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十八载攻关破壁！电子科技大学段兆云团队点亮超构真空电子学“中国芯”

发布时间：2025-11-12 23:45:43 丨 浏览次数：

　　当中国散裂中子源的粒子束在加速器中精准、高效加速，其背后的一套“小巧却强悍”的核心器件速调管是其“心脏”。电子科技大学段兆云教授团队与昆山国力电子科技股份有限公司、中国科学院高能物理研究所等紧密合作，历经4年攻关，研制出了全球首支紧凑型P波段大功率超构速调管。从理论突破到国之重器应用，这支团队用十八载深耕，在超构材料与真空电子学的交叉领域，走出了一条从“并跑”到“领跑”的自主创新之路，为中国科技自立自强写下生动注脚。

　　“超构材料就像给电磁学装上了‘定制化引擎’，能实现天然材料做不到的神奇特性。”段兆云教授这样形容团队研究的核心领域。早在上世纪60年代，物理学家V. G. Veselago便提出“反向切伦科夫辐射”理论，可半个多世纪以来，全球科研团队始终未能用真实带电粒子直接观测到这一现象——关键瓶颈，在于缺乏适配高真空环境的超构材料。

　　“传统介质加载型超构材料，在高真空里要么损耗大，要么导热差，根本达不到实验要求。”段兆云团队另辟蹊径，创造性设计出两种全金属超构材料单元结构：圆形与平板型互补电开口谐振环。这两种结构不仅能适应真空环境，还兼具强导热、低损耗的优势，为观测实验搭建了“坚实舞台”。

　　2015年，团队联合麻省理工学院、伦敦大学玛丽女王学院，在实验室里搭建起独特的实验装置：基于平板型全金属超构材料的互作用结构，搭配同轴型高效信号耦合系统。当带电粒子穿过超构材料时，探测器清晰捕捉到了反向切伦科夫辐射的信号——这是人类首次用真实带电粒子直接观测到这一现象，填补了该领域近50年的实验空白。2017年，相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications），让世界看到了中国在超构物理领域的突破。

　　“能观测到新现象只是第一步，我们的目标是做出能用、好用的新器件。”在理论验证成功后，段兆云团队迅速转向应用研究，开启了超构真空电子器件的“研发竞速”。

　　2015年，团队在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）首次提出“反向切伦科夫辐射振荡器”概念，经过7年优化设计，2022年成功研制出样管。这支振荡器采用圆形全金属超构材料单元，横向尺寸仅为自由空间波长的1/3，却能在2.221GHz频率下实现10.16kW的输出功率——这一成果标志着超构真空电子器件技术从理论构想，正式迈入实际研制阶段。

　　更令人振奋的突破接踵而至。2023年，团队提出全球首支具备双端口同频输出能力的反向切伦科夫辐射放大器。模拟数据显示，在2.286GHz频率下，两个输出端口分别能实现307W与5.48kW功率输出，总电子效率高达33.84%。“这就像给器件装上了‘双引擎’，为多信号同步传输、高效能量利用提供了新方案。”团队成员王传超解释道。

　　“速调管是大科学装置的‘心脏’，可传统速调管体积大、效率低，一直是中国散裂中子源、托卡马克装置等大科学装置的技术痛点。”段兆云团队将目光投向国家重大需求，决定攻克超构速调管这一核心器件。

　　2020年，团队在《IEEE电子器件快报》（IEEE Electron Device Letters）发表成果，提出S波段超构扩展互作用速调管结构——其腔体体积仅为传统结构的一半，在输出功率56kW时，电子效率却达到62%，实现了“小型化”与“高效率”的完美结合。

　　2022年，团队联合昆山国力电子科技股份有限公司、麻省理工学院，成功研制出全球首支S波段兆瓦级超构速调管。在2.852GHz频率下，这支器件输出功率达5.51MW，电子效率57.4%，相关成果被选为《IEEE电子器件快报》封面论文，让全球看到中国在大功率器件领域的技术实力。

　　2025年6月7日，团队的研究迎来里程碑时刻：全球首支紧凑型P波段大功率超构速调管在中国散裂中子源园区完成测试验收。这支专门为散裂中子源定制的器件，峰值功率超3.0MW，脉宽650μs、重复频率25Hz，在2.5MW功率下稳定运行48小时无故障，关键指标达到国际先进水平。“P波段大功率速调管技术实现质的飞跃！”中国科学院高能物理研究所副所长、中国散裂中子源二期工程总指挥王生给出高度评价。

　　十八载攻关路，段兆云团队不仅产出了一系列“从0到1”的技术成果，更致力于为全球超构真空电子学领域搭建理论体系。

　　作为第一作者，段兆云联合麻省理工学院、新墨西哥大学等国际顶尖机构学者，在《IEEE电子器件汇刊》（IEEE Transactions on Electron Devices）等权威期刊发表综述论文，系统梳理超构材料在真空电子器件与加速器领域的研究进展。段兆云还出版了中文专著《超构材料及新颖电磁辐射》与英文专著《Metamaterial-Based Electromagnetic Radiations and Applications》，从基本原理到器件设计，全面覆盖超构材料研究的核心内容，成为全球科研人员的重要参考资料。截至目前，团队已授权发明专利12件，为技术转化与产业应用筑牢“知识产权屏障”。

　　从首次观测反向切伦科夫辐射，到研制出服务国之重器的超构速调管，段兆云团队用十八载坚守证明：中国科研人有能力在前沿交叉领域突破“卡脖子”技术，更有信心引领全球科技发展方向。未来，团队将继续深耕这一前沿领域，持续推动技术创新与成果转化，为中国科技自立自强、全球超构真空电子学发展贡献更多“中国智慧”与“中国方案”。

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