应用于动态核极化核磁共振波谱系统的高功率太赫兹传输线研究
发布时间：2020-12-12 01:37
核磁共振是指磁矩非零的原子在外加磁场的作用下吸收特定频率电磁波的现象。近代科学家们将核磁共振广泛应用于化学、生物学、地质学等领域,为人类现代科技的发展提供了坚实的基础。然而,核磁共振本质上是一种低灵敏度波谱的技术,几十年来,科学家们开发了多种方法来达到提升核磁共振灵敏度的目的。动态核极化是其中一种用于提升核磁共振灵敏度的方法。它通过原子受特定频率电磁波辐照,实现电子与原子核极化转移,从而达到提升核磁共振灵敏度的目的。如今,随着各类交叉领域的发展,核磁共振的分辨率越来越高,外加磁场越来越大,实现动态核极化所需的辐照频率也越来越高。目前,使用动态核极化增强核磁共振所需的辐照已达毫米波或太赫兹频段,在太赫兹波段,回旋管由于其寿命长、稳定、高功率输出等特点,成为了应用于动态核极化增强核磁共振的唯一选择。在外加磁场下,回旋管中的电子作回旋运动,在腔体内激励起特定模式的电磁能量。在回旋管的输出端,圆波导中的波导电磁能量通过准光模式变换器转换为准高斯分布的电磁波束。该波束可以经过自由空间传输,也可以高效耦合进波纹波导中去。应用于增强核磁共振的传输线旨在实现将回旋管输出的高斯波束高质量、高效率的传输到...
【文章来源】： 曹毅超 电子科技大学
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基本NMR系统示意图(固定射频频率、调节磁场)
电子科技大学硕士学位论文4的缺点。基于电子回旋脉塞的回旋管，因其较为特殊的工作原理，可稳定工作在较高频的波段范围中，产生稳定且高功率输出的同时，拥有较长的工作寿命，完全满足DNP-NMR系统对高功率微波源的需求，在高于0.25THz的频段的DNP-NMR实验中拥有非常明显的优势[12-13]。不仅如此，对于DNP-NMR系统，回旋管还可以根据其连续可调谐的特点进行NMR系统信号的优化[14]。图1-2各类器件在不同频段的输出功率对比传输线作为增强核磁共振系统的关键部件之一，实现了太赫兹波从回旋管稳定高效的传输到NMR系统中的功能。在太赫兹波段，一般应用准光传输的方式来设计传输线。太赫兹波也可以通过介质波导、金属波导以及光子晶体波导传输，但在实际应用中会遇到许多困难，如波导尺寸过小给加工带来的困难、成本较高，以及由于衰减较高不适合用于远距离传输(几十个波长的距离)。准光传输技术是一种重要的技术，它是一种将太赫兹波类似于光束在自由空间传输的技术，该技术是一种很有前景的传输方法。然而和传统的光线光学相比，准光学在理论上又与其有所不同。在光线光学中，透镜或者反射镜的的尺寸远大于波长，一般情况下，透镜直径可达上万倍的波长，而波束的束腰至少比波长大两个数量级。即在尺寸波长比D足够大的情况下才能够将光的传播视为光线，此时可以忽略其衍射效应。在太赫兹波段，如若按照光线光学的要求设计镜面以及波束束腰，其尺寸将会非常大，因此一般设置透镜和束腰最多几十倍波长，此时衍射效应无法忽略，需要准光传输理论进行模型的分析。不过，相比于波导传输，这种传输方法能够在较远的距离中更高效的传输太赫兹波。因此，准光传输模型被更广泛的应用在太赫兹波的传输应用中。图1-3显示了应用回旋管的DNP-NMR系统的整体布局
第一章绪论5提供实现DNP的高功率太赫兹源。在回旋管的末端，能量通过准光模式变换器(辐射器)变为高斯分布的电磁波束，并在准光传输线的引导下实现高效率、高质量的传输。在传输线末端，能量通过波纹波导耦合进DNP-NMR的探针处的样品，从而实现增强核磁共振的过程。图1-3DNP-NMR系统整体布局对于回旋管在太赫兹频段的优势以及动态核极化对核磁共振灵敏度的提升，许多机构开展了应用于DNP-NMR系统回旋管的理论研究。下面给出了国内外各机构的研究现状，具体的数据在表1-1中显示。美国麻省理工学院展开的研究[15-18]：麻省理工学院研制的140GHz基次谐波回旋振荡管与回旋行波管，获得了14W的连续波输出与1kW的峰值功率，分别应用于DNP-NMR和短脉冲电子顺磁共振的研究。研究并制造了在250GHz基次谐波振荡管，可获得高于10W的连续波功率和30W的峰值功率，具有2GHz的调谐范围。在二次谐波的回旋管中，研制了460GHz的回旋振荡管，实验时获得16W的连续波功率，应用在700MHz的增强核磁共振实验。330GHz的回旋振荡管获得18W的连续波输出功率，并且可实现1.2GHz的连续调谐范围，应用在500MHzDNP-NMR实验中。研制工作在527GHz回旋振荡管可以获得20W以上的输出功率。美国通信与电力工业公司（CPI）[19,20]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]核磁共振研究的历史[J]. 刘志军. 广西民族大学学报(自然科学版). 2011(02)
[2]MRI技术发展十年回顾[J]. 冯晓源. 上海生物医学工程. 2006(02)
博士论文
[1]高场核磁共振波谱仪硬件的研究[D]. 毛文平.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2012
本文编号：2911610
【文章来源】： 曹毅超 电子科技大学
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基本NMR系统示意图(固定射频频率、调节磁场)
电子科技大学硕士学位论文4的缺点。基于电子回旋脉塞的回旋管，因其较为特殊的工作原理，可稳定工作在较高频的波段范围中，产生稳定且高功率输出的同时，拥有较长的工作寿命，完全满足DNP-NMR系统对高功率微波源的需求，在高于0.25THz的频段的DNP-NMR实验中拥有非常明显的优势[12-13]。不仅如此，对于DNP-NMR系统，回旋管还可以根据其连续可调谐的特点进行NMR系统信号的优化[14]。图1-2各类器件在不同频段的输出功率对比传输线作为增强核磁共振系统的关键部件之一，实现了太赫兹波从回旋管稳定高效的传输到NMR系统中的功能。在太赫兹波段，一般应用准光传输的方式来设计传输线。太赫兹波也可以通过介质波导、金属波导以及光子晶体波导传输，但在实际应用中会遇到许多困难，如波导尺寸过小给加工带来的困难、成本较高，以及由于衰减较高不适合用于远距离传输(几十个波长的距离)。准光传输技术是一种重要的技术，它是一种将太赫兹波类似于光束在自由空间传输的技术，该技术是一种很有前景的传输方法。然而和传统的光线光学相比，准光学在理论上又与其有所不同。在光线光学中，透镜或者反射镜的的尺寸远大于波长，一般情况下，透镜直径可达上万倍的波长，而波束的束腰至少比波长大两个数量级。即在尺寸波长比D足够大的情况下才能够将光的传播视为光线，此时可以忽略其衍射效应。在太赫兹波段，如若按照光线光学的要求设计镜面以及波束束腰，其尺寸将会非常大，因此一般设置透镜和束腰最多几十倍波长，此时衍射效应无法忽略，需要准光传输理论进行模型的分析。不过，相比于波导传输，这种传输方法能够在较远的距离中更高效的传输太赫兹波。因此，准光传输模型被更广泛的应用在太赫兹波的传输应用中。图1-3显示了应用回旋管的DNP-NMR系统的整体布局
第一章绪论5提供实现DNP的高功率太赫兹源。在回旋管的末端，能量通过准光模式变换器(辐射器)变为高斯分布的电磁波束，并在准光传输线的引导下实现高效率、高质量的传输。在传输线末端，能量通过波纹波导耦合进DNP-NMR的探针处的样品，从而实现增强核磁共振的过程。图1-3DNP-NMR系统整体布局对于回旋管在太赫兹频段的优势以及动态核极化对核磁共振灵敏度的提升，许多机构开展了应用于DNP-NMR系统回旋管的理论研究。下面给出了国内外各机构的研究现状，具体的数据在表1-1中显示。美国麻省理工学院展开的研究[15-18]：麻省理工学院研制的140GHz基次谐波回旋振荡管与回旋行波管，获得了14W的连续波输出与1kW的峰值功率，分别应用于DNP-NMR和短脉冲电子顺磁共振的研究。研究并制造了在250GHz基次谐波振荡管，可获得高于10W的连续波功率和30W的峰值功率，具有2GHz的调谐范围。在二次谐波的回旋管中，研制了460GHz的回旋振荡管，实验时获得16W的连续波功率，应用在700MHz的增强核磁共振实验。330GHz的回旋振荡管获得18W的连续波输出功率，并且可实现1.2GHz的连续调谐范围，应用在500MHzDNP-NMR实验中。研制工作在527GHz回旋振荡管可以获得20W以上的输出功率。美国通信与电力工业公司（CPI）[19,20]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]核磁共振研究的历史[J]. 刘志军. 广西民族大学学报(自然科学版). 2011(02)
[2]MRI技术发展十年回顾[J]. 冯晓源. 上海生物医学工程. 2006(02)
博士论文
[1]高场核磁共振波谱仪硬件的研究[D]. 毛文平.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2012
本文编号：2911610
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2911610.html
