CN114865257A - 一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，包括过模波纹波导、换向波导段及椭球面反射镜。高斯基模可以在过模波纹波导中耦合出HE11模，HE11模在过模波导波导中以低损耗传输并保持较高模式纯度；利用换向波导段改变波束的传输方向，进一步减小空间限制；利用过模波纹波导中的传输模式与自由空间中高斯基模耦合效率高的特性，通过椭球面反射镜改变过模波纹波导中传输的HE11模耦合到自由空间中的准高斯波束的束腰半径，并耦合到输出过模波纹波导中，由于椭球面反射镜改变了空间耦合准高斯波束的束腰半径，满足输出段过模波纹波导与空间准高斯波束的最大耦合条件，增大了模式纯度，减小了传输损耗。本装置能够实现波束高效、稳定的长距离传输，满足增强核磁共振系统对核磁共振谱仪及回旋管对磁场屏蔽的要求。

Description

一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置
技术领域
本发明属于微波技术领域，更具体地说，是一种用于增强核磁共振系统中的波束传输装置。
背景技术
核磁共振是一种用于观察原子核在磁场中行为的波谱技术，能够对分子进行快速、准确的分析，广泛应用于生物、医学、化学、材料等领域。由微波驱动的动态核极化技术能够明显地提高核磁共振的灵敏度，在太赫兹波段，回旋管能够提供足够高功率和稳定的辐射源。
核磁共振谱仪和回旋管都需要超导磁体提高稳定的强磁场，为避免磁场的相互干扰，核磁共振谱仪和回旋管相隔一定的距离，因此需要使用传输系统进行导波，将回旋管输出的高功率微波高效稳定的传输到核磁共振谱仪处，过模波纹波导由于其低损耗、优良的屏蔽性等优点，在长距离高频电磁波传输中广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对增强核磁共振系统中，将回旋管输出的高功率微波高效稳定的传输到核磁共振谱仪处而提出的。
本发明的应用于增强核磁共振系统的波束传输装置包括：过模波纹波导、换向波导、椭球面反射镜。
本发明的目的由以下技术措施实现：模式变换器将回旋管输出的太赫兹波变换为高斯基波；高斯基波传输到过模波纹波导中激励起HE11模，HE11模在整段或多段连接的过模波纹波导中传输，并利用换向波导改变波束的传输方向；波导输出的波束在空间中耦合出高斯基波，经椭球面反射镜改变波束的束腰半径后在核磁共振处的较小尺寸过模波纹波导中耦合出HE11模以满足波导尺寸的改变。
进一步地，过模波纹波导的半径a远远大于波长，波纹周期p小于波长的一半，占空比大于0.5，材料为电导率较大的铜或铝等。
进一步地，换向段由两段相同的入射和反射波导及平面反射镜组成，两波导在镜面处相接并紧靠在镜面上，平面镜安装于弯头处，与输入及输出波导互成45°。
进一步地，椭球面反射镜关于长轴旋转对称，短轴垂直于长轴，输入和输出波导的中心延长线以一定的角度相交于椭球面反射镜，长轴、短轴长度及焦点位置由输入/输出波导半径，输入/输出波束间的角度、输入波导与椭球面反射镜的距离确定。以椭球面反射镜反射点为中心，截取反射镜的一部分，并保证反射镜面积大于波束在镜面处的束腰半径的四倍。
本发明的技术优势:
本发明利用高斯基模与HE11模间耦合效率高的特点，将回旋管输出的太赫兹波经模式变换器后得到高斯基模，进而在过模波纹波导中激励器高纯度的HE11模；在满足边界条件时，HE11模在过模波纹波导中传输损耗很小，可有效保证高效稳定的高功率传输；换向段可高效的改变波束的传输方向，进一步减小了空间的限制。利用椭球面反射镜对准高斯波束的调控原理，改变耦合到自由空间中的高斯波束的束腰半径，提高波束向较小尺寸过模波纹波导的耦合效率，从而将太赫兹波从较大半径的过模波纹波导中高效地耦合到半径较小的过模波纹波导中。
附图说明
图1为波束传输装置整体示意图，包括过模波纹波导、换向波导及椭球面反射镜，其中过模波纹波导1、2、3结构参数相同，内径尺寸为r1，过模波纹波导4的内径尺寸为r2。
图2为过模波纹波导参数定义及其坐标系统，其中a为波导内半径，p、w、d分别为波纹周期、宽度和波纹深度，波束沿z轴传输。
图3为换向波导结构示意图，包括两段结构相同的过模波纹波导和平面反射镜。
图4为椭球面反射镜示意图，其中点A为波束在椭球面反射镜处的入射点，点B为波束入射点，点C为波束出射点，F1与F2为椭圆的两个焦点。
下面通过实施实例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实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。
附图2中过模波纹波导各参数满足
Figure BDA0003685087850000021
附图3中输入和输出波纹波导与图3过模波纹波导参数相同，两波导在镜面处相接并紧靠在镜面上，平面镜安装与弯头处，与输入及输出波导互成45°。
附图4中有三个关键参数：椭球面反射镜的长轴a、短轴b，出射距离dout。对于输入段过模波纹波导半径为r1，输出段过模波纹波导半径为r2的系统，变换前后的波束的束腰大小的比值为M＝r1/r2。
椭球面反射镜的等效焦距与M有关，表达式为：
Figure BDA0003685087850000022
其中
Figure BDA0003685087850000031
din为入射距离。
椭球面反射镜的长轴a、短轴b及出射距离分别为
Figure BDA0003685087850000032
Figure BDA0003685087850000033
其中
Figure BDA0003685087850000034
θi为反射镜入射与出射波束之间的夹角。

Claims (6)

1.一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，其特征在于，包括：过模波纹波导、换向波导及椭球面反射镜。.
2.根据权利要求1所述的一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，其特征在于，所述过模波纹波导的半径远远大于波长，波纹周期小于波长的一半，占空比大于0.5，凹槽深度约为1/4倍的波长。
3.根据权利要求1所述的一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，其特征在于，所述换向段由两段相同的入射和反射波导及平面反射镜组成，两波导在镜面出相接并紧靠在镜面上，平面镜安装于弯头处，与输入及输出波导互成45°。
4.根据权利要求1所述的一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，其特征在于，所述椭球面反射镜关于长轴旋转对称，短轴垂直于长轴，输出波导与输出波导的中心延长线以一定的角度相交于椭球面反射镜。
5.根据权利1要求所述的一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，其特征在于，所述椭球面反射镜以反射点为中心，应保证所截取的反射镜面积大于波束在镜面处的波束半径的四倍。
6.根据权利1要求所述的一种应用于增强核磁共振系统的波束传输装置，其特征在于，所述椭球面反射镜的长轴a、短轴b、波束出射距离的表达式如下，其中θi为反射镜入射与出射波束之间的夹角：
Figure FDA0003685087840000011
Figure FDA0003685087840000012
Figure FDA0003685087840000013
其他参数的表达如下：
Figure FDA0003685087840000021
Figure FDA0003685087840000022
Figure FDA0003685087840000023
Figure FDA0003685087840000024
Figure FDA0003685087840000025
。
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