服务国家需求，他们让古老学科“破壁”新生
宫玉彬在工作中。
■本报记者 杨晨 通讯员 罗莎
“这是一个古老又年轻的学科。”谈及真空电子学，电子科技大学电子科学与工程学院教授宫玉彬如此形容道。
从19世纪后期爱迪生发现热电子发射效应，到真空二极管、三极管的问世，人类算是摸到了信息社会的大门。后来速调管、磁控管、行波管、回旋管等相继出现，不仅支撑起通信、探测、成像和众多大科学装置，还应用于家用微波炉、医院计算机断层扫描（CT）和X光机这些日常设备。
真空电子学之所以年轻，是因为它从实验室走向工程应用后，仍有许多基础问题尚未解决。高效率、高功率、高频率、长寿命、小型化，是该学科发展的几个关键方向。
更重要的是，这门学科正通过新材料、新工艺、新计算手段与众多前沿领域进行交叉融合。老树渐发新芽。
2019年，依托真空电子器件技术全国重点实验室，宫玉彬带领的真空电子学团队获得国家自然科学基金创新研究群体项目（以下简称创新研究群体项目）。在创新研究群体项目支持下，他们一边啃基础研究的“硬骨头”，一边为国家重大工程提供核心器件的技术支撑。
“要耐得住性子”
“真空电子学学科的发展可以从电子科技大学建校时苏联专家援建真空电子器件专业算起，经过几代研究者的努力一直延续到今天。”宫玉彬说道。
真空电子学这个学科最显著的特质在于其既不是纯粹的“从0到1”的自由探索，也不是简单的工程拼凑，而是以国家重大需求为抓手，在解决实际工程瓶颈问题中又反向探索最底层的物理规律。这恰恰是创新研究群体项目最看重的。
在行波管、速调管、回旋管、磁控管等真空电子器件的研制过程中，表面上看是提升相应的功率、效率和延长寿命，抑或缩小器件体积、减轻重量等工程指标，但归根结底指向的是一个基础科学问题：如何让高速运动的自由电子更高效地将能量交给电磁波？
宫玉彬以太赫兹频段的真空电子器件为例，当频率升至太赫兹频段，器件内部结构尺度缩小到微米量级，传统机械加工就会无能为力。
“我们的做法是，首先在基础物理层重新思考微尺度下电磁波与电子的相互作用机理，设计出适配微纳加工的新型结构。”宫玉彬介绍，同时引入计算机数控、光刻、紫外光刻电铸成型等新的加工工艺来替代传统加工手段。
“标准工艺流程基本保持不动，但在参数设置、材料选取上做针对性改进，而工艺端也需针对器件结构的特殊性做一些调整。”宫玉彬将这一过程概括为“双向奔赴”。
在他看来，研发真空电子器件，终究是一门急不来的学问，“要耐得住性子”。
一个器件，光图纸就要画几十到一百多张，涉及许多种材料、几十到上百个零件。每一件单独加工后，再装配到一起，工艺要求极高。装好了还得排气，因为要保证器件能在真空环境下工作。任何一个环节出问题，没有重来的机会，只能整个报废。
“从设计到制作，时间都以年为单位计算。”宫玉彬说，尽管器件在所应用的设备或装置里可能只是小小的一部分，但在研究者眼里，复杂的器件本身就是一个系统。为了提升设计效率，团队还将人工智能技术引入自主开发的模拟仿真软件，使计算周期大幅缩短。
真空电子器件的应用场景跨度极大，上至空间科学领域、大科学装置中的核心功率源，下至家用微波炉里巴掌大的磁控管，后者一年量产几千万支。
磁控管看似简单且基础，但在量产中仍有尚未解决的实际问题，为此团队与国内电器企业共建联合实验室开展攻关。“比如效率，把直流电转换成微波的过程中，能量损耗在哪个环节？如何降低？效率每提高一个百分点，乘以每年几千万支的产量，带来的经济效应就非常可观。”宫玉彬说。
像磁控管这样可以批量化生产的品类，在真空电子器件中实属凤毛麟角，其他器件绝大多数都得“一用一议”。
同一个底层理论，面对不同的应用场景，提炼出来的具体科学问题也不相同。例如，如果是空间应用的大功率器件，就必须针对空间环境的特殊要求，从物理设计到工艺实现重新适配。在宫玉彬眼里，这恰恰是基础研究最有意思的地方。
使古老学科保持年轻
融合，是宫玉彬一直思考的问题。多学科背景让他和团队对真空电子学有了一层特殊的理解：“等离激元、超材料这些新概念，最早是在光学和材料技术领域兴起的。能否把这些新东西引入真空电子学，在拓宽基础认知的同时，也让传统器件性能获得提升？”
2019年，宫玉彬团队获得创新研究群体项目支持后，将表面等离激元和超材料引入真空电子学，形成了等离激元与超构真空电子学这一新方向，在真空电子器件性能上取得突破。
传统器件依赖真空中的自由电子，而二维电子气被限制在极薄界面层内运动，行为接近自由电子，却无需真空环境。于是，团队尝试用真空电子学的理论框架去解释和利用这一效应，研制出更小型的器件。
“以前的真空电子器件可能是米级、几十厘米级，我们现在尝试让它达到芯片量级。”宫玉彬说，这种真空电子学与微电子学的融合，为高频率、微型化器件开辟了新路径。
传统印象中，真空电子学是一门研究领域较窄的学科。但宫玉彬认为，其底层逻辑“场与自由电子相互作用”天然具备跨界辐射的能力。这一逻辑推动了真空电子学与其他学科的交叉融合，也持续刷新着应用交叉领域的边界，使古老学科得以保持年轻。
“能不能把真空电子学中研究场与自由电子相互作用的基本物理原理，用于研究生命体当中无机粒子的跨膜输运问题？”怀揣着这一想法，宫玉彬团队基于创新研究群体项目与生命科学相关团队展开合作，推动了电磁生物效应方向的发展。
CT球管、胸片透视的X射线源亦是真空电子学的重要研究内容。为此，宫玉彬团队还引进了一位专门从事X射线研究的年轻科学家。
在支持国家大科学装置方面，真空电子器件同样是不可或缺的核心动力源。“大型粒子加速器要把带电粒子从零加速到很高能量，能量从哪里来？就靠我们的大功率真空电子器件提供微波场。”宫玉彬介绍，受控热核聚变研究中，对等离子体进行加热，其波源也是大功率真空电子器件。在他看来，这些应用已不再是简单的器件输出，而是将基础研究成果向前沿科学领域纵深推进。
团队必须自然形成
找准学科间交叉融合的切入点，需要敏锐度，但这份敏锐并非与生俱来。
“首先要有非常好的数学和物理基础，有了这个基础，你才能抓住问题的本质。”宫玉彬表示，扎实的基础之外，勤快同样重要。“要不停地阅读文献，掌握最新动态，分析这些动态跟所学的专业之间到底有没有关联。”
学生进入宫玉彬团队后，也被要求认真阅读文献，基本功打牢了，再逐步进入更深入的科研工作。
科研格局也要打开。“不能觉得‘这是我的技术，就不能跟任何人分享’。一个人不可能掌握全部知识，一定要跟同行、不同领域研究者以及团队内成员有广泛交流。”宫玉彬指出，创新研究群体项目的可贵之处在于，它有一个重要前提，即团队必须自然形成。
这意味着成员以及合作者之间原本就有长期的合作基础和学术默契，交流起来没有行政壁垒，不必先花时间磨合，可以直接碰撞、互相启发。
交流碰撞最终要落到解决基础科学问题上，一旦取得突破，影响是加倍的。一方面，器件性能提升后能够更好地契合国家重大需求；另一方面，整个学科在国际上的学术能力也因此得到显著提升。
创新研究群体项目执行6年间，宫玉彬团队老中青梯度齐整，自主培养和引进了4位高层次国家级青年人才，分布在真空电子学各细分方向，还有多人成长为国家级人才。
团队在国际上的学术影响力也在持续积累。近5年，团队两名40岁以下青年学者斩获国际真空电子学青年科学家奖，该奖项是领域内面向40岁以下青年科学家的最高奖励。而宫玉彬也担任了电气和电子工程师协会（IEEE）国际真空电子学技术委员会委员、2025—2026年度IEEE真空电子技术委员会主席……
面向未来，真空电子学创新研究群体项目团队有张清晰的路线图。他们最看重的还是从国家重大需求里凝练出最底层的基础科学问题。“这是学科发展和交叉融合的根基。”宫玉彬说，此外还得盯着国际前沿，把研究不断与新原理、新材料、新工艺相结合。他们最终的目标仍然是把实验室里的成果变成可用的产品和装置。
宫玉彬也希望有更多具有研究基础，既能够瞄准国际前沿又能为国家作贡献的团队获得创新研究群体项目的支持，让科学家真正把论文写在祖国大地上。