来源:Electronics 发布时间:2021/12/31 13:12:02
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北京大学刘濮鲲教授-杜朝海研究员团队:DNP-NMR用大功率太赫兹波传输系统 | MDPI Electronics

论文标题:Linearly Polarized High-Purity Gaussian Beam Shaping and Coupling for 330 GHz/500 MHz DNP-NMR Application

期刊:Electronics

作者:Xingchen Yang, Chaohai Du, Ziwen Zhang, Juanfeng Zhu, Tiejun Huang and Pukun Liu

发表时间:22 June 2021

DOI:10.3390/electronics10131508

微信链接:

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/electronics

核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 是一种应用非常广泛的波谱测量方法,但由于NMR所测量的活性核的核磁矩小和天然丰度低导致检测灵敏度差,从而限制了NMR的发展和应用。动态核极化 (Dynamical Nuclear Polarization, DNP) 技术充分发挥了电子具有远大于原子核自旋极化强度的优势,通过采用太赫兹波照射待测样品,将电子的自旋极化传递转移给周围的核自旋,可将NMR的信号灵敏度提高几个数量级,而高场NMR的测试速度则可提高数千倍。

迄今为止,太赫兹回旋管是高场DNP-NMR系统最佳的电磁波源。将大功率太赫兹波从回旋管馈送到NMR系统所面临的高损耗和高纯度模式控制问题是重要的技术挑战。目前,波导传输和准光传输是太赫兹波的两种主要传输方式。波导传输的功率容量大、损耗低,但带宽和欧姆损耗依赖于波导结构;相对而言,准光传输具有宽带和低损耗的优势,但系统稳定性较低。

北京大学电子学系刘濮鲲教授-杜朝海研究员团队在Electronics期刊上发表了一篇文章,展示了他们设计的330GHz/500MHz DNP-NMR用大功率太赫兹波传输系统。该工作将波纹波导传输技术和准光传输技术有机的结合在一起,有效实现了准光传输系统和波导传输系统的优势互补。

如图1所示,该传输系统包括太赫兹波源、高斯模式喇叭、金属波纹波导、定向耦合器和90°弯波导。由于常规圆波导模式在太赫兹频段损耗严重,为实现太赫兹波的低损耗传输,利用了高斯模式转换器输出高线性度的高斯模式,并与金属波纹波导基模HE11模式耦合,效率可以达到98%;定向耦合器实时提取约0.05%的能量用于测量传输系统中电磁波的稳定性;90°弯波导可以使电磁波的传输方向旋转90°,最终将回旋管产生的大功率太赫兹波传输到NMR谱仪中,并高效作用到样品上。

图1. 330 GHz/500 MHz传输系统示意图

高斯模式输出喇叭

如图2所示,高斯喇叭的轮廓为r =Sin2(z),内部存在周期凹槽。周期凹槽分为两部分,第一部分为模式转换段,凹槽深度由λ/2逐渐降低为λ/4,在这一部分将激励起TM11模式并与圆波导基模TE11模式耦合成混合的HE11模式;第二段为半径扩大段,输出端口尺寸与后续的金属波纹波导大小保持一致,这一部分周期性凹槽的深度基本保持稳定,约为λ/4。

图2. 高斯模式输出喇叭结构示意图

在330 GHz频点,可以得到如图3所示的剖面电场分布图,输入端的TE11模式在模式转换段激励起TM11模式,并与TE11模式耦合成HE11模式,其光斑随着喇叭的半径增大而逐渐变大,表现出优异的性能。

图3. 高斯喇叭剖面电场分布图

三端口定向耦合器

三端口定向耦合器的结构如图4所示,为一个三端口的部件。在端口一输入高线性度的高斯模式,大部分的能量将耦合至端口二沿主线继续传输,小部分能量稳定地耦合至端口三输出,在端口三外接一个吸收负载,便可以实时测量传输线中的能量大小。

图4. 定向耦合器结构示意图

如图5所示,在330 GHz,S11参数可以低至-41 dB,并且在300-360 GHz范围内保持在-20 dB以下;约0.05%的能量被稳定的耦合到端口三,约98.5%的能量被耦合至端口二沿主线继续传输。

图5. 三端口定向耦合器仿真结果

本文设计了一套330 GHz/500 MHz DNP-NMR大功率太赫兹传输系统,并对关键的零部件进行了模拟仿真。所设计的高斯模式转换器可以输出线极化纯度为98.8%的高斯模式用于系统的低损耗传输;三端口定向耦合器可以稳定地提取0.05%的电磁波功率用于实时测量传输线中的能量,以保证传输到NMR谱仪中电磁波能量的稳定性。

原文出自Electronics期刊.

Xingchen Yang et al. Linearly Polarized High-Purity Gaussian Beam Shaping and Coupling for 330 GHz/500 MHz DNP-NMR Application. Electronics 2021,10(13), 1508

Electronics期刊介绍

主编:Flavio Canavero, Politecnico di Torino, Italy

期刊主题涵盖电子科学与应用领域,发表电子器件、微电子与计算机技术、光电子工程、通信工程、信号与信息处理、微波理论与技术、生物电子工程、能源电子及系统等领域。

2020 Impact Factor:2.397

2020 CiteScore;2.7

Median Publication Time:35

Average Publication Time:37

 
 
 
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