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.
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).
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