第1章 绪论
太赫兹(terahertz，THz)波是指频率为0.1～10THz(1THz=1012Hz)的电磁波，相应的波长介于3mm～30?m，处于电子学向光子学过渡的频谱区域，如图1.1所示。太赫兹波具有不同于微波和光波的*特性质，是电磁波谱中尚待全面开发、亟待全面探索，且具有重大科学意义和应用前景的电磁频段。太赫兹波具有载波频率高、通信容量大、穿透性强、光子能量低、不会产生生物电离等特性，同时许多大分子有机物的振动和转动能级与太赫兹频段的光子能量相近。基于这些特性，太赫兹波及相关科学技术有望在远距离成像探测、遥感、大分子生物医学检测、超高速无线通信等领域取得革命性的突破，目前已成为世界发达国家争先抢占的频谱资源和科学制高点。美国把太赫兹科学技术列为改变世界未来的十大技术之一，欧盟将其列为“改变未来世界的六大科学技术之一”，日本将其列为国家十大支柱产业之一。“十三五”期间，我国把太赫兹科学技术列为国防三大颠覆类技术之一。
图1.1 太赫兹波在电磁频谱中的位置
作为一个年轻且具有重大科学意义及应用价值的前沿领域，近三十年来，太赫兹科学技术得到了迅猛发展。太赫兹科学技术已不像发展之初那样局限于天文学和波谱学等少数领域的应用，而是涉及从基础科学到实际应用的诸多方面。尽管国内外科学家在太赫兹科学技术及其交叉领域取得了一系列原创性成果，但当前太赫兹科学技术的发展仍然受制于大功率、高效率太赫兹辐射源的技术瓶颈。目前，产生太赫兹辐射主要有两大技术手段：电子学方法和光子学方法。电子学太赫兹辐射源主要包括电真空器件、固态器件和量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)等；光子学太赫兹辐射源主要包括激光泵浦气体激光器、光学差频太赫兹辐射源以及基于时域光谱(time-domain spectroscopy，TDS)技术的太赫兹辐射源等。对于传统的电真空器件，要使其工作频率提升到太赫兹频段，需要大幅度缩小周期慢波结构至太赫兹波长尺度，面临慢波结构加工难度大、高质量电子注成形困难、注波互作用效率低，以及输出功率与工作频率平方成反比等难题。对于太赫兹固态器件，随着工作频率提高，要求材料迁移率大幅增加、电子输运沟道长度大幅缩小以缩短渡越时间，为了降低寄生电容效应，器件的尺寸需要进一步缩小。太赫兹固态器件输出功率随工作频率的升高迅速降低，且器件的量子效应显著。基于传统天然半导体材料中的电子-空穴复合来产生太赫兹辐射同样遇到了瓶颈，其原因是传统天然半导体材料的禁带宽度在数个电子伏特，而太赫兹的能量仅仅在4.2meV左右，二者相差数百倍，自然界没有如此小禁带宽度的半导体材料。采用人工超晶格方法制造的量子级联激光器虽然可以实现小的子能级宽度，但必须工作在超低温情况下，才能避免热噪声等问题。基于光子学方法，由于量子效率等因素影响，目前只有少数几种气体物质的能级跃迁可以达到太赫兹频段的高频部分。基于光整流的非线性光学方法可产生皮秒量级、脉冲能量数为十微焦、场强超过1MV/cm的强太赫兹脉冲，但由于材料吸收、损伤阈值等因素，器件的工作频率和脉冲能量受到了限制[1]。基于飞秒激光的太赫兹时域光谱技术可以产生宽带太赫兹辐射，但面临大面积光电导器件生产成本高昂和功率谱密度低等问题。因此，大功率、高效率太赫兹辐射源的发展十分迫切。
在电子学太赫兹辐射源中，回旋管(gyrotron)是目前产生大功率、高频率太赫兹辐射的主要器件。回旋管是一种基于自由电子在纵向磁场中回旋受激辐射机理的快波器件，不需要传统电真空器件所必需的慢波结构，在太赫兹频段不仅具有大功率而且具有高的能量转换效率，可实现大功率、高频率电磁波输出。1958年，澳大利亚天文学家特韦斯在观察电离层吸收电磁波现象时，发现了电子回旋谐振受激辐射机理。同一时期，苏联学者卡帕若诺夫也发现了回旋电子注与电磁波相互作用时的相对论效应作用。1964年，苏联科学家利用这一机理研制出了**支基于回旋电子注与电磁波相互作用的样管，并命名为回旋管。该回旋管采用矩形谐振腔作为注波互作用腔，工作模式为TE101模式，连续波输出功率为6W[2]。
回旋管由于在毫米波及太赫兹频段的卓越性能，以及在雷达、电子对抗、受控热核聚变、材料、高能物理和生物医学等诸多领域广阔的应用前景，近年来得到了迅猛发展。目前，回旋管已形成了一个庞大的家族，几乎所有传统微波管都有相对应的回旋器件：回旋振荡管(gyro oscillator)、回旋行波管(gyro-TWT)、回旋速调管(gyroklystron)、回旋返波管(gyro-BWO)、回旋磁控管(gyro-magnetron)和回旋行波速调管(gyro twystron)等。上述回旋器件大致可以分为两类：回旋振荡器和回旋放大器。回旋振荡器包括回旋振荡管、回旋磁控管和回旋返波管；回旋放大器包括回旋行波管、回旋速调管和回旋行波速调管。
如果不特别说明，一般所谓的回旋管就是指回旋振荡管。三段腔回旋管是*简单的回旋管，除此之外还有复合腔回旋管、准光回旋管和光子晶体回旋管等。三段腔回旋管的结构如图1.2所示，图中同时给出了回旋管工作磁场的纵向分布。回旋管具有轴对称性，大致可以分为4个主要部分，即电子枪、注波互作用腔、收集极和输出结构。
图1.2 回旋管结构示意图及工作磁场的纵向分布
MIG即磁控注入电子枪；RF输出即射频输出
在回旋管中，电子枪的作用是形成具有足够横向能量和电流密度的回旋电子注。在电子枪向注波互作用腔过渡的空间区域，纵向磁场由弱变强，即具有收敛性，收敛磁场的径向压缩作用和回旋管结构的轴对称性，使得阴极发射面足够大，产生速度离散相对较小的大电流电子注。电子注通过电子枪过渡区磁场的绝热或非绝热压缩获得足够大的横向能量，形成回旋电子注，进入开放式回旋谐振腔。在回旋谐振腔中，回旋电子在均匀磁场的控制下，与谐振腔中的高频场角向电场分量相互作用，产生受激辐射(电子向高频场交出能量)或受激吸收(电子从高频场获得能量)，当相位有利于受激辐射的电子在数量上较相位有利于受激吸收的电子占优势时，就能向外产生电磁辐射。回旋电子通过回旋谐振腔交出能量后，进入焦散区，并*终打在收集极上。电子在回旋谐振腔中激励起的电磁波通过输出结构，并*终在输出窗输出。
1.1 太赫兹回旋管发展现状
目前，回旋管的发展主要包括两个方面：大功率回旋管和高频率回旋管。大功率回旋管的应用主要包括电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating，ECRH)、电子回旋电流驱动(electron cyclotron current drive，ECCD)、用于产生清洁能源的受控热核聚变中磁约束等离子体的稳定性控制和诊断、拒止武器系统和放射性物质远距离探测等。电子回旋共振加热是托卡马克(Tokamak)和仿星器(stellarator)中公认的加热方法。现有的聚变装置中约束磁感应强度B0在1～3.6T，随着聚变装置的变大、工作磁感应强度的提高(B0≈5.5T)及等离子体密度的增加，连续波回旋管需要工作在更高的频率和更大的功率。国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)以及下一代仿星器(W7-X)要求电磁波频率在140GHz和170GHz时，功率达到10～40MW，这就需要回旋管的单管连续波功率达到1MW以上。140GHz以下大功率回旋管发展现状如表1.1所示；140GHz及以上大功率回旋管发展现状如表1.2所示。目前，140GHz、兆瓦级商用回旋管*长连续波工作时间为30min。日本研制的170GHz回旋管1MW输出时连续波工作时间为300s，转化效率为51%。俄罗斯研制的170GHz回旋管输出功率为0.96MW时连续波工作时间为1000s，1.2MW时连续波工作时间为100s，转化效率为53%。欧洲研制的170GHz、2MW同轴回旋管在短脉冲工作状态下*大输出功率为2.2MW，转化效率为48%[3]。
表1.1 用于回旋共振加热及磁聚变稳定性控制的大功率回旋管发展现状(<140GHz)
主动拒止系统(active denial system，ADS)是大功率回旋管的另外一个重要应用方向。拒止武器是一种非致命性武器，可产生毫米波能量束，使武器射程范围内的人群皮肤温度瞬间升高，达到无法容忍的程度而逃离现场，驱散不受欢迎人群。为了使能量束有效地进入人体皮下痛感神经的深度并具有较大的射程范围，该系统要求辐射源工作在95GHz，输出功率在100kW左右。目前只有回旋管能满足主动拒止系统对辐射源的要求。中国、美国、俄罗斯、英国、法国、德国、以色列、印度和韩国等国家均在开展相关的研究，美国研制的95GHz回旋管输出功率为100kW、脉冲宽度为秒级，利用超导磁体为回旋管提供工作磁场；同时，美国也在开展基于永磁体的大功率回旋管研究，输出功率为50kW。韩国研制的面向主动拒止系统的大功率回旋管脉宽为50μs、重频为50Hz时，*大输出功率为100kW[4]。包括电子科技大学在内的多家国内单位也在开展面向主动拒止系统应用的大功率回旋管研究[5]。
利用大功率太赫兹波远距离检测隐藏的放射性材料是大功率太赫兹回旋管一个新的应用方向。众所周知，屏蔽的放射性材料会发射能穿透容器壁的伽马射线，这些射线会导致空气分子电离。当空气中存在自由电子时，强电磁波聚焦后在焦点处的强场会引发空气雪崩击穿。为了能够远程检测隐藏的放射性材料，电磁波功率必须足够高，应超过空气击穿阈值；同时，电磁波频率不能过低，频率过低时，聚焦后束斑面积大，束斑处存在自由电子的概率高，空气中自身存在的自由电子都有可能引发空气击穿；频率也不能过高，光波可以聚焦到很小的束斑，束斑处存在自由电子的概率很小，但光子的能量很高，没有自由电子存在也可使中性分子发生多光子电离。670GHz的太赫兹波是合适的选择，*先，该频率位于大气窗口，大气衰减约为50dB/km(20～40m距离衰减为1～2dB)；其次，这一频率接近大气环境中电子和分子的碰撞频率，容易引发空气击穿。为了满足上述要求，需要工作频率670GHz、输出功率200kW、脉冲宽度10μs的重频工作大功率太赫兹辐射源。回旋管是目前唯一能满足上述要求的紧凑型太赫兹辐射源[6]。
近年来，高频率回旋管也取得了长足进展，目前回旋管的*高工作频率达到了1.3THz，该回旋管由俄罗斯科学院应用物理研究所(Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences，IAP RAS)研制，工作磁感应强度为50T，利用线圈磁体为回旋管提供工作磁场[7]。随着工作频率的提高，回旋管所需要的工作磁感应强度增大。回旋管工作磁感应强度和工作频率之间满足：
(1.1)
式中， 为工作磁感应强度，T；为相对论因子；s为回旋谐波次数；f为工作频率，THz。不难看出，可以通过高次回旋谐波工作方式来降低回旋管工作磁场。高次谐波回旋管按照电子回旋轨道的不同可以分为小回旋轨道回旋管和大回旋轨道回旋管。在小回旋轨道回旋管中，电子围绕以引导半径为半径的圆做小回旋运动；在大回旋轨道回旋管中，电子围绕回旋谐振腔的轴线做大回旋运动。小回旋轨道高次谐波回旋管通常工作在二次谐波。日本福井大学研制的0.8THz二次谐波回旋管，利用回旋超导磁体为回旋管提供14.4T的工作磁场，工作模式为TE85模，输出功率为9W[8]。大回旋轨道回旋管可以工作在三次及以上的回旋谐波。俄罗斯科学家利用三次谐波大回旋轨道回旋管在14T工作磁场下实现了工作频率为1THz、输出功率为1.8kW的大功率太赫兹波输出[9]。
太赫兹波增强核磁共振波谱是高频率回旋管的一个重要应用方向。太赫兹波驱动的动态核极化是一种公认的提高核磁共振波谱灵敏度的有效方法。对于300～1000MHz的高场核磁共振波谱系统，所需要太赫兹辐射源的工作频率
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