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应用于增强核磁共振的太赫兹回旋管磁控入式电子枪研究

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应用于增强核磁共振的太赫兹回旋管磁控入式电子枪研究

作者：邓世超电子科技大学

学位级别：硕士

核磁共振(NMR)在许多科学领域扮演者重要的角色,作为一种检测方法在解决生物学、医学、物理学、化学、地质学和材料学等学科领域广泛被采用。中国在国家发展计划中提出研制超导磁共振成像系统、无创呼吸机、核医学影像设备等高性能医疗... 详细信息

核磁共振(NMR)在许多科学领域扮演者重要的角色,作为一种检测方法在解决生物学、医学、物理学、化学、地质学和材料学等学科领域广泛被采用。中国在国家发展计划中提出研制超导磁共振成像系统、无创呼吸机、核医学影像设备等高性能医疗器械。足以见得,核磁共振已成为关系国计民生的重要发展方向。而动态核极化(DNP)能显著增强核磁共振的灵敏度。基于太赫兹(THz)回旋管的动态核极化核磁共振(DNP-NMR)技术,能够将核磁共振谱灵敏度提高几个数量级,对新一代医疗技术的发展具有重要意义。太赫兹回旋管作为一种快波器件,在纵向磁场中电子回旋受激辐射激励,波长不会限制器件尺寸,电磁波输出可以达到大功率和高频率的性能要求,非常符合DNP-NMR系统对辐射源的要求。作为回旋管的关键部分,磁控注入式电子枪(MIG)的性能好坏直接决定了回旋管的性能。当磁控注入式电子枪产生合适的速度比和低速度离散的电子注时,能够提高太赫兹回旋管的输出功率和效率。为了研究太赫兹回旋管的电子枪系统并提高其性能,本文主要研究内容如下:1、通过对电磁场麦克斯韦方程组、静电场与静磁场、电子运动与轨迹方程推导化简,分析得出了电子光学的理论知识和计算方法。2、详细研究了磁控注入式电子枪的基本理论,总结磁控电子枪设计思路并绘制设计流程图,根据回旋管性能要求设计了0.46THz双阳极磁控注入式电子枪,研究回旋管工作电压和磁场强度对电子枪性能的影响。3、根据实际回旋管电子枪的性能要求和模式选择,利用电子枪粒子模拟软件Magic和CST成功设计出了0.42THz和0.263THz两只太赫兹回旋管的磁控注入式电子枪。4、通过研究控制阳极电压、电子枪结构等多种因素改变对电子枪产生电子注的速度比和速度离散影响,分析结果和原因得出了改善电子枪设计和提高电子枪性能的方法和结论。

关键词：动态核极化核磁共振太赫兹回旋管磁控注入式电子枪速度比速度离散

应用于DNP-NMR太赫兹回旋管电子枪的设计

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应用于DNP-NMR太赫兹回旋管电子枪的设计

第二届全国太赫兹科学技术学术年会

作者：宋韬王维庄乾萌刘頔威电子科技大学物理电子学院太赫兹科学技术研究中心太赫兹科学协同创新中心

核磁共振(NMR)在很多领域都具有广泛的应用,而动态核极化(DNP)能显著增强核磁共振的灵敏度。基于太赫兹(THz)回旋管的动态核极化核磁共振(DNP-NMR)技术,能够将高场NMR谱仪的信号灵敏度提高几个数量级,对新一代医疗技术的发展具有重要意... 详细信息

核磁共振(NMR)在很多领域都具有广泛的应用,而动态核极化(DNP)能显著增强核磁共振的灵敏度。基于太赫兹(THz)回旋管的动态核极化核磁共振(DNP-NMR)技术,能够将高场NMR谱仪的信号灵敏度提高几个数量级,对新一代医疗技术的发展具有重要意义。本文基于绝热压缩原理和角动量守恒定律,设计了双阳极磁控注入式电子枪。经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,电子枪电压为12kV,电流为0.5A,电子注横纵速度比为1.3,速度离散为4.45%。该电子枪应用于模式为TE11,2的420GHz DNP-NMR太赫兹回旋管。

关键词： DNP-NMR 太赫兹回旋管磁控注入式电子枪

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双共焦波导结构的二次谐波太赫兹回旋管设计

双共焦波导结构的二次谐波太赫兹回旋管设计

中国电子学会真空电子学分会第二十一届学术年会

作者：关晓通傅文杰杨同斌鲁钝黄瑛鄢扬电子科技大学太赫兹研究中心

共焦柱面波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效的减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计。为提高共焦波导回旋管的互作用效率,本文提出一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,并对其进行了... 详细信息

共焦柱面波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效的减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计。为提高共焦波导回旋管的互作用效率,本文提出一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,并对其进行了理论分析,设计了一种330GHz二次谐波双共焦波导谐振腔。粒子模拟结果表明,在40kV、2A的电子束驱动下,该谐振腔能够单模稳定的工作于TE模的二次谐波模式,输出频率328.93 GHz,输出功率4.97 kW,互作用效率为6.2%。而相同电子束参数下,普通共焦波导谐振腔对应的互作用效率只有1.5%。该研究为高功率太赫兹回旋振荡器的设计提供了一种新的可能。

关键词：太赫兹回旋管二次谐波准光谐振腔双共焦波导结构

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平顶脉冲强磁场技术及其应用

电工技术学报 2022年第19期37卷 5021-5034页

作者：韩小涛张绍哲魏文琦王俊峰李亮华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)

平顶脉冲磁场(FTPMF)是指峰值磁场能持续稳定一段时间的特殊强磁场，兼具脉冲磁场高场强和稳态磁场高稳定度的双重优点，在前沿基础科学研究和工程技术领域中具有重要应用价值。该文根据飞轮储能脉冲发电机、电容器、蓄电池在功率、容... 详细信息

平顶脉冲磁场(FTPMF)是指峰值磁场能持续稳定一段时间的特殊强磁场，兼具脉冲磁场高场强和稳态磁场高稳定度的双重优点，在前沿基础科学研究和工程技术领域中具有重要应用价值。该文根据飞轮储能脉冲发电机、电容器、蓄电池在功率、容量、输出电压等方面的特点，综述了 FTPMF 的产生及其高精度调控方法，介绍了改善 FTPMF 的稳定度、平顶时间等参数指标的最新技术进展。分析了 FTPMF 对改善核磁共振(NMR)性能和在测量材料物性中的关键作用，结合国家脉冲强磁场科学中心工作，给出了铌金属单质93Nb 在 22T 下的 NMR 测量、自旋二聚体Ba3Mn2O8在 64T 下的比热测量、以及电荷密度波材料 Li0.9Mo6O17在 30T 下的非线性 I-V 测量应用情况。最后，对发展 FTPMF 需要的电源系统协同供电、小型化与模块化、脉冲磁体材料、寿命及其状态监测等技术，以及 FTPMF 在脉冲场回旋管太赫兹波源上的应用等进行了展望。

关键词：平顶脉冲磁场脉冲电源调控技术核磁共振太赫兹回旋管

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250 GHz回旋管理论及仿真研究

250 GHz回旋管理论及仿真研究

作者：安晨翔国防科学技术大学

学位级别：硕士

太赫兹(terahertz,THz)波处在微波毫米波与红外线光学之间,在各个领域都具有巨大的应用潜力。回旋管作为最有前途的THz源之一,具有高功率、高效率等特点。本论文针对满足军事、生物医学等领域,百瓦功率的THz源的应用需求,利用线性理论,... 详细信息

太赫兹(terahertz,THz)波处在微波毫米波与红外线光学之间,在各个领域都具有巨大的应用潜力。回旋管作为最有前途的THz源之一,具有高功率、高效率等特点。本论文针对满足军事、生物医学等领域,百瓦功率的THz源的应用需求,利用线性理论,单模自洽非线性理论和64位并行计算粒子模拟软件Vsim开展了250 GHz回旋管理论及模拟研究。在10 kV,100 mA的电子束电压、电流下得到了输出功率为331 W,TE单模工作的回旋管互作用腔的粒子模拟结果。主要工作包括:1.采用回旋管线性理论,确定了工作模式为TE模,腔体的半径为2 mm左右,引导中心半径约1mm。在互作用腔初始腔体参数下,得到的冷腔谐振频率为248.6 GHz,Q值为11320。指出了TE模的主要竞争模式为可能工作在返波振荡区的TE模和TE模。指出磁场是影响起振电流的主要因素,确定了TE模外加磁场的有效工作范围在9.00-9.05 T之间,电子束电压的有效工作范围在8-13 kV。2.在线性理论的基础上采用了回旋管自洽非线性理论,确定了腔体的半径为2.01 mm或2.02 mm,中间腔长度为19 mm。指出输入和输出渐变段的结构在一定范围内变化对束波互作用效率影响很小。得到磁场在9.00 T-9.02 T之间,电子束电压在9 kV-11 kV之间,电子束横纵速度比在1.4左右时,束波互作用效率达到最大。确定了回旋管电子束电流100 mA,引导中心半径为1.0 mm。得到了最终优化结果为:频率249.2 GHz,效率36.8%,为粒子模拟提供了优化参数。3.采用64位并行模拟软件Vsim对回旋管进行粒子模拟,得到了与Magic粒子模拟较一致的结果,证明了Vsim在粒子模拟速度方面的独特优势。在非线性理论的基础上,采用Vsim模拟250GHz回旋管,指出250 GHz回旋管的返波振荡出现是由于TE工作在返波振荡区,提出了通过调整色散曲线抑制返波振荡的方法。最终得到的粒子模拟结果为:频率249.3 GHz,束波互作用效率33.1%,与非线性理论结果比较一致。

关键词：太赫兹回旋管线性理论自洽非线性理论粒子模拟 Vsim

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非规则横截面回旋管模拟计算方法研究

非规则横截面回旋管模拟计算方法研究

2011年全国微波毫米波会议

作者：韩煜袁学松马春燕电子科技大学物理电子学院太赫兹研究中心

随着太赫兹回旋管的迅速发展,高次谐波和非规则谐振腔被广泛研究,因此,回旋管作为功率最大的毫米波太赫兹源,其模拟计算受到了高度重视。本文在自洽非线性理论基础上,结合电磁仿真结果,通过导入场值方式,研究回旋管注波互作用。并分别... 详细信息

随着太赫兹回旋管的迅速发展,高次谐波和非规则谐振腔被广泛研究,因此,回旋管作为功率最大的毫米波太赫兹源,其模拟计算受到了高度重视。本文在自洽非线性理论基础上,结合电磁仿真结果,通过导入场值方式,研究回旋管注波互作用。并分别对一次谐波TE模、二次谐波TE模和三次谐波TE模电子回旋脉塞注波互作用进行了模拟计算,研究比对使用理论场值情况下的计算结果,论证了本方法的可行性和可靠性。

关键词：太赫兹回旋管高次谐波自洽非线性非规则谐振腔

基于频率选择表面的高功率太赫兹带阻滤波器研究

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基于频率选择表面的高功率太赫兹带阻滤波器研究

作者：庄乾萌电子科技大学

学位级别：硕士

频率选择表面(FSS)作为无限大平面周期金属结构,一般由贴片或孔径单元结构按照某种特定的排列方式构成单层、双层或者多层的周期性结构。当平面电磁波入射到无限大平面周期金属结构时,不同金属结构表面产生的感应电流不一样,一般贴片型... 详细信息

频率选择表面(FSS)作为无限大平面周期金属结构,一般由贴片或孔径单元结构按照某种特定的排列方式构成单层、双层或者多层的周期性结构。当平面电磁波入射到无限大平面周期金属结构时,不同金属结构表面产生的感应电流不一样,一般贴片型FSS周期结构表面会发生全反射(带阻);孔径型(缝隙)FSS周期结构表面会发生全透射(带通)。此时的入射电磁波频率为谐振频率。FSS对空间平面电磁波具有选择作用,同时可以工作在太赫兹频段,因此FSS可以设计成太赫兹空间滤波器。由于对不同频率、极化方式、入射角度的电磁波具有频率选择的特性,FSS在电磁领域得到了广泛的应用。本文对频率选择表面的基本概念和原理进行了简要的介绍,以及对频率选择表面应用于回旋管和准光模式变换器进行了介绍,分析了影响FSS传输特性的各种因素。设计得到了应用于回旋管的基于FSS的太赫兹空间滤波器。(1)应用于同轴双电子注回旋管基于FSS的0.11 THz带阻、0.22 THz带通的空间滤波器的设计:详细分析了极化方式、大入射角度、FSS金属屏数等因素对传输特性的影响,设计得到的应用于同轴双电子注回旋管的FSS空间滤波器,在0.11THz处的衰减为29 dB,而在0.22 THz处的衰减只有0.23 dB,在?45 degree内传输特性在实验要求可接受范围内。(2)应用于二次谐波回旋管基于FSS的0.22 THz带阻、0.42 THz带通的空间滤波器的设计:详细分析了极化方式、大入射角度、FSS金属屏数等因素对传输特性的影响,设计得到的应用于二次谐波回旋管FSS在0.22THz处的衰减为20dB,而在0.42THz处的衰减只有0.2d B,在?40degree内传输特性在实验要求可接受范围内。采用微纳光刻技术对基于FSS的太赫兹空间滤波器进行加工。利用英国TERAVIEW公司TPS 3000型号的太赫兹时域光谱仪,对基于FSS的0.11THz带通、0.22THz带阻的太赫兹滤波器进行测试,传输系数的测试结果与理论仿真结果基本吻合,但由于微纳光刻技术中加工精度问题,导致实物FSS传输系数的测试结果与理论仿真结果存在微小的误差。

关键词：频率选择表面太赫兹回旋管太赫兹时域光谱系统准光模式变换器太赫兹空间滤波器微纳光刻技术

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基于FSS的高功率太赫兹滤波器的研究

基于FSS的高功率太赫兹滤波器的研究

2015年全国微波毫米波会议

作者：庄乾萌王维宋韬刘頔威电子科技大学物理电子学院太赫兹科学与技术研究中心电子科技大学太赫兹科学协同创新中心

对于脉冲工作的高次谐波太赫兹回旋管,在电压脉冲的上升沿和下降沿,不可避免的会激励起基波模式,为了更准确的测量脉冲工作高次谐波太赫兹回旋管的输出功率,需要设计一种高功率滤波器,将在电压脉冲上升沿和下降沿产生的基波模式功率过滤... 详细信息

对于脉冲工作的高次谐波太赫兹回旋管,在电压脉冲的上升沿和下降沿,不可避免的会激励起基波模式,为了更准确的测量脉冲工作高次谐波太赫兹回旋管的输出功率,需要设计一种高功率滤波器,将在电压脉冲上升沿和下降沿产生的基波模式功率过滤掉,同时又保证高次谐波对应的功率通过时衰减尽量小。本文设计了一种基于频率选择表面的太赫兹高功率滤波器,该滤波器在0.22THz的衰减约为20d B,在0.42THz时的衰减约为0.2d B,能够很好的满足0.42THz二次谐波回旋管功率测量的要求。

关键词：太赫兹回旋管滤波器频率选择表面