胡林林，黄麒力，胡鹏，卓婷婷，龚胜刚，刘皓中，向永飞，

姚徐，郭俊，蒋艺，张鲁奇，孙迪敏，马国武，马弘舸    

(中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900）

（第一作者：胡林林，hulinlin2016@163.com。通信作者：马国武，huter_ma@126.com。）

研究背景

    磁约束聚变是最有希望实现终极清洁能源的可控核聚变技术路线之一，电子回旋共振加热（ECRH）是磁约束聚变装置中等离子体加热的重要技术途径，而高功率回旋管是ECRH系统中唯一可用的微波源。磁约束聚变装置的发展要求ECRH回旋管具备高频率、高功率与长脉冲的综合性能。目前，国际上仅有俄罗斯GYCOM/IAP、美国CPI、日本CETD，以及欧洲Thales/EGYC四家联合机构研制出了频率100 GHz以上、输出功率达到兆瓦级、连续运行时间几百秒至千秒以上的回旋管。这些器件已应用于EAST、W7-X、JT-60SA、ASDEX-U等多个磁约束聚变装置，并计划用于ITER、BEST、CFETR等在建或下一代聚变装置。然而，在这一关键技术领域，我国尚未实现突破——目前国内仍未研制出满足磁约束聚变装置“可用标准”（即达到100 GHz以上频率、兆瓦级功率、数百秒以上长脉冲）的回旋管，这一技术短板已成为制约我国磁约束聚变研究向更高阶段推进、保障下一代聚变装置自主可控的核心瓶颈之一。

研究进展

面向ECRH应用，中国工程物理研究院应用电子学研究所在高功率回旋管方面展开了大量的研究工作。2022年，研究团队研制出了105/140 GHz双频兆瓦回旋管，该回旋管采用了氮化硼输出窗，在毫秒级短脉冲条件下于140 GHz工作点获得1.057 MW的脉冲功率，实现了国内首次1.0 MW功率准光输出。2023年，研究团队进一步开展脉宽延展实验，在105 GHz和140 GHz两个频点实现400 kW/1 s的秒级输出结果，但氮化硼窗温度达到600 °C以上。为实现回旋管更高频率、更高功率和长脉冲运行要求，近期研究团队开展了175 GHz长脉冲高功率回旋管的研究。该回旋管的工作频率为前期105/140 GHz双频兆瓦回旋管的拓展频点。为提高功率容量，该回旋管采用了具备兆瓦级功率容量的金刚石输出窗，窗片通径90 mm，厚度1.80 mm。谐振腔工作于TE_28,11模式，工作磁场6.9 T。电子枪采用双阳极磁控注入电子枪，设计总电子束电压81 kV、电流40 A，电子效率大于30%。收集极采用25 kV~30 kV单极降压设计，总效率可提高至约45%。为降低收集极电子束沉积功率密度，采用了纵向扫描线圈进行电子扫描。准光输出高斯波束的束腰半径为22.5 mm，经外接光学匹配单元（MOU）调整波束后，束腰半径变为10.3 mm，波束匹配直径63.5 mm的波纹波导进行波束传输。

回旋管的实验测试系统如图1所示，回旋管产生的波束经MOU调整后馈入波纹波导传输线，再经过弯头、预吸收负载后注入大功率水负载。水负载的吸收功率通过量热法测量。长脉冲运行过程中，同步监测回旋管的收集极、阳极（谐振腔）、输出窗、副窗负载和波束传输路径上的MOU、预吸收负载的损耗功率。经过系统的调试和长时间老练，该回旋管先后实现了300 kW/100 s、400 kW/100 s的连续运行，并最终达到500 kW/100 s连续工作状态。

图1 回旋管实验测试系统

图2展示了500 kW/100 s运行时各电极电压和电流波形。此时阴极电压为-45.2 kV，控制极电压6.1 kV、阳极电压26.2 kV，阴极电流平均值为24.4 A，计算得到电子束功率为1103 kW。

图2  500kW/100s运行时的回旋管电压电流波形

图3为在500 kW/100 s运行时大功率水负载测量得到的瞬时功率曲线。通过对监测的各部分功率测算，得到回旋管金刚石窗输出功率为506 kW，对应总效率为46%。频率监测表明：波束频率稳定在175.04 GHz，100s内总偏移在40 MHz范围内。实验结果表明，在低输入功率下，该回旋管46%的总效率与设计一致，说明器件的工作状态符合设计预期，并具备实现更高功率连续运行的能力。受实验室电网功率容量（1.2 MW）的限制，未再进行更高功率运行实验。至此，该175 GHz回旋管的物理设计得到验证。

图3 500 kW/100 s运行时水负载的瞬态功率曲线

未来展望

本次175 GHz回旋管实现500 kW/100 s长脉冲运行，是国内首次在回旋管实验中实现高功率长脉冲运行，该结果已能满足国内聚变装置的ECRH系统的应用需求，有望加快推进ECRH回旋管的国产替代进程。目前，该回旋管的物理设计已通过实验验证，输出功率在输入功率提升后有望进一步提高。下一步研究团队将进行电网扩容，在现有基础上开展更高功率至兆瓦的长脉冲运行实验，并联合国内聚变装置单位开展ECRH的应用实验。

   该研究成果获得中物院创新发展基金项目（2024-SCX-ZX02）、国家自然科学基金项目（12175217）支持，作为封面文章以研究快报形式发表于《强激光与粒子束》2026年第1期，doi: 10.11884/HPLPB202638.250455