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十八載攻關破壁！電子科技大學段兆云團隊點亮超構真空電子學“中國芯”

2025/11/04

當中國散裂中子源的粒子束在加速器中精準、高效加速，其背后的一套“小巧卻強悍”的核心器件速調管是其“心臟”。電子科技大學段兆云教授團隊與昆山國力電子科技股份有限公司、中國科學院高能物理研究所等緊密合作，歷經4年攻關，研制出了全球首支緊湊型P波段大功率超構速調管。從理論突破到國之重器應用，這支團隊用十八載深耕，在超構材料與真空電子學的交叉領域，走出了一條從“并跑”到“領跑”的自主創新之路，為中國科技自立自強寫下生動注腳。

破解半個世紀實驗難題：讓“反向切倫科夫輻射”從理論照進現實

“超構材料就像給電磁學裝上了‘定制化引擎’，能實現天然材料做不到的神奇特性。”段兆云教授這樣形容團隊研究的核心領域。早在上世紀60年代，物理學家V. G. Veselago便提出“反向切倫科夫輻射”理論，可半個多世紀以來，全球科研團隊始終未能用真實帶電粒子直接觀測到這一現象——關鍵瓶頸，在于缺乏適配高真空環境的超構材料。

“傳統介質加載型超構材料，在高真空里要么損耗大，要么導熱差，根本達不到實驗要求。”段兆云團隊另辟蹊徑，創造性設計出兩種全金屬超構材料單元結構：圓形與平板型互補電開口諧振環。這兩種結構不僅能適應真空環境，還兼具強導熱、低損耗的優勢，為觀測實驗搭建了“堅實舞臺”。

2015年，團隊聯合麻省理工學院、倫敦大學瑪麗女王學院，在實驗室里搭建起獨特的實驗裝置：基于平板型全金屬超構材料的互作用結構，搭配同軸型高效信號耦合系統。當帶電粒子穿過超構材料時，探測器清晰捕捉到了反向切倫科夫輻射的信號——這是人類首次用真實帶電粒子直接觀測到這一現象，填補了該領域近50年的實驗空白。2017年，相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications），讓世界看到了中國在超構物理領域的突破。

從“紙上機理”到“手中器件”：超構器件實現跨越式突破

“能觀測到新現象只是第一步，我們的目標是做出能用、好用的新器件。”在理論驗證成功后，段兆云團隊迅速轉向應用研究，開啟了超構真空電子器件的“研發競速”。

2015年，團隊在《應用物理快報》（Applied Physics Letters）首次提出“反向切倫科夫輻射振蕩器”概念，經過7年優化設計，2022年成功研制出樣管。這支振蕩器采用圓形全金屬超構材料單元，橫向尺寸僅為自由空間波長的1/3，卻能在2.221GHz頻率下實現10.16kW的輸出功率——這一成果標志著超構真空電子器件技術從理論構想，正式邁入實際研制階段。

更令人振奮的突破接踵而至。2023年，團隊提出全球首支具備雙端口同頻輸出能力的反向切倫科夫輻射放大器。模擬數據顯示，在2.286GHz頻率下，兩個輸出端口分別能實現307W與5.48kW功率輸出，總電子效率高達33.84%。“這就像給器件裝上了‘雙引擎’，為多信號同步傳輸、高效能量利用提供了新方案。”團隊成員王傳超解釋道。

從“實驗室”到“國之重器”：超構速調管撐起大科學裝置“動力芯”

“速調管是大科學裝置的‘心臟’，可傳統速調管體積大、效率低，一直是中國散裂中子源、托卡馬克裝置等大科學裝置的技術痛點。”段兆云團隊將目光投向國家重大需求，決定攻克超構速調管這一核心器件。

2020年，團隊在《IEEE電子器件快報》（IEEE Electron Device Letters）發表成果，提出S波段超構擴展互作用速調管結構——其腔體體積僅為傳統結構的一半，在輸出功率56kW時，電子效率卻達到62%，實現了“小型化”與“高效率”的完美結合。

2022年，團隊聯合昆山國力電子科技股份有限公司、麻省理工學院，成功研制出全球首支S波段兆瓦級超構速調管。在2.852GHz頻率下，這支器件輸出功率達5.51MW，電子效率57.4%，相關成果被選為《IEEE電子器件快報》封面論文，讓全球看到中國在大功率器件領域的技術實力。

2025年6月7日，團隊的研究迎來里程碑時刻：全球首支緊湊型P波段大功率超構速調管在中國散裂中子源園區完成測試驗收。這支專門為散裂中子源定制的器件，峰值功率超3.0MW，脈寬650μs、重復頻率25Hz，在2.5MW功率下穩定運行48小時無故障，關鍵指標達到國際先進水平。“P波段大功率速調管技術實現質的飛躍！”中國科學院高能物理研究所副所長、中國散裂中子源二期工程總指揮王生給出高度評價。

著書立說傳薪火：為全球科研搭建“理論橋梁”

十八載攻關路，段兆云團隊不僅產出了一系列“從0到1”的技術成果，更致力于為全球超構真空電子學領域搭建理論體系。

作為第一作者，段兆云聯合麻省理工學院、新墨西哥大學等國際頂尖機構學者，在《IEEE電子器件匯刊》（IEEE Transactions on Electron Devices）等權威期刊發表綜述論文，系統梳理超構材料在真空電子器件與加速器領域的研究進展。段兆云還出版了中文專著《超構材料及新穎電磁輻射》與英文專著《Metamaterial-Based Electromagnetic Radiations and Applications》，從基本原理到器件設計，全面覆蓋超構材料研究的核心內容，成為全球科研人員的重要參考資料。截至目前，團隊已授權發明專利12件，為技術轉化與產業應用筑牢“知識產權屏障”。

從首次觀測反向切倫科夫輻射，到研制出服務國之重器的超構速調管，段兆云團隊用十八載堅守證明：中國科研人有能力在前沿交叉領域突破“卡脖子”技術，更有信心引領全球科技發展方向。未來，團隊將繼續深耕這一前沿領域，持續推動技術創新與成果轉化，為中國科技自立自強、全球超構真空電子學發展貢獻更多“中國智慧”與“中國方案”。