导读：太空是真空，我们都听说过这句话。但这并不意味着太空完全空无一物，只是意味着其中的粒子和物质含量极低。恒星会喷射出带电粒子风，特别是构成等离子体的电子和离子，在太阳风暴期间，这种粒子风的强度会非常大。
2025年12月19日，南极熊获悉，来自等离子体物理实验室（LPP）的研究人员开发了一种用于测量太空带电粒子流的新装置，采用3D打印技术完成制造。在外太空，等离子体粒子会与类似地球磁场的行星周围环境相互作用，从而产生令人叹为观止的大气奇观，例如极光。但是，这些粒子也会对卫星以及飞越极地地区的机组人员造成负面影响。正如地球上一样，太空天气难以精确预测，但随着我们在轨道上使用越来越精密的设备和技术，预测这些现象变得越来越必要。
LPP是法国国家科学研究中心（CNRS）、巴黎综合理工学院、索邦大学、巴黎-萨克雷大学和巴黎天文台-PSL的联合研究机构。在法国国家空间研究中心（CNES）的支持下，LPP的“空间等离子体”团队研发了紧凑型3DCAM，他们称这是首款能够测量太空粒子的等离子体相机。
Gwendal Hénaff 最近在 LPP 完成了他的论文答辩，并与他的研究伙伴在《Journal
ofGeophysical Research: Space Physics》期刊上发表了题为“A CompactIon-Electron
Plasma Camera Spectrometer With an Instantaneous Hemispheric Fieldof
View/具有瞬时半球视场的紧凑型离子电子等离子体相机光谱仪”的论文。除了 Hénaff 和 Berthomier 之外，合著者还包括LPP
的Frédéric Leblanc 、Jean-Denis Techer和Yvan Alata ，以及CNES 的Carla Costa。
△格温达尔·赫纳夫（Gwendal Hénaff ）在攻读博士学位期间，致力于开发一种小型化等离子体相机（如上图所示），相机在真空室中进行了校准测试。
研究团队在论文摘要中写道：“我们利用增材制造和选择性金属化技术，开发了一种基于甜甜圈拓扑结构的紧凑型离子/电子等离子体相机。”在法国国家科学研究中心 (CNRS) 太阳、日球层和磁层研究小组主席、法国国家空间研究中心 (CNES)
太阳、日球层和磁层工作组主席 Matthieu Berthomier 的指导下，Hénaff
在他的论文中研究了一种新的光学拓扑结构，目标是实现覆盖整个半球的视场，以及在短短几十分之一秒内对等离子体粒子进行精确测量。
研究团队专注于高速计数这些粒子，并测量它们的密度、能量和速度——科学家们称之为“离子和电子的分布函数”。虽然传统仪器需要几秒钟才能捕获所有这些数据，但Hénaff的目标是使用3DCAM近乎瞬时地捕获半球形测量结果。Hénaff说：“传统仪器的视野仅限于卫星周围的一个平面。由于它们需要进行三维测量，这些仪器分阶段进行，使用偏转器来扩大视野。”
此外，研究人员通常需要携带多种仪器才能进行精确测量，这在轻量化至关重要的环境中无疑增加了设备的重量。而3D打印技术在这方面可以发挥巨大作用：减轻航天设备的重量。事实上，如果没有3D打印技术的应用，这个项目根本无法完成，而3D打印的优势不仅仅在于减轻物体的重量。
Hénaff解释说：“这种形成环环相扣的环状光学拓扑结构的想法早在十多年前就出现了，但实现起来却很复杂。我们的团队意识到，只有利用增材制造技术的最新进展，通过3D打印才能实现它。”正如团队在论文中所述，采用传统方法制造甜甜圈状静电分析仪（ESA）十分困难，因为需要制作数十个独立部件，这可能会降低光学性能和静电环境的质量。他们决定采用SLA
3D打印技术制造ESA原型，因为这项技术能够打印高分辨率物体，并且使用了低挥发性、高机械性能和热性能的树脂。
打印完成后，先用超声波清洗机清洗，然后对光学元件进行化学蚀刻和活化。最后，使用商用电镀液在光学元件上选择性地沉积一层化学镀铜层。这种选择性金属化工艺使得电极能够沉积在3D打印的非导电树脂部件上；正是这些电极使光学元件能够工作，从而将带电粒子偏转到探测器上，“并在探测器上形成探针周围等离子体的图像”。
3DCAM采用薄碳箔依次探测低能离子和电子。这与3D打印无关，而是为了操作等离子体相机，相机已完成初步测试和校准阶段。目前，团队正在开发3DCAM的鉴定模型，将更接近于可在实际太空探测器上使用的仪器。模型将于2026年底完成环境、机械和热学测试，团队计划于2028年进行3DCAM的在轨演示。
研究人员在论文中总结道：“我们证明了甜甜圈分析仪可以利用增材制造和选择性化学镀技术制造，据我们所知，这在等离子体仪器开发领域尚属首次。这些新技术使我们能够在无需复杂加工和组装的情况下实现这些新的拓扑结构，从而有可能降低生产成本。总的来说，这项研究证明了利用甜甜圈拓扑概念对空间等离子体进行原位表征的可行性。”
来源：南极熊
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