面向生物医学应用的小型化太赫兹回旋管理论与关键技术研究

Terahertz (THz) wave, that is a promising slice of electromagnetic spectrum between millimeter wave and infrared wave, does have a series of uniquely attractive advantages over conventional technologies and recent breakthrough has triggered a number of applications in biomedicine. The miniaturized THz gyrotrons are the most appropriate radiation source for nuclear magnetic resonance spectroscopy enhanced by dynamic nuclear polarization (DNP-NMR), tumor thermal therapy and other techniques..The aim of this project is to critically provide a scientific and technical resolution to further miniaturization, low-voltage operation and continuous-wave broadband frequency tuning of THz gyrotrons..We intend to have a theoretical, computational and experimental study on high-harmonic electron beam-wave interaction behavior and multi-mode dynamics for three-dimensional electrically-large structures within the THz range; to construct highly-selective modal filter approach based on broadband tuning of the gyrotron source; to present a new diagram of broadband-tunable backward-wave interaction oscillator circuits; to improve integrated electro-optic compatibility to design electro-optic systems and quasi-optical mode converters for THz gyrotrons in compact space; to develop miniaturized and low-voltage gyrotrons with continuous-wave broadband-frequency-tunable THz radiation and explore the frequency-locked and power-controlled methods; to innovate a novel and complete strategy for a feasible THz DNP-NMR system in which gyrotrons meets the demanding specifications of biomedical diagnostics and treatment, and to attempt a ground-breaking THz detection technique that involves biomedical imaging with independent intellectual property rights.

太赫兹波在电磁波谱上介于毫米波到红外线之间，具备一系列独特的性质，在生物医学领域具有非常重要的应用。小型化太赫兹回旋管是实现动态核极化增强的核磁共振（DNP-NMR）和太赫兹肿瘤热疗等技术的首选太赫兹辐射源。本项目旨在解决制约太赫兹回旋管实现小型化、低电压和宽带连续调谐的关键科学与技术问题。拟采用理论、计算和实验相结合的方法，重点研究太赫兹电大尺寸三维结构中高次谐波多模电子注-波互作用动力学过程；寻求具有高度模式选择能力的滤模技术；提出具有宽频带调谐特性的返波互作用电路创新方案；发展在紧凑空间内实现电子光学系统和太赫兹波准光学变换系统的电-光兼容集成技术；研制出低压小型化宽带调谐连续波太赫兹回旋管，探索其锁频与功率控制方法，形成太赫兹回旋管在DNP-NMR谱仪上的应用方案，牵引DNP-NMR和太赫兹肿瘤热疗等多个生物医学领域的创新，为发展具有自主知识产权的太赫兹生物医学检测技术奠定基础。

本项目面向生物医学应用，开展了太赫兹回旋管理论与关键技术问题的研究。首先构建了系统分析太赫兹回旋管的频域稳态和时域多模两种非线性理论，特别是提出了傅里叶变换时域阻抗壁来精确模拟电子回旋脉塞系统的腔体损耗问题，发展出先进、完善的太赫兹回旋管理论研究体系，开发出了具有自主知识产权的仿真设计软件。发展出了多种新型互作用结构，包括可抑制模式竞争并实现多模宽带调谐的基于渐变腔体的互作用高频结构、基于温度控制的宽带高效率太赫兹回旋管高频互作用电路以及基于回音壁模式的超宽带太赫兹回旋管调频互作用电路；提出了一种超宽带扫频回旋管方案；提出了抑制谐波模式竞争的软启动方法，可实现三次谐波高效率工作；提出了多谐波调谐太赫兹回旋管方案；开发了太赫兹回旋管电子光学系统和准光模式变换器的模拟设计程序，研制出基于准光学技术的回旋管内置准光多模式宽带变换天线，实现了“电-光兼容”集成。采用自主研制的太赫兹频段的高频互作用电路、磁控注入式电子枪、准光模式变换器和蓝宝石输出窗等关键部件，先后研制成功基于脉冲磁铁、体积仅25cm×25cm×42cm的330GHz微型准光集成太赫兹回旋管样管以及基于超导磁体的330GHz连续波太赫兹回旋管样管。对后者的测试结果显示，其谐波输出频率334-335 GHz，输出功率>120W。采用提出的基于电子光学系统自调谐的回旋管锁频方案，实验测试获得1MHz量级的输出频谱线宽，具有极高的频率稳定性。基于330GHz连续波回旋管和500MHz的核磁共振谱仪，设计了一套由高斯喇叭、金属波纹波导、定向耦合器和直角弯波导等部件组成的系统作为连接两者之间的大功率太赫兹波传输系统，给出了一套完整的330GHz/500MHz DNP-NMR谱仪方案。已发表学术论文93篇，其中本领域主要国际期刊SCI论文40篇，IRMMW-THz和IVEC等本领域主要国际会议论文40篇；项目组成员在2021年度的IVEC上荣获IEEE-EDS“真空电子学青年科学家奖”并做大会报告（Plenary Talk），在国内外学术会议上做邀请报告（Invited Talk）9人次；申请国家发明专利20项（授权14项）；获计算机软件著作权2项；培养博士生8名（毕业4名）、硕士生7名（毕业6名）。本项目圆满完成了预定的研究内容，实现了预期研究目标，为太赫兹回旋管在生物医学诊疗和DNP-NMR等领域的应用奠定了基础。