中国工程物理研究院应用电子学研究所胡林林、黄麒力等团队在《强激光与粒子束》（High Power Laser and Particle Beams）2026年1月刊发表了一项突破性研究，报道了国产175 GHz兆瓦级回旋管实现500 kW/100 s长脉冲输出的实验进展。该成果标志着我国在磁约束聚变关键器件——电子回旋共振加热（ECRH, Electron Cyclotron Resonance Heating）系统核心设备研发领域取得重大突破。

学术背景

磁约束聚变是实现清洁能源的重要技术路线，而ECRH是聚变装置中等离子体加热的核心手段。高功率回旋管作为ECRH系统唯一的微波源，需满足高频率（百GHz级）、高功率（兆瓦级）与长脉冲（百秒级）的严苛要求。国际仅有俄罗斯、美国、日本及欧洲四家机构掌握此类技术，我国此前尚未实现聚变装置"可用"的长脉冲兆瓦回旋管。研究团队针对CFETR（中国聚变工程实验堆）等装置需求，开展175 GHz回旋管研制，目标验证器件设计并实现百秒级稳定运行。

研究流程与技术细节

1. 器件设计

   • 输出窗：采用90 mm通径、1.80 mm厚金刚石窗（功率容量达兆瓦级），取代前期105/140 GHz双频管使用的氮化硼窗（600℃高温限制脉宽）。

   • 谐振腔：工作于TE28,11模式，需6.9 T超导磁场匹配175.04 GHz频率。

   • 电子枪：双阳极磁控注入枪设计，电子束参数81 kV/40 A，电子效率>30%。

   • 收集极：单极降压（25-30 kV）结合纵向扫描线圈，将总效率提升至45%理论值。

2. 实验系统搭建

   • 准光输出系统：高斯波束经光学匹配单元（MOU）调整，束腰半径从22.5 mm压缩至10.3 mm，匹配63.5 mm波纹波导传输。

   • 功率测量：采用量热法水负载监测输出功率，同步采集收集极、谐振腔、金刚石窗等关键部件热损耗。

3. 调试与老炼

   • 分阶段延长脉冲：通过参数优化与系统老炼，先后实现300 kW/100 s、400 kW/100 s，最终达到500 kW/100 s。

   • 实时监测：频率稳定性（175.04 GHz±40 MHz）、电子束参数（阴极电压-45.2 kV，电流24.4 A）及效率（46%）均与设计吻合。

核心结果

• 功率输出：水负载实测瞬时功率500 kW（图3），金刚石窗输出506 kW，总效率46%（图2）。

• 长脉冲稳定性：100 s内频率漂移<40 MHz，电子束功率1.1 MW，验证了金刚石窗与单极降压收集极的设计优势。

• 限制因素：受实验室电网容量限制（1.2 MW），未进行兆瓦级测试，但物理设计已通过验证。

科学价值与应用前景

该成果是国内首次实现百千瓦级100 s长脉冲ECRH回旋管，其意义在于：

1. 技术突破：金刚石窗与高效电子枪设计解决了氮化硼窗温升瓶颈，为兆瓦级长脉冲运行奠定基础。

2. 国产替代：满足EAST等装置ECRH系统需求，加速摆脱对进口器件的依赖。

3. 聚变工程支撑：为CFETR等下一代装置提供关键微波源技术储备。

研究亮点

• 材料创新：兆瓦级金刚石窗应用，使长脉冲运行成为可能。

• 模式优化：TE28,11模式选择兼顾功率容量与频率稳定性。

• 效率突破：单极降压收集极设计将总效率提升至国际先进水平（46%）。

后续计划

团队拟通过电网扩容开展兆瓦级长脉冲实验，并与国内聚变装置联合测试。此研究为我国聚变能源自主化提供了不可替代的技术支撑。

（注：文中专业术语如"磁控注入枪"(Magnetron Injection Gun)、"单极降压收集极"(Single-Stage Depressed Collector)等均按首次出现时标注英文原词。）