阅读说明：本技术 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 (Method for realizing adjustable terahertz gyrotron frequency ultra wide band by adopting multimode cascade ) 是由 刘頔威 黄杰 王维 宋韬 胡巧 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：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<Sub>5,7,q</Sub>,TE<Sub>10,5,q</Sub>,TE<Sub>3,8,q</Sub>,TE<Sub>1,9,q</Sub>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。(The invention provides a method for realizing frequency ultra-wideband adjustment of a terahertz gyrotron by adopting multimode cascade, which is characterized in that a mode of cascade operation of a plurality of working modes is adopted, the working modes are sequentially excited by adjusting energy of a working magnetic field or an electron beam, and compared with the terahertz gyrotron with continuously adjustable frequency of the traditional single-mode operation, the tunable range of the frequency can be greatly improved. Under the condition that the main frequency is 500GHz, four working modes TE are adopted 5,7,q ,TE 10,5,q ,TE 3,8,q ,TE 1,9,q And the cascade operation finally obtains a frequency tuning bandwidth of about 10GHz, and the output power can be stabilized in a certain range. The ultra-wideband frequency continuously adjustable terahertz gyrotron has good application prospects in DNP-NMR systems and other fields.)

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

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***，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

本发明提出了一种新的方法即采用多个模式级联的工作方式实现太赫兹回旋管频率超宽带可调，本发 明中通过调节工作磁场或者电子束能量使四个工作模式TE_5,7,q,TE_10,5,q,TE_3,8,q,TE_1,9,q,(q＝1,2,3……)依次被 激励最终实现了10GHz左右的调谐带宽,相对传统的回旋管而言，可调谐的带宽大大提高。要得到更宽的 频率调谐范围，可以采用更多的模式级联工作，但会遇到更多的竞争模式以及很难保证所有的工作模式都 能与场都很强的耦合等困难，因此本发明也着重说明了如何合理地选择工作模式，保证所选的所有工作模 式都能起振且与场有很强的互作用。同时本发明也采用了一种改进的三段腔，相对于普通的三段腔而言， 在回旋管的输入段和主腔体之间引入了一个略向上的锥形波导段，这种新型的互作用结构能有效降低高阶 纵向模式的起振电流。

本发明主要基于以下理论指导实现：

合理选择工作模式，相邻工作模式的特征值需相差一定值(具体值由工作频率和腔体结构决定)这样 才能使几个工作模式能连续工作，并且保证工作模式与竞争模式具有一定的隔离度。

分析所选模式的耦合系数，选择合适的引导中心半径保证所有的工作模式与场都有较强的互作用，即 要使所有的工作模式都能起振，并且周围的竞争模式与场的耦合很小或者相对于与工作模式的耦合强度来 说可以忽略不计。

分析所选工作模式与工作模式附近的竞争模式的起振电流，通过起振电流的分析可以大致确定工作参 数，同时也可以再次确认竞争模式是否会起振，起振的竞争模式是否与工作模式有很好的隔离度。

冷腔粗略分析，计算各个模式的欧姆品质因数与衍射品质因数，由于回旋管热腔的谐振频率与冷腔的 谐振频率很接近，因此通过冷腔的分析，可以验证这几个模式的工作频率是否能连接起来，同时冷腔的结 果也对热腔的分析有很好的指导效果。

热腔精确计算，通过数值模拟，验证是否每个模式都能起振，计算每个模式具体的工作频率、电子互 作用效率和输出功率，最终验证是否每个模式都能被激励起来以及是否能实现频率连续可调。

附图说明

图1为改进的三段腔结构。

图2为模式分布图。

图3为工作模式及竞争模式的耦合强度。

图4为工作模式及竞争模式的起振电流。

图5为热腔数值模拟结果。

图6为每个工作模式所对应的频率调节范围。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说 明，不能理解为对本发明保护的限制，该领域的技术熟悉人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质 的改进和调整。

具体实施方式为，首先为了降低高阶纵向模式的起振电流，采用了一种改进的三段腔结构，如图1所 示，与传统的三段腔相比，在回旋管的输入段和主腔体之间引入了一个略向上的锥形波导段，通过不断的 优化最终得到了如图1所示的结构，腔体结构具体参数不便给出。为了使频率调谐范围达到10GHz至少需 要挑选4个工作模式，且相邻工作模式的特征值相差0.15左右，这样才能保证相邻工作模式的谐振频率能 够连接起来，实现频率连续可调。最终TE_5,7,q,TE_10,5,q,TE_3,8,q,TE_1,9,q,(q＝1,2,3……)被选为工作模式。图2 为工作模式附近的模式分布图(包含基波与二次谐波)，从图中可以看出工作模式与竞争模式有很好的模 式隔离度，但也有少许竞争模式TE_16,3,TE_25,1,TE_13,4无法避免。幸运的是，通过计算这四个模式的与电子的 耦合强度与电子注引导中心半径的关系，从图3可以看出当电子注引导中心半径选为0.805mm时这四个工 作模式与电子注都有很强的耦合，而前面所述的三个竞争模式TE_16,3,TE_25,1,TE_13,4与电子的耦合基本可以 忽略不计。工作模式与竞争模式(包含基波与二次谐波)的起振电流如图4所示，其中虚线表示基波，实 线表示二次谐波，从图中也可以明显看出工作模式与竞争模式有很好的隔离度，能有效的避免竞争模式起 振。最终通过数值模拟，调节工作磁场或者电子束能量该四个工作模式能被依次激励，该四个模式的工作 频率能够很好地衔接起来，最终频率调谐的范围达到了10GHz,并且能够实现频率连续可调，同时输出功 率稳定在500W左右，输出功率随工作频率的变化如图5所示。