[发明专利]一种采用多模级联实现太赫兹回旋管频率超宽带可调的方法

说明书

该发明提出了一种采用多模级联实现太赫兹回旋管频率超宽带可调的方法，其特点是采用多个工作模式级联工作的方式，通过调节工作磁场或者电子束能量使工作模式依次被激励，相对于传统单模工作的频率连续可调太赫兹回旋管而言，其频率可调谐的范围能得到很大的提高。在主频率为500GHz的情况下，采用了四个工作模式TE_5,7,q,TE_10,5,q,TE_3,8,q,TE_1,9,q级联工作，最终得到了约10GHz的频率调谐带宽，并且能使输出功率稳定在一定范围内。该超宽带频率连续可调太赫兹回旋管在DNP‑NMR系统以及其他领域都有很好的应用前景。

技术领域

本发明提出了一种采用多模级联实现太赫兹回旋管频率超宽带可调的方法，采用四个工作模式 TE_5,7,q,TE_10,5,q,TE_3,8,q,TE_1,9,q,(q＝1,2,3……)级联工作使回旋管的输出带宽达到10GHz以上，并且输出功率也 能稳定在一定范围内，属于真空太赫兹辐射源领域。

背景技术

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞 曼分裂，共振吸收某一特定频率电磁辐射的物理过程。由于核磁共振谱的高分辨率，作为一种谱分析方法， 核磁共振已广泛用于物理、化学、材料科学和生物医学领域。但常规核磁共振波谱的灵敏度低，限制了它 的进一步应用，由电磁波驱动的动态核极化(Dynamic Nuclear Polarization,DNP)是一种提高核磁共振谱 灵敏度的有效方法。随着超导磁体技术的发展，为了进一步提高核磁共振谱的灵敏度，现代核磁共振波谱技术正在向高场方向发展。对于300-1000MHz高场核磁共振谱分析系统，电子顺磁共振频率范围 200-650GHz，达到了太赫兹的范围。为了使电子自旋极化达到饱和，最大限度的提高灵敏度，需要辐射源 的功率为20-100W。在目前发展的各种高功率太赫兹辐射源中，回旋管是是唯一能满足上述要求的太赫兹 辐射源，而目前所发展的固态源最大输出功率与效率方面相对于真空源来说还有很大的差距。传统的真空 电子器件，如行波管和速调管，由于其结构越来越复杂，且随着工作频率的增加，其平均功率能力受到限 制，在太赫兹波段的应用也受到限制，回旋振荡器(回旋管)是通过电子注在纵向磁场中回旋与高频角向 电场相互作用后产生受激辐射。

DNP-NMR需要回旋管具有较宽的频率调节范围以及输出功率和频率的稳定度，因此如何使回旋管得 到更宽的带宽并且输出功率稳定是目前该领域的研究热点，传统的回旋管通过调节工作磁场或者电子束能 量改变工作模式的纵向指数，从而达到频率可调的目的，要激励起工作模式需要工作电流大于起振电流， 在回旋管中不同纵向模式的起振电流I_st近似与成正比，Q_d，Q_ohm分别是衍射品 质因数和欧姆品质因数。在传统三段腔中，衍射品质因数与腔体有效长度近似满足：这就意 味着对于高阶纵向模式而言，起振电流会很大，因此仅采用一个工作模式通过调节纵向指数实现更宽的频 率调节范围几乎不可能，如果仅激励起一个工作模式，通常只有2GHz左右。

发明内容