太赫兹回旋管中若干物理问题的研究

Terahertz (THz) science and technology is of great prospects in applications including wireless communication, medical diagnosis, environmental monitoring, radar, safety inspection, radio astronomy and material testing. However, one of the major factors hindering the development of THz science and technology is the lack of available THz radiation sources. Gyrotron is a kind of relativistic fast-wave device, which is based on the mechanism of the electron cyclotron resonance maser (ECRM). Gyrotrons are with the outstanding advantages of high power and high efficiency in millimeter-wave and THz ranges. The problem is that, right at this stage of THz gyrotron development, there are three urgent challenges to be solved, namely the dependency on high magnetic field strength, mode competitions, and serous ohmic dissipation. For the purpose of overcoming the aforementioned challenges, systematic investigation on the fundamental physics of the THz gyrotron will be carried. The first attenuation will be paid to the high harmonic ECRM scheme to reduce the magnetic field strength by several times and simultaneously maintain relatively high output power and efficient interaction. Studying the mode competition mechanism and stabilizing technology, it is an effective way to bring various kinds of instabilities under control. Developing high-volume-mode ECRM system, it will enhance the Q-factor and suppress deteriorate influence from the ohmic dissipation to THz gyrotron. Intense efforts of this program will be devoted to breaking the crucial barriers limiting THz gyrotron development, and promoting the advancement of THz science and technology.

太赫兹科学技术在无线通信、医疗诊断、环境监测、雷达、安全检查、射电天文和材料检测等方面具有重要的应用前景，而太赫兹辐射源则是制约太赫兹科学技术发展的主要瓶颈之一。回旋管是基于电子回旋谐振受激辐射（ECRM）机理的一种相对论快波器件，在毫米波和太赫兹频段具有功率大和效率高的突出优点。然而，在目前太赫兹回旋管的发展中，亟需解决三个主要问题，即对强磁场的依赖、模式竞争和严重的欧姆损耗问题。为此，本项目拟针对这三个问题，开展太赫兹回旋管中对应的物理问题的研究。重点开展高次谐波ECRM的研究，以成倍降低系统所需的磁场强度，同时获得较高的输出功率和互作用效率；开展太赫兹频段ECRM系统的模式竞争机理和控制技术的研究，以有效管控各种不稳定性；发展高阶腔体模式ECRM系统，提高系统品质因数，降低欧姆耗散对太赫兹回旋管的影响。希望通过该项研究，打破太赫兹回旋管发展的关键屏障，推动太赫兹科学技术的发展。

本项目针对太赫兹回旋管发展中亟需解决的强磁场依赖、模式竞争和严重欧姆损耗问题，重点开展了高次谐波电子回旋脉塞、太赫兹回旋器件的模式竞争机理和控制技术以及高阶腔体模式电子回旋脉塞系统的研究。首先发展了分析太赫兹回旋管的频域和时域非线性互作用理论；通过对高次谐波大回旋轨道太赫兹回旋管中的电子注-波互作用的研究，给出了可数倍降低系统所需的磁场强度且具备较高输出功率和效率的高次谐波太赫兹回旋管设计；开展了太赫兹回旋管内模式竞争机理和控制技术的研究，获得了可有效管控太赫兹回旋管中各种不稳定性的手段；通过引入互作用空间的等效损耗参量波导壁欧姆损耗模型研究了高阶腔体模式太赫兹电子回旋脉塞中的欧姆损耗问题，使互作用效率、输出功率和欧姆损耗获得有效平衡，实现了器件的高效率输出；发展出基于簇模机制的宽带调频太赫兹回旋管的创新设计方案，论证了基于脉冲磁体的小型化宽带调频太赫兹回旋管的系统设计和工程方案。同时，我们也开展了基于表面等离激元的新型太赫兹电子学源的研究工作，提出了通过电子束在渐变光栅及周期石墨烯条带表面产生表面等离激元的新型太赫兹电子学源方案，并发展出多种操控太赫兹波的手段。已在本领域著名国际期刊发表SCI论文27篇（其中IEEE系列期刊16篇），IRMMW-THz和IVEC等本领域主要国际会议发表论文21篇；申请国家发明专利9项（授权2项）；获计算机软件著作权1项；培养博士后1名、博士研究生6名（毕业5名）、硕士研究生4名（毕业2名）。本项目已超预期完成了研究目标，为打破太赫兹回旋管发展的关键屏障，研制高性能太赫兹辐射源奠定了技术基础。