太赫兹电子学

20250125

科学研究和技术服务业

1. 完成了首套基于共轴回旋电子注的太赫兹谐波回旋管装置，其核心组成包括10T超导磁体、8万伏电子加速电源、0-750GHz频谱诊断分析系统、300-1000GHz太赫兹光路，全系统耗资约1500万元。由于全球皆难以克服共轴回旋电子枪的超高磁压缩比挑战，当前仅有俄罗斯科学院应用电子所（IAP）和本团队具备开发该类装置的能力。而本装置也是全球唯一一套超导磁体共轴回旋的谐波回旋管系统，超导磁体赋予整套系统产生千瓦级连续波辐射的能力。装置的独特优势在于能够在电子的回旋基波（250GHz）、二次谐波（500GHz）、三次谐波（750GHz）、四次谐波（1000GHz）等多个频段独立工作，测试实现基波20kW与二次谐波3kW的输出功率，比当前固态功率器件的1mW输出功率水平高出至少6个数量级。未来解决三次与四次谐波辐射的稳定测试，有望成为覆盖“1000GHz频段”的唯一单波源装置，对核聚变等离子体加热与诊断，增强核磁谱仪等应用具有重要价值，为绿色能源和生物医学创新发展提供支撑。
2. 为了推动大功率太赫兹波源的小型化发展，用脉冲强磁体替代高场超导磁体，使得太赫兹回旋管系统的体积和重量缩小10倍以上，同时体现三个优势转变：大装置变成小设备，瞬态工作变成准连续波，点频源变成宽带源。建设完成40T脉冲磁体回旋管装置，具备产生基波覆盖1000GHz，二次谐波覆盖2000GHz的潜力。测试实现基波频率556GHz、功率926W、脉冲宽度1000微秒，该脉宽比美国马里兰大学开发的脉冲太赫兹回旋管高出40倍。其独特优势在于，基于脉冲磁体系统实现毫秒级准连续波输出，单脉冲能量达到1J量级，该脉冲宽度和能量比高能加速器太赫兹源和高能激光太赫兹源高出若干数量级。该器件未来在空间太赫兹远程高分辨率成像、定向能、肿瘤治疗、生物神经激发等方面具有应用价值。
3. 引进直线电子激发人工等离激元辐射，由于等离激元在微纳结构上传输，使得真空电子等离激元器件有可能实现芯片集成。探索芯片集成的真空太赫兹辐射源的新途径，提出太赫兹电子学频率梳、宽带稳定高阶涡旋波、低损耗斯格明子、自旋动量锁定等新概念和新技术，探索行业新发展趋势。项目执行期间，与海外学者英国Strathclyde大学物理学院的Liang Zhang研究员和Adrian W. Cross教授等有持续合作和与交流，开展太赫兹器件相关的实验研究交流，邀请对方赴北京大学实验现场和联合参加国际学术会议等。在近期北京大学举办的英国国家科研与创新署（UK Research and Innovation，UKRI）—北京大学联合研讨会上，双方合作研究工作还受到UKRI中国处主任Daniel Brooker博士的肯定，为后续进一步中-英联合奠定了基础。

目前成果转化主要集中于生物医学中的核磁共振谱仪增强技术和核聚变等离子体加热的能源技术，相应的成果转化需要一定的资金、合适的场地和先进的设备。

1. 在核磁共振谱仪增强技术成果转化中，设备方面需要合作方能够提供和维护高性能的核磁共振设备和生物医学实验设备。核磁共振设备是研究生物分子结构和功能的关键工具，其性能直接影响到研究结果的准确性和可靠性。因此，采购高质量的核磁共振设备是至关重要的。同时，生物医学实验还需要其他设备，如细胞培养设备、分子生物学仪器和成像设备等，这些设备也需要定期维护和升级，以确保其功能正常。在场地方面，需要一个适合进行核磁共振研究和生物医学实验的实验室。这个实验室需要具备适应核磁共振设备的特殊要求，如电磁屏蔽、稳定的电源和温湿度控制等。在资金方面，则需要投入一定的经费支持，包括设备定期更新和维护、购买实验材料、支付人员工资和开展临床试验等。
2. 在核聚变等离子体加热能源技术成果转化中，需要大量的高端设备和技术支持，这包括回旋管等关键组件，以及其他高功率电源、诊断设备、控制和监测系统等。这些设备需要具备高精度、高稳定性和高可靠性，以满足核聚变实验的严格要求。我方已经具备研制高性能回旋管的能力，而合作方则需要提供其他设备，并确保其正常运行和维护。在场地方面，推进核聚变加热能源技术需要建设专门的实验设施和研究基地。这些场地需要满足严格的安全标准和技术要求，以确保实验的安全性和有效性。场地应位于合适的位置，远离人口密集区，以便于操作和管理。同时，场地还需要配备相应的基础设施，如电力供应、冷却系统、辐射防护设施等，以支持核聚变实验的需求。
3. 94GHz以上频率的高功率电磁波源还可以用于发展针对超高速目标和隐身目标探测的高分辨率雷达，主要用于远程高分辨率雷达的发射机末级功率放大器。经过相关领域调研，航天某单位对百千瓦级以上功率的宽带毫米波-太赫兹回旋管放大器有强烈需求。

仅限国内转让

太赫兹脉冲回旋管及调频谐波回旋管用来产生频率可调的太赫兹辐射，因太赫兹波具有穿透能力较强、安全性高而不破坏生物组织、非电离（不容易对活体产生辐射伤害）等特性，主要用于生物医学领域，其经济和社会效益如下：

1. 太赫兹波能够显著提升核磁共振谱仪的信号检测灵敏度，能够实现对生物样品更细致、更快速的检测，增强疾病早期诊断的准确性，特别是在肿瘤、代谢性疾病等复杂疾病的早期检测方面。对大分子材料的分析和生物化学动力学研究提供高端谱仪分析工具。
2. 由于太赫兹波对人体组织的非电离性质，它能够用于人体皮肤层以上的成像，无需担心辐射伤害问题。太赫兹波能够用于研究细胞和分子的特性。在细胞水平上，太赫兹光谱分析可以帮助科学家们识别特定类型的细胞，如癌细胞，因为不同类型的细胞在太赫兹波段会有不同的吸收或散射特性。这种技术有助于疾病的早期诊断和生物医学研究。
3. 太赫兹技术能够识别不同物质的分子指纹，这对于药物成分分析及药物作用机制的研究非常有价值。通过太赫兹光谱技术可以快速、准确地检测药物成分，减少假药流入市场的可能性，保护公众健康，增强公众对医疗系统的信心。 所开发的太赫兹回旋管系统除了具有宽带调频特性外，还具有千瓦级以上的功率水平，这是其他器件在太赫兹频段无法达到的，能够满足众多大功率应用擦场景：
4. 回旋管可用于热核聚变中的等离子体加热，维持核聚变反应所需的等离子体密度和能量。热核聚变如果能够实现商业化应用，将为人类提供几乎无限的清洁能源。这将极大地减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，从而对抗全球气候变化，对环境保护和社会的可持续发展具有重要意义。
5. 回旋管可以作为高功率发射机中的微波源，用于卫星通信中的上行链路发射。从而提高卫星通信系统的传输能力，支持更远距离、更高带宽的通信，对于全球范围内的语音、数据、视频传输非常重要。

北京市自然科学基金杰出青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

1、提出太赫兹回旋振荡器超宽带簇模调谐新概念，为超宽带连续调频太赫兹源奠定基础。这里的“簇模”指模式场型结构类似，且工作频率接近的一组模式。回旋振荡器具有调频工作能力，能够在多个离散的频率点上激发电磁波辐射。项目通过融合单模连续调谐回旋振荡器和多模跳频调谐回旋振荡器的运行思路，形成一种太赫兹回旋振荡器的磁调谐簇模切换超宽带工作机制。该机制选择预群聚返波互作用电路用以拓展单一模式的连续调频带宽，同时又将多个横向电场分布基本一致的高阶边廊模式设定为工作模式，并保证它们在大范围磁调谐过程中依次起振，从而显著提升器件调频带宽，项目所提方案有望首次实现100 GHz量级太赫兹频谱的准连续覆盖。这种覆盖将大大提升数据传输速率，为未来的超高速无线通信和卫星通信提供技术基础，甚至可能为“太赫兹互联网”奠定理论和实验基础。 2、建设完成超导谐波回旋管、脉冲基波回旋管两套大型太赫兹辐射源装置。超导回旋管装置测试实现500GHz以下千瓦-十千瓦级辐射能力，正在开展500-1000GHz的千瓦级稳定辐射测试；脉冲回旋管测试实现556GHz的千瓦级辐射能力，正在探索600-1000GHZ脉冲辐射能力。装置建设过程中突破40T高场脉冲磁体技术，为当前基波覆盖1000GHz和下一阶段二次谐波达到2000GHz奠定基础。突破微型化脉冲强磁体、多物理强场耦合、一体化电子光学系统、宽频带互作用腔体等关键核心技术，掌握脉冲回旋管的零部件仿真、设计和制造工艺，完善大功率太赫兹波的频率、功率、脉宽等关键性能参数的测试和表征技术，最终研发出频率高于527GHz的微型化大功率太赫兹回旋管。 3、解决太赫兹谐波回旋管的一系列技术难题。为抑制高磁压缩比共轴回旋电子枪的速度离散，提出电子注速度离散补偿方法，明确了影响性的核心要素，将传统的高维度、多目标求解问题简化为少数有限变量的优化问题，显著降低超高磁压缩比电子枪的设计难度，最终发展出用于1 THz 回旋管的共轴回旋电子枪。在此基础上，提出一种基于共轴回旋电子注和多谐波互作用的回旋管方案，可在0.1-1THz范围内准连续地激励起一系列谐波模式，并具有频率调谐能力，有望通过单支回旋管覆盖0.1-1THz范围内的大多数频段。研制并集成高性能共轴回旋电子枪、液氮冷却互作用电路、多频输出窗等关键部件，研制出国内首支基于共轴回旋电子注的太赫兹谐波回旋管。完成了1-2次谐波功率和频率测量，正在开展3-4次谐波的稳定性测试，这是国内首次利用共轴回旋电子注完成千瓦级太赫兹波辐射的实验研究工作，将推动大功率太赫兹技术在高温等离子体诊断、极紫外光源、电子顺磁\核磁共振、电子对抗等方面具的应用。 4、发展了新型宽带准光变换器，能在 330GHz 频段获得约 30GHz 高效率超宽工作频带。提出一种新型太赫兹准光布鲁斯特窗，该输出窗可实现线极化太赫兹波的高效率透射，理论上无显著的带宽限制，可解决真空电子器件超高真空密封与太赫兹波低损耗透射输出问题。 5、拓展研究直线电子注激发太赫兹等离激元的新型辐射机制。提出了基于螺旋光栅表面的等离激元模式产生独立可调谐的高纯度涡旋波束辐射的方法。理论研究表明，螺旋光栅表面支持的是一系列携带有高纯度OAM的表面波，这些表面波具有特定的横向旋转对称性，因此可以通过设计具有特定横向旋转对称性的电子束在宽带范围内有选择的激发并它们。在此基础之上，基于深度调制螺旋光栅中布里渊区折叠效应，将这些被自由电子激发、携带高纯度OAM的手性SSP模式衍射到自由空间中，从而产生幅度增强的相干涡旋辐射。研究还提出太赫兹电子学频率梳、低损耗斯格明子、自旋动量锁定等新技术方案。