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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 |
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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
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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app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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