成形。但在太空中，熔滴反而会顺着丝材‘往上爬’，远离基板、无法成形。”
为了突破这一瓶颈，团队在地面上模拟太空环境，先后尝试多种方法，均以失败告终。项目节点在即，倍感压力的桑兴华提出一个大胆设想：借鉴电弧焊原理，在丝材上施加脉冲电流，利用电磁力将熔滴“推”向基板。
方案一经提出，质疑声便接踵而来——“安全问题怎么解决？”
制备过程中，冷阴极电子枪要与丝材接触，电子枪本身就有上万伏高压，如果丝材再带电，那么绝缘就成了大问题。稍有不慎就会“串电”，对整套控制系统造成不可逆的损伤。
“大家僵持不下，又实在想不出更好的办法。”最终，团队抱着“死马当活马医”的想法，决定全力一搏。
他们立即着手搭建试验平台，将电子枪与丝材接触的部分换成陶瓷绝缘材质；为了确保安全，又将送丝电机、导丝轮等部件进行了绝缘处理。
经过反复试验，他们在短短3周内开发出一套脉冲电流控制装置，可在模拟的微重力环境下，让熔滴从丝材端“流向”基板。
在此基础上，团队又攻克了小型化、轻量化难题，最终研制出“太空级”冷阴极电子枪3D打印原理样机，体积仅有地面3D打印设备的四分之一，有利于大幅节约发射成本。
党的二十届三中全会提出，“推动科技创新和产业创新融合发展”“推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”。面向未来，许海鹰信心十足：“我们将着力加大科技创新力度，勇攀高能束激发与应用领域技术高峰，努力实现核心技术自主可控！”
电机轴高速旋转，送丝盘稳步传动，真空室内丝材快速熔化、沉积成形……中国航空制造技术研究院高能束流发生器实验室内，一台两米见方的3D打印机正在制造一件精密钛合金结构件。
“这是我国首次在模拟微重力环境下，应用冷阴极电子枪实现‘太空级’3D打印。”日前，中国航空制造技术研究院研究员、冷阴极电子枪研发团队负责人许海鹰告诉科技日报记者，“该设备有望成为我国‘太空制造’中的加工利器。”
此前，该技术长期被国外垄断。磨剑近十载，团队先后攻克电源负载阻抗匹配难、束流功率小等难题，研发出寿命长、功率大的冷阴极电子枪，并成功应用于多个高端制造领域。
实现自适应匹配
“在太空中应用3D打印，可快速、低成本制造空间结构件、维修工具、探测器零部件等。我们希望将3D打印机搬上太空，为人类在太空中长期生存提供支撑。”许海鹰一语道破研发初衷。
愿望虽好，但征途并不平坦。用什么来熔化耐高温金属丝材实现3D打印？这是团队面临的首要问题。大家反复研判，最终确认冷阴极电子枪可担此“重任”。
“冷阴极电子枪可产生高能电子束流，犹如一把极热的‘火’，可熔化高温合金等材料。”许海鹰介绍，“只要让它烧得又稳又可控，就能保证3D打印连续工作。”
但是，大家很快发现，要烧好这把“火”殊为不易，如何让电源具备实时、快速调节能力成为最大的“拦路虎”。
“电源是为冷阴极电子枪提供能量的‘心脏’。我们要改装这颗‘心脏’，让它自适应调整‘供血’速率，保证电子束流稳定输出。”团队成员王壮打了个比方。
改装“心脏”，谈何容易？团队研究数月，依然无法定下合适的“手术”方案。直到有一天，团队成员、中国航空制造技术研究院高级工程师杨波惊奇地发现，电源控制系统中电感、电容等参数的微小偏差，竟会导致电子枪输出不稳定。他敏锐地判断：“这可能就是‘手术’方案的切入点！”
团队像是抓住了“救命稻草”，开始密切关注这种偏差。只要电源系统出现一点微小波动，团队成员都会不分日夜，在实验室里花上几个小时记录、分析。
经过数月的调试和优化，团队设计出一套实时电源控制算法。它能够根据负载阻抗的变化自动调整电流、电压等参数。冷阴极电子枪终于装上了一颗“聪明的心脏”，持续稳定地输出电子束流。
破解大功率难题
攻克电源负载自适应匹配这一难关后，研发团队又乘胜追击，逐一解决了高频电磁干扰、高温散热等一系列问题，顺利完成了3D打印设备研制和核心部件结构优化。
就在大家以为即将大功告成时，一盆冷水直接浇了个透心凉——电子束流的功率始终上不来。
适当增减工作气体、修改电子枪结构参数、更换阴极材料……团队想尽各种方法调试，可效果始终不理想，研发工作一度陷入僵局。
就在团队心情接近冰点之时，一次偶然试验中，电子枪输气管道出现些许漏气。让大家没想到的是，这时设备竟也能输出较大电子束流，甚至稳定度短时间内变高了。“我们大胆猜测，空气中的某种成分，可能对提升束流功率及其稳定性有帮助。”王壮记忆犹新。
“冷阴极电子枪内，工作气体在高压下电离产生等离子体，其中正离子负责轰击阴极金属，从而激发其释放出电子。”杨波解释，“我们一开始并不知道问题究竟出在哪里，直到这时才意识到，调整电子枪内工作气体‘配方’，应该是提升束流功率的关键。”
果然不出所料，团队在后续的不断验证中发现，电子枪中阴极材料——铝金属表面氧化而成的氧化铝，有助于提高阴极电子发射能力，可使电子束流达到期望功率且保持稳定。
大家立即着手改进气体“配方”，将原来使用的纯氦气，调整为氦气与氧气的混合气，人为促进氧化铝形成，最终实现了大功率电子束流的稳定输出。
接下来，团队又一步步突破了丝束同轴设计等多项技术难点，研制出国内首台基于冷阴极电子枪的3D打印设备，在地面可实现1000工作小时以上的稳定熔丝成形。
突破微重力瓶颈
地面3D打印的硕果犹如一剂“强心针”，极大地鼓舞了团队向浩瀚宇宙“再出发”。但是，想让冷阴极电子枪“飞天”，绝非易事。
“太空的微重力环境对材料流动和沉积行为影响很大，这是我们亟待解决的核心难题。”团队成员桑兴华解释，“在地面上，用于3D打印的金属丝材熔化形成熔滴，在重力影响下可直接滴至基板上成形。但在太空中，熔滴反而会顺着丝材‘往上爬’，远离基板、无法成形。”
为了突破这一瓶颈，团队在地面上模拟太空环境，先后尝试多种方法，均以失败告终。项目节点在即，倍感压力的桑兴华提出一个大胆设想：借鉴电弧焊原理，在丝材上施加脉冲电流，利用电磁力将熔滴“推”向基板。
方案一经提出，质疑声便接踵而来——“安全问题怎么解决？”
制备过程中，冷阴极电子枪要与丝材接触，电子枪本身就有上万伏高压，如果丝材再带电，那么绝缘就成了大问题。稍有不慎就会“串电”，对整套控制系统造成不可逆的损伤。
“大家僵持不下，又实在想不出更好的办法。”最终，团队抱着“死马当活马医”的想法，决定全力一搏。
他们立即着手搭建试验平台，将电子枪与丝材接触的部分换成陶瓷绝缘材质；为了确保安全，又将送丝电机、导丝轮等部件进行了绝缘处理。
经过反复试验，他们在短短3周内开发出一套脉冲电流控制装置，可在模拟的微重力环境下，让熔滴从丝材端“流向”基板。
在此基础上，团队又攻克了小型化、轻量化难题，最终研制出“太空级”冷阴极电子枪3D打印原理样机，体积仅有地面3D打印设备的四分之一，有利于大幅节约发射成本。
党的二十届三中全会提出，“推动科技创新和产业创新融合发展”“推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”。面向未来，许海鹰信心十足：“我们将着力加大科技创新力度，勇攀高能束激发与应用领域技术高峰，努力实现核心技术自主可控！”
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