2023年6月2日下午14:00，js金沙3983总站前沿学术论坛第53期学术论坛于线下成功举办。本次讲座邀请了电子科技大学电子科学与工程技术学院宫玉彬教授主讲，分享了主题为“离子聚焦束-等离子体系统太赫兹辐射源”的精彩讲座。本次报告由js金沙3983总站副院长魏贤龙主持，多名师生共同参与了学术交流活动。
宫玉彬教授现任电子科技大学教授、博士生导师，同时担任电子科技大学科技委副主任、学术委员会副主任和研究生教学指导委员会主任。此外，宫玉彬教授还是IEEE国际真空电子学技术委员会委员，担任第24届国际真空电子学大会的主席。宫玉彬教授团队致力于深入研究真空电子器件基础理论与关键技术，并获得一系列有国际影响力的重要成果。宫玉彬教授曾获国家技术发明二等奖1项，四川省自然科学一等奖、技术发明一等奖、科技进步一等奖各1项，以及教育部科技进步二等奖1项和自然科学二等奖2项。近年来，宫玉彬教授及其团队积极探索太赫兹真空电子学及电磁生物学等新领域方向。宫玉彬教授曾获多项国家级荣誉，包括长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者及国家自然基金创新研究群体负责人等。同时，他还是“天府青城计划”天府杰出科学家的荣誉获得者。在本次报告中，宫玉彬教授分享了多种电子束与等离子体的互作用机制以及最新实验进展。
宫玉彬教授在报告中首先强调了太赫兹频段的重要性和广阔的应用前景，由于其特殊的频谱位置，太赫兹在许多领域具有广泛的应用场景。太赫兹源作为太赫兹应用的基础，引起了广泛关注。目前已经有基于真空电子学、光子学和固体物理等方法的太赫兹源，但产生太赫兹波的传统方法都面临一系列难题，迫切需要探索新的物理机制，发展高功率和集成化的太赫兹波源。
电子束-等离子体系统作为一种基于全新机制的太赫兹辐射源，具有高功率、高效率和频率广泛可调等特点，同时能实现无外加磁场的自聚焦传输。它能够承受大电流注入，并避免尺寸共振效应的限制，具有广阔的研究前景。根据电子束密度和等离子体密度的相关关系，可以将其分为束-粒子通道切伦科夫机制、束-等离子体尾场共振机制以及具有低密度双电子束斜入射的双电子束交叉振荡机制。
在束-离子通道切伦科夫机制中，电子束密度大于等离子体密度，电子束将排开路径上的其他粒子形成离子通道，在离子聚焦力的作用下，电子束发生自聚焦，无需外界磁场的干预。在互作用系统中，电子束将能量传递给空间电荷波，并随着自聚焦的持续发展，电子束将能量传递给电磁波，进一步激发电子辐射。当增加等离子体密度到一定程度时，可以实现1THz频率的电磁辐射。宫教授还展示了相关的理论仿真结果，以验证理论推导的正确性。系统辐射的频谱基本与等离子体频率相符，同时一些高次谐波也得以增长。通过观察电子束的相空间分布，可以了解到更多电子失去能量。
当电子束密度远低于等离子体密度时，出现了束-等离子体尾场共振辐射机制。在这种机制中，电子束在等离子体中的扰动引发了一个同步的静电波，该电场的旋度为0，称为等离子体尾场。该尾场与电子束发生调制，调制频率等于等离子体的频率。该互作用过程包括线性调制阶段、非线性调制阶段和崩溃阶段。在非线性调制阶段，电子束团在电场的作用下呈现出明显的周期性聚束，同时驱动高频电磁辐射。随着辐射的产生，聚束束团将逐渐崩溃。对这种辐射进行分析可以看到，基频出现在等离子体频率附近，并且存在一系列高次谐波的高频电磁辐射，峰值功率密度可达到0.2MW/CM²。为了进一步提高系统的辐射效果，在原有结构上增加了慢波结构，从而在更大的结构尺寸下实现太赫兹辐射。当电子束被尾场调制后，介质会形成网状模式结构，意味着本征模式被激发。而对于电子束的纵向调制也逐渐转变为密度调制，在减速区形成周期性聚束点。调制后的电子束携带一系列高次谐波，能够有效与系统内的高次本征模式相互作用。理论仿真表明，该系统辐射的峰值功率可达到7.9MW，最大能量转换效率为8.3%。
受加速器启发，在系统中引入双电子束碰撞作用。当这两束电子以90度夹角碰撞时，两束等离子体波会汇聚，并在叠加后形成沿x方向传播的会聚等离子体波。这种等离子体波将驱动电子在双电子束交叉区域振荡，进一步激发高频电磁辐射。为了避免电子束本身对辐射场测量造成的影响引入了一个外界磁场来偏转电子束。目前的实验证实了辐射的基频达到了1THz，是等离子体频率的两倍。辐射带宽达到了11.4GHz。模拟和理论的结果高度吻合。此外，改变双电子束之间的夹角也会影响输出功率的大小。
之后宫教授展示了一个关于束-粒子通道的实验验证。电压脉冲作用于等离子体的时候驱动等离子体内电子与粒子反向运动，形成电子束-离子通道，激发电磁不稳定性。实验结果表明当电压脉冲开启时，系统能在等离子体频率附近激发辐射，峰值处于8GHz。通过对比实验可以验证出高频电磁辐射是由电子束和等离子体互作用产生的。
提问环节参加讲座的师生和宫教授深入交流，宫教授表示等离子体技术在新型太赫兹源的发展探索中具有极大的应用前景，通过调节等离子体密度来推动频段向太赫兹的扩展。同时宫教授预测新型太赫兹源的发展方向将向着小型化，片上化的方向发展，而朝着这一方向发展还需要更深入的研究。
