（通讯员 陈贤飞）12月10日，美国物理联合会权威期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心太赫兹团队题为“Azimuthally segmented MIG-type electron beam for terahertz harmonic gyrotron”的论文，团队提出了一种新型的角向离散MIG型（磁控注入枪）电子注结构，可显著增强太赫兹谐波回旋管的模式选择能力。中心博士后陈贤飞为论文第一作者，肖后秀教授为论文通讯作者，韩小涛教授指导了相关研究工作。

回旋管是极具应用前景的大功率太赫兹波源，可在太赫兹频段产生千瓦级长脉冲/连续太赫兹波辐射，满足DNP-NMR、ESR谱仪等前沿科学研究需求。回旋管基于电子回旋共振（ECM）原理，其工作频率与磁场强度和谐波次数正相关（基波1THz回旋管需要高达40T磁场）。采用高次谐波的工作模式可成倍降低回旋管工作磁场，是回旋管向更高频率发展的重要方向。然而，谐波模式的注-波耦合强度较低，极易受到基波寄生模式的干扰而难以稳定工作。谐波回旋管模式竞争是太赫兹回旋管向更高频率发展的核心问题，如何增强太赫兹回旋管的注-波互作用系统对谐波模式的选择性也是当前太赫兹回旋管的研究焦点。

图1 传统角向均匀电子注与团队所提出的角向离散MIG型电子注对比示意图

图2 角向非均匀电子注下模式竞争分析（a,b）注-波耦合强度（c）模式起振电流（d-f）时域多模仿真结果

研究团队提出通过方位调制电子枪的发射环，生成多个小轨道电子束，这些电子束在电子引导相位中均匀分布，能够选择性地诱导所需谐波模式的正/反旋转模式的简并共存，形成类似驻波的混合模式，可以选择性地使谐波工作模式与电子注的耦合强度倍增。这种方法有助于抑制谐波回旋管中模式竞争，增加太赫兹谐波回旋管的输出功率，为开发更高频率和更高谐波的回旋管提供了新方向。团队提出的角向非均匀电子注结构，相较于经典的多同轴电子注方案（不同注半径），具有完全不同的作用机制，并带来了显著的优势：它能够消除多个电子注中额外电子注引入的竞争模式风险，并通过增强工作模式的注-波耦合强度提供更大的互作用效率，同时保持了类似于传统电子枪系统的简单性。此外，该研究不仅提出了一种新的模式选择方法，而且阐明了回旋管中正/反旋转模式之间的竞争和合作共存机制。这种机制与先前报道的通过具有方位不对称性的谐振腔实现正/反旋模式共存的方法不同，它与注-波相互作用的固有特性相关，使得正/反旋模式的高效合作共存成为可能，有望为回旋管的应用开辟新的可能性，将为高频回旋管中模式竞争理论发展做出贡献。

近年来，国家脉冲强磁场科学中心太赫兹团队在强磁场回旋管研究领域取得系列进展，发展了基于经典回旋平均假设的宽域互作用模型和PIC-FDTD互作用模型等先进回旋管注-波互作用理论，创新了回旋管准直、太赫兹波测量等关键技术，成功研制了回旋管用40T/10ms/100ppm平顶高稳定度脉冲磁场系统和国内最高频率的800GHz/100W二次谐波回旋管，相关成果相继发表在IEEE T-TST、IEEE EDL、IEEE T-ED、Phys. Plasma等期刊。

该研究工作该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金会以及武汉市知识创新专项曙光计划等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0238226