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

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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、高效率的传输到核磁共振谱仪中样品处的功能,且能够根据具体的实验需求与环境要求,做出灵活的调整。现有的传输线模型,在方案和具体设计中,仍有需要改善的地方。本论文根据科研团队对0.5THz DNP-NMR传输线的设计要求,通过理论、分析和优化,设计了传输模型,主要工作如下:1、从高斯波束的基本理论和准光传输理论出发,介绍了应用于准光传输的分析理论与设计方法。根据DNP-NMR系统的具体要求对长距离传输高斯波束的模型提出了初步的设计方案。2、从圆波导基础理论出发,利用边界函数的分析方法分析了过模波纹波导的传输特性、特征方程以及场分布。讨论了高斯波束和波纹波导的最佳耦合情况,提出了一种用于改善波束质量的新型结构,用于提升耦合效率。3、根据初步方案,利用编写的Matlab程序设计、优化了传输线模型,并利用FEKO建模仿真进行验证。根据具体数值模型,在光学面包板上进行布局,设计了镜面的具体模型,画出了镜面模型的工程图,为之后的实验做好准备。
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