一种实现输出方向大角度可调的太赫兹波传输聚束系统

摘要

该发明为一种实现输出方向大角度可调的镜面传输聚束系统，其特点是它由波纹波导的输入/输出窗口、旋转抛物反射镜、角度可调的相位校正镜组成，并且设计了输出场角度可以随输出窗方向调整的传输系统，在大的角度变化范围内都保持很高的传输效率。该发明中准高斯模式通过过模波纹波导输入到系统，辐射到自由空间，旋转抛物反射镜接收这个准高斯波束，经过反射后波束的角度改变，同时聚束。此时根据波纹波导输出窗的角度，相应调整相位校正镜的角度。随后波束入射到相位校正镜处，波束截面的相位差被消除，从而形成能够在相位和场强度两方面都符合高斯分布的波束，它能很好地耦合到输出窗对应的波纹波导中。

权利要求

1.一种实现输出方向大角度可调的镜面传输聚束系统，其特征在于，包括输入波纹波导（1），旋转抛物反射镜（2），相位校正镜（3），输出波纹波导（4），支架（5）；支架包括支撑输入波导的支架，支撑相位校正镜和角度指示器的支架，支撑旋转抛物反射镜的支架；支撑输入波导的支架开槽与输入波纹波导（1）相连接，下端与底座相连；相位校正镜支架与相位校正镜（3）相连并固定在底座上，角度指示器通过滑杆和相位校正镜（3）刚性连接，滑杆相对相位校正镜支架能够灵活转动；旋转抛物反射镜（2）是取自完整的旋转抛物镜的一部分，旋转抛物反射镜支架固定旋转抛物反射镜（2）并固定在底座上；来自输入波纹波导（1）的波束，经旋转抛物反射镜（2）反射和会聚之后入射到相位校正镜（3）上，经过相位校正后波束出射到输出波纹波导（4）中；底座长100mm，宽60mm，高2mm；输入波纹波导支架高85mm；相位校正镜支架高20mm，相位校正镜长宽均为30mm，相位校正镜支架距底座边缘10mm；旋转抛物镜支架高35mm，宽25mm；旋转抛物反射镜高90mm，下缘与旋转抛物镜支架相接，距底座边缘

10mm；输出波纹波导角度可变化，输入的工作模式为线极化模式HE11模式。

说明书

一种实现输出方向大角度可调的太赫兹波传输聚束系统

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种应用于DNP-NMR的输出方向大角度可调的镜面传输聚束系统，属于高功率太赫兹波传输技术领域。背景技术：

[0002] 核磁共振(NMR)是能够非零自旋的原子核，在外磁场作用下共振吸收并重新发射某一特定频率电磁辐射的物理现象。NMR应用广泛，安防检测上，NMR适用于非破坏性地分析样品，尤其是分析危险样品，医学上NMR常应用于医学诊断和成像，化学领域通过NMR光谱确定化合物的分子结构。但是，常规核磁共振波谱的灵敏度是很低的，所以灵敏度对这一技术能否成功推广至关重要。

[0003] 自1946年观测到NMR信号以来，衍生出许多新方法、新技术来提高NMR的灵敏度，如交叉极化、磨角旋转、极化转移等。而极化转移是一种很重要的灵敏度增强方法，这一过程主要发生在原子核之间，原子核与电子之间。早在1953年，Overhauser提出通过金属中饱和电子的跃迁把极化从电子传递给原子核，后被实验予以证实。而电子与原子核之间的极化转移就是动态核极化(DNP)，它将电子自旋的较高极化传递给给核自旋来增加核磁共振实验的灵敏度，极化传递由高频率毫米波或太赫兹辐射来驱动。

[0004] 提高磁场强度可以增大能级间隔，增大自旋能级粒子数差Δn，从而提高核磁共振的灵敏度。现代核磁共振波谱技术正在向高场方向发展。基于电子回旋受激辐射原理发展起来的快波回旋器件——太赫兹回旋管，被用作DNP-NMR的太赫兹辐射源。同时，为了与传输线匹配提高耦合效率，要求辐射源的输出场分布是理想的或者是接近理想的自由空间高斯分布。

[0005] DNP-NMR系统所需的太赫兹波频带很窄，其传输线可以视为单频传输。一种常用的结构是使用过模波纹波导来传输准高斯模式，它具有显著的低损耗特点。因为样品有限的空间限制，传输系统的末端需要把能量从一个半径较大的波纹波导馈入一个半径较小的波纹波导中传输，实现这一过程需要一光学反射镜组，它将准高斯波束聚焦后传输到NMR采样器中。发明内容:

[0006] 本发明的目的是对现有的DNP-NMR系统进行改进，实现一种输出方向大角度可调的太赫兹波束传输、聚束和相位校正的系统，它连接在DNP-NMR系统中一个半径较大的波纹波导的输出端，由旋转抛物镜和相位校正镜分别实现波束的聚焦和相位校正，从而输出符合NMR样品所需的准高斯波束，实现高转换效率、低传输损耗、输出角度可调、高矢量高斯成分并兼顾其紧凑性的传输系统。

[0007] 本发明的突出特点是针对复杂的实际情况，设计了输出场角度可以随输出窗方向调整的传输聚束系统，可在90°范围内变化，并且在大的角度变化范围内都有着很高的传输效率(大于95％)。

[0008] 本发明的目的有以下技术措施实现：

[0009] 系统包含两个镜面，旋转抛物反射镜和相位校正镜。

[0010] 入射的准高斯波束平行于抛物反射镜轴线方向。

[0011] 相位校正镜的角度可随根据输出波导的角度调节，角度数值可在相位校正镜支架上的角度指示器上查看。

[0012] 相位校正镜上有微扰，以实现相位校正功能。

[0013] 本发明具有如下优点：

[0014] 传输聚束系统效率高，输出场的高斯成分很好，损耗很小。

[0015] 系统的输出能够随着实际需要调节角度，对实际使用中复杂的情况和环境有很好的适应性，且仍能保证很好的传输效果(传输效率大于95％)。附图说明：

[0016] 图1为实现输出方向大角度可调的镜面传输聚束系统示意图。

[0017] 图2为系统的相位校正镜部分的近距离示意图。

[0018] 图3为相位校正镜示意图(单位：米)。

[0019] 图中：

[0020] 1输入波纹波导，2旋转抛物反射镜，3相位校正镜，4输出波纹波导，5支架及底座，包括输入/输出波纹波导支架、相位校正镜支架。具体实施方式:

[0021] 如图1所示，实现输出方向大角度可调的镜面传输聚束系统主要是由输入波导1，旋转抛物反射镜2，相位校正镜3，输入波导4，支架5组成。支架具体又由支撑输入波导的支架，支撑相位校正镜和角度指示器的支架，支撑旋转抛物反射镜的支架组成。支撑输入波导的支架开槽与输入波纹波导1相位，下端与底座相连。相位校正镜支架与相位校正镜3相连并固定在底座上，角度指示器通过滑杆和相位校正镜刚性连接，滑杆相对相位校正镜支架是可以灵活转动的。旋转抛物反射镜2是取自完整的旋转抛物镜的一部分，旋转抛物反射镜支架固定旋转抛物反射镜2并固定在底座上。来自输入波纹波导1的波束，经旋转抛物反射镜2反射和会聚之后入射到相位校正镜3上，经过相位校正后波束出射到输出波纹波导4中。

[0022] 具体实施方式为，准高斯模式通过过模波纹波导输入到系统，辐射到自由空间，旋转抛物反射镜接收这个准高斯波束，经过反射后波束的角度改变，同时聚束。此时需要根据波纹波导输出窗的角度，相应地调整相位校正镜的角度。随后波束入射到相位校正镜处，波束截面的相位差被消除，从而形成能够在相位和场强度两方面都符合高斯分布的波束，它能很好地耦合到输出窗对应的波纹波导中。

[0023] 底座长100mm，宽60mm，高2mm；输入波纹波导支架高85mm；相位校正镜支架高20mm，相位校正镜长宽均为30mm，相位校正镜支架距底座边缘10mm；旋转抛物镜支架高35mm，宽25mm；旋转抛物反射镜高90mm，下缘与旋转抛物镜支架相接，距底座边缘10mm；输出波纹波导因角度可随时变化，固定方式多样，故未给出。输入的工作模式为线极化模式HE11模式。经计算，输出窗位置在-45°～45°范围内变化时：传输整体效率大于98％，束腰半径分别为
6.0mm和1.7mm。标量高斯成分：在-20°～35°之间：大于99％，在-43°～45°之间：大于95％；
矢量高斯成分：在-27°～42°之间：大于95％。

[0024] 可根据需要和实际情况，由输出窗的角度推算相位校正镜的角度(均为相对于竖直方向的角度，输出窗倾角为负表示端口角度偏上，相位校正镜的倾角为正表示镜面角度偏上)，它们之间是线性关系，为实际测算方便，给出它们的换算参照表(角度：°)：

[0025]输出窗的倾角 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
相位校正镜的倾角 -0.7 1.8 4.3 6.8 9.3 11.8 14.3 16.8 19.3 21.8
输出窗的倾角 5 10 15 15 25 30 35 40 45  
相位校正镜的倾角 24.3 26.8 29.3 29.3 34.3 36.8 39.3 41.8 44.3