L波段三维ESR成像系统的研制（Ⅱ）——L波段三维ESR成像系统

叙述了一个L波段（1.05 GHz）用于ESR和ESR成像的装置，用这套自制装置实现了3D ESR成像. 该装置由L波段ESR谱仪、三组梯度场线圈及控制单元和PC机数据采集系统组成. 样品腔是一个3-环2-缝再进入式谐振腔，可放入直径为20 mm、 长30 mm的H₂O样品，空谐振腔的频率是1.05 GHz. 微波振荡频率用自动频率控制（AFC）的方法自动锁在有载腔的频率上. 梯度场线圈沿X-，Y-和Z-轴产生线性梯度场，在中心40 mm球形范围内梯度场强度为2 mT/cm. 依照Lauterbur's方法进行3D ESR 图像重建. 用该系统检测了样品中TEMPO氮氧自由基的3D空间分布. 得到了TEMPO的2D、3D ESR图像、用像素灰度表示的自旋密度分布图及3D ESR-CT图像.     

L波段三维ESR成像系统的研制(Ⅳ)--系统组成与各部分性能指标

报道了自行研制的L波段三维电子自旋共振成像（3D-ESRI）系统的整机结构及各部分性能指标. 该系统主要由L波段ESR谱仪、三维梯度磁场装置、数据处理及图像重建软件组成. 系统的微波频率为1.05 GHz;最大微波功率500 mW. 采用3-环2-缝再进入式谐振腔,无载Q值>1 000;最大测量体积为φ 20 mm, 高30 mm柱状水溶液样品. 接收系统采用100 kHz锁相放大电路,最大增益可达1×10⁶;时间常数0.02 ms～1 s;磁场调制幅度>0.5 mT. 最大梯度磁场2 mT/cm;三维梯度线性度均优于5 ％;稳定度可达10^-5;主磁场可在1.6～96 mT范围内任意点选择扫场起始点;在0.2～16 mT范围选择磁场扫描宽度. 数据系统为12位A/D实现数据采集,三路8位D/A控制梯度磁场. 采用滤波反投影法实现图像重建, 成像功能包括：二维、三维自旋浓度成像;等浓度线2D图像显示;3D立体和断层图像显示等. 对水溶液和固体模型样品进行ESR成像的结果表明：本系统可以开展较大体积生物样品的ESRI研究.     

S波段长脉冲相对论速调管放大器的初步研究

根据脉冲缩短机理分析结果和本工作提出的抑制措施，S波段RKA的高频系统采用了高阶工作模式，输入腔采用5λ／4的工作模式，采用了以3λ／4为工作模式的中间腔，采用了3λ／4为工作模式的输出腔。采用Superfish程序计算了高频系统内部的电磁场分布，并且采用了Mafia程序对三维结构的输入腔和输出腔内部的电磁场分布及多种模式特性进行了分析。实验中，调试出了有载Q值可调的输入腔，频率范围为2．83-2．93GHz、有载Q值范围为25～110；设计加工了频率可调的中间腔；设计、加工和调试了有载Q值为11的输出腔。     

L波段ESR谱仪的临界振荡器的研制

本文用等效电路法导出了裂环谐振腔的谐振频率及Q值近似表达式。利用这种腔体,设计了一种L波段临界振荡器,并用其构成了一台ESR波谱仪。     

超导薄膜表面电阻测量新方法

本文报导一种测量高温超导薄膜微波表面电阻的新方法和测试装置.通过对加载两个不同蓝宝石的同一谐振腔进行测试,可以得到测试样品以外所有其它损耗对应的Q值.根据电磁场分布计算出谐振腔的结构参数G.用网络分析仪测量出谐振腔的无载Q值,便可计算出超导薄膜的微波表面电阻Rs.测量过程中既不会损伤超导薄膜样品,同时可以实现单片超导薄膜表面电阻的绝对测量,不需要校准件,测量简便可靠,精度高.     

L波段ESR谱仪用微波源和腔

叙述了L波段压控振荡源和谐振腔的结构和性能.振荡器的振荡频率可在0.9-1.07GHz范围变更,输出功率大于10mW.附有锯齿波产生器,能在扫频方式工作.样品腔为方柱裂缝腔,插入圆柱形样品时,频率改变较小.腔输入为磁耦合,改变线圈与腔之间的距离可以改变耦合度.     

X波段五腔渡越管振荡器的高频特性研究

 从麦克斯韦方程出发，采用时域有限差分的方法，对X波段五腔渡越管振荡器的谐振腔进行了高频特性研究，给出了该谐振腔中的TM₀₁模的非π模式的本征频率、Q值以及对应的场分布，并用实验冷测法测出了谐振腔的谐振频率与Q值。数值计算与实验结果比较一致，说明了该高频特性研究结果的可靠性。     

一种S波段磁绝缘线振荡器的高频特性研究

 用数值计算的方法计算了S波段磁绝缘线振荡器（S-MILO）的主慢波结构谐振腔的π/4模、π/2模、3π/4模和π模的谐振频率，分别为1.40，2.21，2.46和2.51 GHz；计算出S-MILO封闭腔中的谐振频率依次为1.26，2.04，2.42和2.53 GHz，并计算了本征π模时的Q值。通过监测宽带激励源响应计算出S-MILO开放腔的谐振频率为2.43 GHz。对S-MILO开放腔传输特性研究表明：频率为2.25～3.05 GHz的微波，在第一腔内得到了有效抑制，输出微波的频率范围为2.2～2.5 GHz。通过对其传输特性进行研究，验证了S-MILO的高频电磁结构的合理设计。     

X-波段超导铌腔的研制

本文记述了一个X-波段,TE_011模式超导铌腔的结构、制备工艺、Q值测量方法和测量结果.在只采用了机械加工,化学抛光和电抛光工艺下,获得了在4.2K下4.2×10~7以及在2K下2,0×10~8的有载Q.     

波段三维ESR成像系统的研制（Ⅴ）——灵敏度与分辨率实验及系统总性能指标

实验确定了自行研制的L波段三维电子自旋共振成像（3D-ESRI）系统的检测灵敏度及成像分辨率指标. 用Tempo水溶液模型测量灵敏度结果表明： 样品体积为10 mm, 高30 mm，测量浓度1×10^-4 mol/L水溶液的信噪比为S/N=4∶1；加梯度磁场后，样品浓度需>5×10^-4 mol/L，样品体积为19 mm, 高30 mm时，获得的投影谱的信噪比可满足图像重建的需要. 用DPPH固体样品确定的成像分辨率结果<1 mm. 文中还对ESRI系统的
各项总体性能做了归纳总结.     

单畴钇钡铜氧块材高Q值谐振腔研究

高性能滤波器、低相位噪声振荡器以及加速器研究的需要促进人们对更高Q值微波谐振腔的探索。X波段铜微波谐振腔在室温下的Q值只能约10^4；低温超导铌腔在X波段和4．2K温度时的Q值为106-107，在X波段和1．25K温度时Q值约10^11，用高Q值(10^9)低温超导微波谐振腔在X波段可以实现了10^-17频率稳定度。但由于需要工作在液氦温区而限制了它们的应用：因为液氦非常昂贵，并且液氦的保存系统机构复杂；在1．25K温度下的超流特性和极高的渗透性，对低温腔的真空密封提出了非常严格的要求。     

L波段三维ESR成像系统的研制(Ⅰ)——L波段ESR成像的磁场及三维梯度磁场系统

研究并实现了L波段电子自旋共振三维成像（3D-EPRI）专用的三维梯度磁场系统，主磁场及扫描磁场系统以及相应的驱动控制系统. 梯度场线圈采用在铜板上用电切割方法加工的 平板式线圈，避免了用铜导线绕制线圈体积较大的缺点，从而缩小了主磁场的体积和极间距 . 梯度场强度在三维方向上均达到200 mT/m，驱动电流为20 A. 三维空 间线性度均优于5％；线性区域大于直径42 mm的球形空间. 两磁极间距离为63 mm，可以容纳通常体积的L波段谐振腔. 主磁场和扫描场线圈固定在同一轭铁架上. 它们可分别产生1.6～ 96 mT和0.2～16 mT的线性变化磁场. 5组磁场线圈（包括主磁场， 扫描磁场和三维梯度磁场）分别由5台独立的恒流驱动电源控制驱动. 电源通过数据接口由计算机控制. 初步成像实 验证明本工作所建立的磁场和梯度磁场系统可以用于EPRI实验.     

单畴钇钡铜氧块材高Q值谐振腔研究

 在对高Q值的微波谐振腔的研究中, 尤其是对低温超导谐振腔（超导铌腔）的研究取得了很大的进展，生产加工技术也日趋成熟,而用高温超导材料来制备高Q值的谐振腔还不成熟。从高温超导体的表面电阻，生成方法，物质的微观结构等方面进行分析，实验中，通过一个端面用单畴YBCO块材代替无氧铜，在50K时谐振腔Q值就增加到原来的5倍，在20K时全部用单畴YBCO谐振腔，Q值有望达到铜腔的70倍，谐振腔的性能有明显的提高。     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

L波段三维ESR成像系统的研制(Ⅰ)——L波段ESR成像的磁场及三维梯度磁场系统

研究并实现了L波段电子自旋共振三维成像(3D-EPRI)专用的三维梯度磁场系统, 主磁场及扫描磁场系统以及相应的驱动控制系统. 梯度场线圈采用在铜板上用电切割方法加工的平板式线圈, 避免了用铜导线绕制线圈体积较大的缺点, 从而缩小了主磁场的体积和极间距. 梯度场强度在三维方向上均达到200 mT/m, 驱动电流为20 A. 三维空间线性度均优于5%; 线性区域大于直径42 mm的球形空间. 两磁极间距离为63 mm, 可以容纳通常体积的L波段谐振腔. 主磁场和扫描场线圈固定在同一轭铁架上. 它们可分别产生1.6～96 mT和0.2～16 mT的线性变化磁场. 5组磁场线圈(包括主磁场, 扫描磁场和三维梯度磁场)分别由5台独立的恒流驱动电源控制驱动. 电源通过数据接口由计算机控制. 初步成像实验证明本工作所建立的磁场和梯度磁场系统可以用于EPRI实验.     

用螺旋线谐振腔在压电晶体中激发较低频率的超声波

本文报道了使用螺旋谐振腔技术在压电铌酸锂和石英晶体中直接激发频率低至10MHz的超声波的实验结果.谐振腔壁由一般的黄铜片或印刷电路板制成,腔体呈圆柱状或长方体,其Q值可达500以上.用插入腔体内的单股导线使信号源和谐振腔之间获得较满意的耦合.实验发现,腔体内螺旋线末端若与一块小铜片相联,可提高压电晶体内超声波的激发效率.本文也指出了该技术进一步改进的措施及在材料检测中可能的应用.     

红外波段光子晶体线性折射率传感器设计

基于传输矩阵理论和光学谐振原理,研究了含敏感空气缺陷层的一维光子晶体谐振腔的谐振特性,建立起敏感气体折射率变与红外波段谐振峰波长之间的线性变化关系。设计了基于红外波段光子晶体谐振腔的线性折射率传感器,利用MATLAB软件数值模拟,得到线性传感器的半峰带宽小到3nm左右、Q值可达到1400、敏感度可达1070nm/RIU。在光谱仪的分辨率为0.01nm时,传感器的分辨率可达9.35×10-6 RIU。结果表明,基于光子晶体结构的折射率传感器,具有良好的线性特性、高的灵敏度以及高Q值等特点,可为气体折射率检测提供一定的理论参考。     

一种中红外腔增强甲醛检测系统的研制

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源,以高精度F-P谐振腔作为气体反应池,通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。为了实现甲醛检测,利用Pound-Drever-Hall（PDH）技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。实验发现,谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化,导致系统失去锁定,产生测量误差;为了抑制这一现象,提高系统的准确性和抗干扰性,采用了动态PDH锁定技术,通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制,使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化;通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号,通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。为了验证检测系统的有效性、评估系统的性能,采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、系统标定实验和稳定性实验。实验结果显示,在0～10 mL·L-1范围内,腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系;通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L-1,积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L-1。此外,通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径,进一步降低检测下限。该系统灵敏度高、响应速度快,具有较好的抗干扰性和长期稳定性,在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。     

面向谐振式微光学陀螺应用的球形谐振腔DQ乘积优化

基于谐振式光学陀螺高灵敏度、低成本与微型化的发展需求, 为了实现高灵敏度的谐振式微光机电陀螺, 提出了以集成光学微谐振腔领域里高Q值、大直径谐振腔的制作为目标, 应用方向为谐振式光学陀螺的球形光学微谐振腔核心敏感单元. 在实验中以氢火焰作为热源采用熔融法制备球形光学微谐振腔. 通过调节氢气的流量控制氢火焰热源面积, 制备了不同直径(300-2200 μm)的球形谐振腔, 分析了球形谐振腔Q 值、DQ乘积、陀螺灵敏度与谐振腔直径D的对应关系及其原因, 获得了最优参数的面向谐振式光学陀螺的球形谐振腔敏感单元. D=1260 μm时, 球腔品质因数 Q=7.18×10⁷, 得到的最优陀螺灵敏度约为10°/h, 满足商业级应用的需求, 为芯片级、高精度、低成本的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础.     

体内31P NMR表面线圈探头的研制

报道一种为进行活体小动物核磁共振实验而研制的体内³¹P NMK表面线圈探头.该探头工作频率为161.83MHz,无载Q值为300,可无损伤地研究生命体内各部位的性质.本文给出了用该探头所测得的小鼠体内肝脏、大腿肌肉、大脑以及大脑缺氧状态下³¹P NMR谱图实例.