Мощный непрерывный субтерагерцовый гиротрон с большой орбитой для ЯМР спектроскопии

23.01.2020



В Институте прикладной физики РАН впервые в непрерывном режиме продемонстрирована генерация излучения в субтерагерцовом диапазоне частот при магнитных полях в 2-3 раза меньше, чем в традиционных гироприборах. В гиротроне с приосевым электронным пучком получена стабильная генерация на частотах 0,39 и 0,26 ТГц с мощностью излучения 0,4 и 0,9 кВт. В приборе используется относительно низкая энергия электронов и мощность питания. Разработанный генератор может быть использован в ЯМР-ДПЯ спектрометрах, как более удобная и дешевая альтернатива применяемым в настоящее время приборам.

Гиротроном с большой орбитой (ГБО) называется разновидность гиротрона с приосевым электронным пучком (рис. 1а), в котором электроны движутся по винтовым траекториям вокруг оси аксиально симметричного резонатора. Это название связано с тем, что ГБО обычно работает на высокой гармонике циклотронной частоты и, следовательно, в нем на одной и той же частоте электромагнитного поля меньше величина магнитного поля и больше радиус орбиты электронов, чем в обычном гиротроне «с малой орбитой» (рис. 1б), работающем, как правило, на основном циклотронном резонансе или, на второй циклотроннной гармонике.

(jpg, 124 Kб)

Рис. 1. Рабочее пространство гиротрона с большой орбитой с приосевым электронным пучком (а) и обычного гиротрона с
поливинтовым электронным пучком (б).

При такой геометрии электронного пучка в резонаторе возбуждается только мода с азимутальным индексом равным номеру циклотронной гармоники, что обеспечивает подавление паразитных колебаний. Для рабочего типа колебаний реализуется наибольшая связь с электронами, а моды с другими азимутальными индексами не возбуждаются (сильное правило отбора). Это дает уникальную возможность работать на гармониках основной циклотронной частоты в одном магнитном поле и, подбирая для каждой гармоники свою резонансную моду, работать в широком диапазоне частот. Это замечательное свойство позволило разработать ГБО для динамической поляризации ядер (ДПЯ) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Подавляющее большинство современных спектрометров для ДПЯ используют источники излучения с частотами 0,263, 0,395 и 0,527 ТГц. На мировом рынке эти приборы представлены разработками компании Bruker BioSpin в сотрудничестве с CPI (США). Все упомянутые частоты генерируются гиротронми работающими на 2-й циклотронной гармонике в криомагнитах с полями 5, 7 и 10 Тл, соответственно. Универсальная система ГБО позволяет объединить все три частоты, при этом электронно-оптическая система и коллектор остаются те же, меняется только резонатор (резонансная мода) и система формирования и вывода излучения. ГБО на всех частотах работает в одном криомагните с полем 5 Тл. Объединить все частоты в одной системе ГБО позволяет селективная работа на 2-й, 3-й и 4-й циклотронных гармониках. Впервые в мире продемонстрирована работа ГБО в непрерывном режиме генерации на частоте 0,394 ТГц на 3-й гармонике циклотронной частоты (рис. 2).

Важно, что это достигнуто на относительно низкой энергии электронов (30 кэВ) и слабом магнитном поле (около 5 Тл).

(jpg, 219 Kб)

Рис. 2. Фото непрерывного субтерагерцового гиротрона с большой орбитой (ГБО). Осциллограмма момента включения гиротрона и первых полутора минут  его работы. Расчетная и визуализированная картина интенсивности поля излучения.

В том же резонаторе, при другом значении магнитного поля, удалось получить излучение на частоте 0,267 ТГц на 2-й циклотронной гармонике. Показано, что после смены резонатора можно перейти к частоте 0,263 ТГц на 2-й циклотронной гармонике, а при работе на четвертой циклотронной гармонике со специальным резонатором возможна генерация на частоте 0,527 ТГц. Теоретические расчеты свидетельствуют, что при согласованном увеличении энергии частиц (до 45 кэВ) и магнитного поля (до 6,3 Тл) возможна генерация на перспективных для ДПЯ-ЯМР частотах 0,585 и 0,65 ТГц. Таким образом, этот путь, в перспективе, позволяет создать удобные и значительно более дешевые, по сравнению с использующимися сейчас приборами, генераторы для ДПЯ-ЯМР спектроскопии и других приложений.

Авторский коллектив: Ю.К. Калынов, В.Н. Мануилов, А.Ш. Фикс, Н.А. Завольский

©РАН 2020