太赫兹回旋管研究进展

回旋管是一种基于电子回旋谐振受激辐射的快波器件,是目前太赫兹波段输出功率和效率最高的重要器件,本文给出了目前国内外太赫兹回旋管技术的发展状况,分析了太赫兹回旋管的特点和应用前景.     

应用于动态核极化核磁共振的太赫兹回旋管

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。     

一种超低电压宽带调谐太赫兹回旋管互作用结构

低电压频率可调太赫兹回旋管在生物医学和波谱学等领域具有重要应用。文章分析了超低电压(<1 kV)下采用传统开放腔互作用电路的330 GHz 回旋管输出功率和频率调谐特性,探讨了超低电压下由于电子相对论效应减弱而导致的回旋管中电子注-波互作用耦合强度降低的问题。在此基础上,针对330 GHz 超低电压回旋管提出了一种改进的互作用电路结构,其下倾式尾端结构有助于增大反向波幅度,提高弱相对论电子注与电磁波之间的耦合强度,从而提高回旋管的输出效率及频率调谐带宽。非线性模拟结果表明,在低至0.3 kV 的超低电压下,采用此种互作用电路结构仍可获得大于1 W 的连续波输出功率及22 GHz 的连续调谐带宽,峰值输出效率大于7%。     

140GHz/50kW回旋管的研制与测试

回旋管在毫米波与太赫兹频段能够输出高峰值功率和高平均功率,具有重要的应用需求。本文基于回旋管束波互作用理论设计了一只140 GHz回旋管以用于磁约束聚变中电子回旋加热相关元件的测试和老炼,目标是实现最大输出功率不小于50 kW,具备脉冲工作及连续运行能力,且具有一定的频率和功率调节范围以适应测试的需求。根据设计结果开展了该回旋管的研制与测试,在阴极电压-37.2 kV,控制极电压-12.19 kV,阳极电压+11 kV,束流3.4 A,工作磁场约5.3T下获得最大脉冲输出功率56 kW,功率可通过工作电流和磁场进行调节,同样的调节手段还可以使频率获得约80 MHz的调节范围。重点对起振电流、功率曲线和频率曲线等进行了理论计算结果和实验结果的对比,二者获得了良好的一致。由于初步实验中观察到了大于50 kW连续波功率输出时窗片的过温现象,因此降低功率在20.3 kW开展了连续运行实验,结果表明在该功率下回旋管连续运行状态稳定,可以用于后续聚变元件测试和老炼工作的开展。     

0．22THz准光波导回旋返波管的设计与模拟研究

回旋返波管作为一种频率可调谐的大功率太赫兹辐射源器件,具有较好的实用前景。本文根据回旋返波管线性理论设计了一只中心工作频率在0．22THz的准光波导回旋返波管,采用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟研究,分析其工作特性。仿真结果表明：所设计的回旋返波管可获得14kW的峰值功率输出,输出功率大于5kW时调谐带宽大于1GHz。     

基于CMOS工艺的太赫兹振荡器

在太赫兹频段,无源器件电容电感的品质因数低、电路的寄生参数以及MOS管的截止频率影响使太赫兹振荡器电路难以实现高功率输出。提出一种300 GHz可调谐振荡器,首先,采用改进的交叉耦合双推(Push-Push)振荡器结构,通过输出功率叠加的方法输出二次谐波300 GHz信号,增加了振荡器的输出功率并突破了MOS管截止频率,并通过增加栅极互连电感增加输出功率。其次,太赫兹振荡器摒弃传统片上可变电容调谐的方式,通过调节MOS管衬底电压改变MOS管的栅极寄生电容实现频率调谐,避免太赫兹频段引入低Q值电容,进一步增加了输出功率。提出的太赫兹振荡器采用台积电40 nm CMOS工艺,基波工作频率为154.5 GHz,输出二次谐波为 309.0 GHz,输出功率可达-3.0 dBm,相位噪声为-79.5 dBc/Hz@1 MHz,功耗为28.6 mW,频率调谐范围为303.5~315.4 GHz。     

0.6 THz三次谐波回旋管的研究

 太赫兹回旋管是一类基于电子回旋受激辐射机理的快波器件,同时也是目前最具发展前景的高功率太赫兹辐射源.本文根据回旋管的线性理论和自洽非线性理论对三次谐波、工作频率0.6 THz的回旋管进行了研究,重点讨论了引导中心分别为0mm的实心回旋电子注和0.315mm的空心回旋电子注的模式竞争.通过分析比较,发现工作在0.6THz 、三次谐波的众多模式中TE37模是一比较理想的工作模式,它不仅有相对较高的功率输出,而且还有相对较少的模式竞争.本文中的设计采用55kV/1.0A,电子注的速度横纵比为1.5,在工作磁场7.86T下,数值计算结果表明输出功率达4.73kW.     

高次谐波太赫兹回旋管的多模工作研究

为了发展大功率、实用性强的太赫兹辐射源,文中对太赫兹回旋管中多个二次谐波工作模式的注波互作用进行了理论和实验研究,分析不同参数下多个二次谐波工作模式单模振荡的条件.实验研究结果表明,在二次谐波工作状态下,通过调节工作磁场、电流等参数,在单管中实现了四个不同频率0.391、0.404、0.416、0.423 THz,千瓦级以上输出功率的太赫兹波辐射.     

小回旋三次谐波0.52 THz回旋管

为了发展大功率高效率太赫兹辐射源,对小回旋电子注激励三次谐波太赫兹电子回旋脉塞进行了研究,分析了不同参数情况下的模式竞争.研究结果表明,采用近轴小回旋电子注能够实现三次谐波单模振荡.在此基础上设计了一只0.52 THz、TE37模三次谐波回旋管,数值计算表明,该回旋管在工作磁场为6.98 T下输出功率可以达到3.7 kW.对产生近轴小回旋电子注的高磁压缩比磁控注入式电子光学系统进行的粒子模拟研究结果表明,该电子枪能够产生满足实验要求的65 kV/2.5 A,横纵速度比为1.24,引导中心半径0.35 mm的小回旋电子注,其纵向速度离散6.6%,横向速度离散6.1%.     

高次谐波大回旋太赫兹振荡器多模工作特性

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管,借助于三维粒子模拟,研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明,通过调节磁场强度,可以在多个相邻谐波处连续激发振荡,实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射,最大辐射功率为19kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争,讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外,论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。     

Linear and Non-Linear Inserts for Genuinely Wideband Continuous Frequency Tunable Coaxial Gyrotron Cavities

We consider two continuous frequency tunable CW coaxial gyrotron oscillators, one 330 GHz with 3 GHz bandwidth and output power 50 – 400 W for scientific applications and one 30 GHz with 0.4 GHz bandwidth and output power 40 – 140 kW for industrial applications. The continuous tuning of both gyrotrons is achieved by moving the linearly tapered inner conductor in the axial direction in combination with the proper adjustment of the operating magnetic field. We consider also a non-linear tapering, which makes it possible to reduce the length of the insert and to improve efficiency of the device.     

THz Gyrotron and BWO Designed for Operation in DNP-NMR Spectrometer Magnet

Dynamic nuclear polarization (DNP) in high-field nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy requires medium-power terahertz radiation, which nowadays can be provided basically by gyrotrons with superconducting magnets. As the electron cyclotron frequency is very close to the frequency of electron paramagnetic resonance for the same magnetic field, under certain conditions the gyrotron can be installed inside the same solenoid used for NMR spectrometer. This eliminates the need for an additional superconducting magnet, results in a shorter terahertz transmission line, and can make DNP systems practical. In addition to an extremely low-voltage gyrotron (“gyrotrino”), we analyze also advantages of strong magnetic field for a slow-wave electron device as an alternative terahertz source.     

0.22 THz折叠波导返波管设计

作为折叠波导家族的重要成员之一,折叠波导返波管无需种子微波源,具有可观的振荡功率输出,可在较宽频带内方便地进行电压调谐,在THz波段的紧凑型电真空器件中占有重要地位。介绍了中物院应用电子学研究所0.22 THz折叠波导的研究情况,并阐述整管设计的原理和理念。通过一维模型分析和三维宏粒子模拟校验,完成了调谐频宽10 GHz,带宽内输出功率为瓦级的折叠波导返波管的理论设计。     

带状电子注驱动的准光谐振腔回旋管

回旋管作为一种重要的真空电子源，能够在毫米波和太赫兹频段生成高峰值以及高平均功率的电磁辐射，在波谱学、雷达、通信、生物医学等领域具有广泛的应用前景。传统的回旋管将不可避免地面对激烈的模式竞争问题，引入准光谐振腔将有望大大减小模式竞争的激烈程度。本文基于电子回旋脉塞理论，将准光谐振腔及带状电子注进行结合，以期实现更高的输出功率及效率。仿真结果表明，在电子电压为40 kV，背景磁场为8.4 T时，设计的准光回旋管能在220 GHz频点处产生6.1 kW的输出，电子效率达到6.1%且在一段时间内能稳定运行。本文结构将可能为高频段乃至高次谐波工作的回旋管设计提供全新方案，从而进一步用于通信、雷达等领域。     

Terahertz Gyrotrons at IAP RAS: Status and New Designs

Powerful gyrotrons with radiation frequencies in the range 0.33–0.65 THz were demonstrated at the IAP as early as in the 1970–1980s. This trend has recently been renewed in connection with a significant increase in interest in terahertz frequency range. In the course of new experiments, the radiation frequency of pulsed gyrotrons was increased up to 1.3 THz and 1 THz at the fundamental and third cyclotron harmonics, respectively. In addition, gyrotrons operated in CW regime with a frequency of 0.3 THz for technological applications (in collaboration with the University of Fukui, Japan) and 0.26 THz for the dynamic nuclear polarization at a high-field NMR were implemented. Designs of a pulsed fundamental-harmonic gyrotron with MW-level power at 0.3 THz and a CW kW-level third-harmonic gyrotron with a frequency of 0.4 THz are currently developed. Estimates show that modern techniques for the creation of strong magnetic fields now make it possible to realize gyrotrons with an operating frequency at least up to 1–1.5 THz. Such generators utilize a relatively low particle energy and can provide higher average power than the existing FELs.     

Further Characterization of 394-GHz Gyrotron FU CW GII with Additional PID Control System for 600-MHz DNP-SSNMR Spectroscopy

A 394-GHz gyrotron, FU CW GII, has been designed at the University of Fukui, Japan, for dynamic nuclear polarization (DNP)-enhanced solid-state nuclear magnetic resonance (SSNMR) experiments at 600-MHz ¹H resonant frequency. After installation at the Institute for Protein Research (IPR), Osaka University, Japan, a PID feedback control system was equipped to regulate the electron gun heater current for stabilization of the electron beam current, which ultimately achieved stabilization of output power when operating in continuous wave (CW) mode. During exploration to further optimize operating conditions, a continuous tuning bandwidth of approximately 1 GHz was observed by varying the operating voltage at a fixed magnetic field. In the frequency range required for positive DNP enhancement, the output power was improved by increasing the magnetic field and the operating voltage from their initial operational settings. In addition, fine tuning of output frequency by varying the cavity cooling water temperature was demonstrated. These operating conditions and ancillary enhancements are expected to contribute to further enhancement of SSNMR signal.     

Large Power Increase Enabled by High-Q Diamond-Loaded Cavities for Terahertz Gyrotrons

Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves - A new operation scheme is proposed to enable large increase in output power of terahertz gyrotrons. In this scheme, the gyrotron operates in...