2026年6月，美国橡树岭国家实验室（ORNL）承接了美国能源部国家核安全局（NNSA）国防核不扩散研发项目，利用增材制造技术成功生产出像素化塑料闪烁体阵列。这种阵列是一种专门用于探测并区分中子与伽马射线的先进辐射探测设备。闪烁体属于辐射探测器的一种，当受到电离辐射照射时会发出可见光，是核安全监测领域不可或缺的核心器件。该项目由美国空军大学下属空军学院博士研究生Chandler Moore主导完成，他不仅从头设计、组装并编程了一台定制化 3D打印机 ，还与ORNL研究人员合作开发出新型3D打印闪烁体树脂，实现了辐射探测器件制造技术的重大突破。
定制化3D打印机：从零开始的创新之路
空军学院博士生Chandler Moore从零开始设计、组装并编程了一台定制化3D打印机，专门用于生产像素化闪烁体阵列。传统的闪烁体制造方法速度缓慢，在加工像素化阵列等复杂几何结构时受到极大限制。传统工艺通常采用铸造成型或机械加工的方式制造闪烁体，这两种方法在处理高分辨率像素化阵列时都面临严重瓶颈。铸造工艺难以实现精细的像素级结构定义，而机械加工则会在材料表面产生微裂纹和残余应力，影响闪烁体的光学性能和探测效率。Moore开发的3D打印方案成功打破了这些局限，在降低生产成本与人工投入的同时，显著提升了最终组件的分辨率。这一创新充分说明，在核探测领域，专用设备的自主研发和制造能力同样是核心技术竞争力的重要组成部分。这台定制化打印机采用了独特的光固化技术路线，能够精确控制每个像素的形状、尺寸和间距，从而实现传统工艺无法达到的探测精度。
新型树脂研发：材料创新助力探测性能跃升
在项目推进期间，Moore与ORNL的研究人员紧密合作，共同研发出一种新型3D打印闪烁体树脂，使得制造过去难以通过常规手段实现的高分辨率几何结构成为可能。新型树脂在保持良好光学透明性的同时，具备优异的辐射发光效率，能够有效将电离辐射转化为可探测的可见光信号。这种材料的开发涉及复杂的光化学配方设计，需要在保证高打印精度的同时，优化闪烁体的发光波长、衰减时间和光产额等关键性能参数。值得关注的是，这种材料不仅在3D打印工艺适应性方面表现出色，其闪烁性能也达到了与商用闪烁体材料相当甚至更优的水平。凭借这些研究成果，团队已发表了两篇高水平学术论文。此外，Moore曾前往劳伦斯利弗莫尔国家实验室参与暑期工作，协助推进3D打印塑料闪烁体材料的相关平行研发项目，进一步扩展了这项技术的学术影响力和技术成熟度。
军事应用价值：应急响应与条约监测的多维需求
此项目圆满完成了NNSA设定的所有交付目标，其产出的探测能力与美国空军的多项任务高度契合。这些任务涵盖应急响应、条约监测以及大气辐射监测等多个领域。在应急响应场景中，便携式高分辨率辐射探测器可以帮助快速定位和识别放射性物质，为核事故应急处置提供关键信息。在条约监测方面，高灵敏度的中子/伽马射线探测器是核不扩散核查的重要工具，可用于核试验监测和核材料安保。而在大气辐射监测领域，高分辨率闪烁体阵列能够更精确地识别人工放射性核素与自然背景辐射的差异，为全面禁止核试验条约的履约监测提供技术支撑。像素化阵列相比于传统的一体式闪烁体，能够提供更精确的辐射空间分布信息，这对于定位辐射源和区分不同类型的核材料具有重要价值。这一成果充分展现了增材制造在核安全领域的巨大潜力。
团队协作与未来展望
值得注意的是，这一重大成果是团队协作的结晶。除Chandler Moore外，空军学院的其他人员也做出了重要贡献，团队成员包括Juan Manfredi博士、撰写项目最初提案的Michael Febbraro博士、Daniel Rutstrom博士，以及Ryan Kemnitz中校和Andrew Decker中校。这种多学科、跨机构的协作模式，将核物理、材料科学和增材制造三个专业领域的顶尖人才聚集在一起，实现了知识交叉融合的创新效应。通过定制化3D打印与新型树脂研发，团队突破了传统工艺在复杂几何结构上的瓶颈，大幅提升了像素化闪烁体阵列的分辨率并降低了成本。展望未来，这一技术路径有望推广到更广泛的核探测应用场景，包括边境核材料安检、核电站辐射监测、医疗核成像设备等领域，为全球核安全事业提供更高效、更经济的硬件支撑。此外，定制化3D打印方法也可应用于其他类型辐射探测器的制造，具有广泛的技术可迁移性。
总结
美国空军学院利用定制化3D打印技术成功制造核辐射探测器，验证了增材制造在核安全器件领域的独特优势。新型闪烁体树脂和定制化打印设备的组合，突破了传统工艺在复杂几何结构上的限制，为核不扩散监测和应急响应提供了更高效的技术工具。
从更宏观的角度来看，美国空军学院的这项研究展示了学术机构在国防科技创新中的独特价值。博士生主导的科研项目以相对低廉的成本实现了传统国防合同难以企及的技术突破，这种"小团队、大突破"的模式值得全球国防科研体系借鉴。定制化3D打印的方法论不仅可以用于核辐射探测器，还可以推广到其他军用传感器的制造中。随着3D打印技术的不断进步和材料种类的持续扩展，未来战场上的专用传感器有望实现按需制造和即时部署。
来源：3D打印网、ORNL官方发布