科技日报记者 刘侠 通讯员 陈伟
在太赫兹波的广阔应用前景中，一种“小巧而高效”的器件——太赫兹带状注行波管，正成为大功率太赫兹辐射的“利器”。电子科技大学段兆云教授团队与美国麻省理工学院、北京真空电子技术研究所、南京三乐集团有限公司、江西理工大学等单位紧密合作，历经十余年不断探索，在太赫兹带状注行波管领域走出了一条创新之路，为中国太赫兹科技自立自强注入强劲动力。
带状注产生与传输：从“成形”到“稳定”的技术跃升
太赫兹波（频率0.1-10THz）介于微波与红外之间，具有高频率、宽频带、高传输速率等独特优势，被誉为“改变未来世界的十大技术”之一。作为一种新型真空电子器件，太赫兹带状注行波管利用带状注与慢波结构互作用放大太赫兹波，在深空探测、无损检测、高速通信、安检成像等领域需求迫切、应用广泛。
太赫兹带状注行波管的“心脏”是“带状注”，与传统圆形注相比，具有大电流优势，能显著提升器件输出功率、效率和增益。
“带状注就像圆形电子注的‘宽屏版’，能提高电子注的电流，但难于聚焦，其产生和稳定传输是最大痛点。”段兆云说，在大电流带状注产生方面，团队针对钪酸盐阴极易吸湿、发射性能衰减的难题，采用聚丙烯酰胺溶胶—凝胶法制备高纯度发射活性物质，研发出一种新型可重复激活的钪酸盐阴极。基于此原创工作，团队研制出一种带状注电子枪样件。在长达13个月的三次空气暴露和重复激活循环测试中，最大发射电流达189毫安，变化小于5%，展现出卓越的稳定性。这一成果发表于2025年9月出版的《IEEE电子器件快报》，为大功率太赫兹带状注行波管从实验室走向工程应用提供了技术支撑。
慢波结构创新：从“低损耗”T型交错双栅到“高单位增益”超构表面
慢波结构是太赫兹带状注行波管的“核心”部件，负责减慢电磁波的相速度以便和高能电子注同步，实现高效互作用。段兆云团队在这一领域双管齐下，提出了改进型交错双栅慢波结构和首次提出全金属超构表面慢波结构。
针对高频损耗和注通道狭窄的难题，团队提出一种大通道、低损耗T型交错双栅慢波结构，其电子注通道面积较常规同频段交错双栅慢波结构扩大超过28.5%，单位长度传输损耗极低，达到国际先进水平。
为实现紧凑型太赫兹带状注行波管，团队首次提出一种全金属平板型超构表面慢波结构，该设计兼具高耦合阻抗、双带状注通道和结构简洁等优势，为提升太赫兹带状注行波管的输出功率和增益开辟了新路径。“传统设计依靠经验和仿真软件反复迭代，完成太赫兹输能窗的优化需要海量计算。”团队博士生吕志方说，面对输能窗的设计瓶颈，团队还创造性地引入物理信息神经网络，并融合遗传算法，开发出一种输能窗—盒型窗快速优化设计新方法。此方法的时间效率相比传统方法提高约30倍，这一技术创新可推广到其他真空电子器件。
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