太赫茲迴旋管中若干物理問題的研究

《太赫茲迴旋管中若干物理問題的研究》是依託北京大學，由劉濮鯤擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：太赫茲迴旋管中若干物理問題的研究
• 項目負責人：劉濮鯤
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

太赫茲科學技術在無線通信、醫療診斷、環境監測、雷達、安全檢查、射電天文和材料檢測等方面具有重要的套用前景，而太赫茲輻射源則是制約太赫茲科學技術發展的主要瓶頸之一。迴旋管是基於電子迴旋諧振受激輻射（ECRM）機理的一種相對論快波器件，在毫米波和太赫茲頻段具有功率大和效率高的突出優點。然而，在目前太赫茲迴旋管的發展中，亟需解決三個主要問題，即對強磁場的依賴、模式競爭和嚴重的歐姆損耗問題。為此，本項目擬針對這三個問題，開展太赫茲迴旋管中對應的物理問題的研究。重點開展高次諧波ECRM的研究，以成倍降低系統所需的磁場強度，同時獲得較高的輸出功率和互作用效率；開展太赫茲頻段ECRM系統的模式競爭機理和控制技術的研究，以有效管控各種不穩定性；發展高階腔體模式ECRM系統，提高系統品質因數，降低歐姆耗散對太赫茲迴旋管的影響。希望通過該項研究，打破太赫茲迴旋管發展的關鍵屏障，推動太赫茲科學技術的發展。

結題摘要

本項目針對太赫茲迴旋管發展中亟需解決的強磁場依賴、模式競爭和嚴重歐姆損耗問題，重點開展了高次諧波電子迴旋脈塞、太赫茲迴旋器件的模式競爭機理和控制技術以及高階腔體模式電子迴旋脈塞系統的研究。首先發展了分析太赫茲迴旋管的頻域和時域非線性互作用理論；通過對高次諧波大迴旋軌道太赫茲迴旋管中的電子注-波互作用的研究，給出了可數倍降低系統所需的磁場強度且具備較高輸出功率和效率的高次諧波太赫茲迴旋管設計；開展了太赫茲迴旋管內模式競爭機理和控制技術的研究，獲得了可有效管控太赫茲迴旋管中各種不穩定性的手段；通過引入互作用空間的等效損耗參量波導壁歐姆損耗模型研究了高階腔體模式太赫茲電子迴旋脈塞中的歐姆損耗問題，使互作用效率、輸出功率和歐姆損耗獲得有效平衡，實現了器件的高效率輸出；發展出基於簇模機制的寬頻調頻太赫茲迴旋管的創新設計方案，論證了基於脈衝磁體的小型化寬頻調頻太赫茲迴旋管的系統設計和工程方案。同時，我們也開展了基於表面等離激元的新型太赫茲電子學源的研究工作，提出了通過電子束在漸變光柵及周期石墨烯條帶表面產生表面等離激元的新型太赫茲電子學源方案，並發展出多種操控太赫茲波的手段。已在本領域著名國際期刊發表SCI論文27篇（其中IEEE系列期刊16篇），IRMMW-THz和IVEC等本領域主要國際會議發表論文21篇；申請國家發明專利9項（授權2項）；獲計算機軟體著作權1項；培養博士後1名、博士研究生6名（畢業5名）、碩士研究生4名（畢業2名）。本項目已超預期完成了研究目標，為打破太赫茲迴旋管發展的關鍵屏障，研製高性能太赫茲輻射源奠定了技術基礎。