L波段三维ESR成像系统的研制（Ⅲ）——L波段谐振腔的研制

描述了一个用于生物样品L波段ESR成像用的谐振腔,讨论了在制作、设计过程中几个值得注意的问题，该腔为3-环2-裂缝再进入式谐振腔，可检测直径为20 mm长30 mm的H₂O样品. 空腔的共振频率为1.05 GHz. 腔的Q值是样品中水含量的函数，无载Q大于1 000. 用插入侧臂的耦合环得到谐振腔与微波桥之间的匹配，确定了耦合环直径的最佳值，对无载腔其值约为腔臂直径的1/3，而对有载腔其值约等于腔臂的直径. 用该腔检测了样品中TEMPO氮氧自由基的空间分布.     

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.     

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.     

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.     

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.     

谱-空间2D ESR成像

在Bruker ER 200D ESR 谱仪上安装一套自制的谱-空间2D ESR成像系统,这套系统由一对梯度场线圈、电源、微机及图像重建程序组成. 用滤波反投影图像重建方法,实现了两种自由基样品的谱-空间2D ESR成像,由2D 图像得到样品中自由基的自旋密度空间分布及相应的波谱参数. 讨论了成像参数与图像精度的关系.     

L波段三维ESR成像系统的研制(Ⅵ)--三维ESR成像系统软件

在L波段三维ESR成像系统的研制中,以Matlab 为平台,建立了包括谱数据自动化处理、ESR空间（1D、2D、3D）成像和ESR谱-空间成像为一体的系统应用软件,可方便清晰地显示谱和物体自旋密度分布的各种图像,为深入研究顺磁性物种自旋密度分布的特征及其化学反应过程中氧的扩散过程,提供了很好的可视化信息. 实验表明,该系统软件具有广泛的应用前景.     

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.     

L—频段ESR成像系统中的图像重建

本文介绍了L—频段ESR图像重建的原理和数据处理方法。通过概述L—频段ESR成像系统,讨论了扫描场和梯度场在成像中的作用及其和投影数据的关系,给出了整个图像重建数据处理的步骤框图,着重地讨论了卷积差分的原理和方法,并介绍了本系统中所采用的滤波反投影图像重建方法。最后给出了用DPPH和煤作样品所成的像,并对实验结果进行了讨论。     

测试生物样品的ESR成像系统

本文介绍建造一个利用电子自旋共振信息获得生物体断层图像的系统。系统的微波频率安排在L波段,并用单匝平面线圈代替谐振腔,从而有效地减小了微波对生物体的热效应和方便地获得样品的断层信息。系统中用计算机控制磁场扫描,并同步地完成ESR信号的数据采集。通过多次扫描、采集数据、叠加和平均,提高了系统从噪声中检测微弱信号的能力。最后采用卷积滤波反投影重建法获得样品的断层图像,本系统具有价廉和容易构建的特点。     

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。     

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。     

C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系,并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解,得到了色散关系曲线.利用三维PIC粒子模拟,对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究,冷腔研究得到了7π模谐振频率为2.42GHz,与本文理论推导的色散关系有很好的一致性.在热腔情况下,电子能量为437keV,电子束流为12.2kA,外加磁场为0.6T,模拟得到了频率为4.5GHz,平均峰值功率为0.96Gw的C波段的高功率微波输出,分别通过相空间图和不同腔内射频场随时间的变化曲线可以确定器件工作在2π模,效率约为18%,且频谱纯净.当进一步对参数进行优化后,在注入的电子能量和电子束流分别为1.05MeV和20.7kA,外加磁场为0.7T时,得到平均功率达到约4.4GW,频率为4.37GHz微波输出,效率约为20%.     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600MW,效率约25%。     

L波段双频磁绝缘线振荡器的实验研究

根据角向分区产生双频率高功率微波（HPM）的设计思路,开展了基于谐振腔深度角向分区模型的L波段双频磁绝缘线振荡器（BFMILO）的实验研究,建立了BFMILO的实验系统和测量系统,热测了BFMILO的辐射方向图,通过辐射场功率密度积分得到了输出微波的功率.在电子束电压约为420kV,管电流约为34kA的条件下,L波段BFMILO输出的微波频率分别为1.26GHz和1.45GHz,对应的微波功率分别为398MW和222MW.并初步得到了谐振腔深度的角向分区比例不同的BFMILO的初步实验结果.实验研究得到了 关键词： 角向分区 磁绝缘线振荡器（MILO） 双频MILO（BFMILO） 高功率微波（HPM）     

L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标,利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况,接着给出了测试系统布局及各参数测试方法,最后给出了实验研究结果:所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行,输出微波模式稳定,无竞争模式出现,中心频率为1.57 GHz。     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

离轴X波段五腔高增益速调管放大器

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45GHz、输出功率300MW、增益50.3dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2GW。     

L波段双频磁绝缘线振荡器的设计与粒子模拟

 提出了利用角向分区来产生双频高功率微波的思想,并根据常规磁绝缘线振荡器的互作用主要在轴向而与角向无关的物理机制,通过在常规磁绝缘线振荡器内设置谐振腔深度的角向分区,建立了L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并利用电磁模拟软件,优化设计了L波段双频磁绝缘线振荡器。粒子模拟的结果为：在电子束电压为530 kV,电流为45.5 kA的条件下,得到了稳定的双频高功率微波输出,其微波频率分别为1.28 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率的频谱幅度相差约0.4 dB。     

X波段2维金属光子晶体的加速结构

 光子晶体加速结构能够有效地阻尼高频率加速管中的尾场,对高能加速器中因尾场引起的束流不稳定性起到抑制作用。探索了X波段2维金属光子晶体微波加速结构的研制方法,用机械加工的方式制作了较高品质因数的2维光子晶体结构谐振腔。理论计算表明,在光子晶体结构谐振腔外围放置吸波材料,可有效地吸收加速结构中的类TM11偶极模等高次模,而对加速主模类TM01模影响较小。设计和制作了工作频率为11.42 GHz,由4个腔构成的X波段2维金属光子晶体行波加速器,实验结果与数值模拟计算值吻合较好。