A High Power, Broadband 395 GHz Gyrotron Amplifier for DNP-NMR and EPR Spectroscopy

用于 DNP-NMR 和 EPR 光谱分析的高功率宽带 395 GHz 回旋放大器

基本信息

  • 批准号:
    10010144
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 36.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-06-10 至 2021-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary / Abstract We propose to develop a novel gyro traveling wave tube amplifier (gyro-TWT) at 395 GHz with an output power of 500 W and an operating bandwidth exceeding 3 GHz and a small signal gain > 45 dB. The amplifier will be used in Dynamic Nuclear Polarization (DNP) enhanced Nuclear Magnetic Resonance (DNP-NMR) experiments and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) experiments. The output power of the proposed amplifier is three orders greater than those available from solid-state sources at similar frequencies and the operating bandwidth combined with the ability to coherently amplify complex input signals for use in DNP-NMR and EPR will enable new generation of pulsed DNP-NMR and EPR experiments that are currently impossible to perform with free running fixed frequency oscillators. This amplifier can upgrade the currently deployed dozens of gyrotron oscillators for use in DNP-NMR and provide researchers with the ability of conducting experiments with a broad range of polarizing agents without the need for a superconducting sweep coils in the NMR magnet. Also, the amplifier will enable researchers to explore the promise of pulsed DNP-NMR experiments. The proposed amplifier can be operated with a peak power 500 W with a duty factor of 10 % or in continuous wave mode with an output power of 50 W. In Phase I, we will design the amplifier system and perform detailed modeling and simulation of its performance using benchmarked state-of-the-art design codes used in microwave tube research. We will present a complete mechanical design of the system and verify the thermal and electrical properties using commercial finite element codes. We will also build and test the cold performance of the most important element of the system, namely, the interaction circuit and demonstrate its suitability for integration with the tube. These tests will be performed on a Vector Network Analyzer to verify the microwave propagation properties of the device. In Phase II, we will fabricate the electron gun, the internal mode converter and other auxiliary components such as microwave windows etc. The entire system will be integrated and tested in our laboratory to demonstrate the proposed output power and bandwidth.
项目摘要/摘要 提出了一种新型的输出频率为395 GHz的陀螺行波管放大器 功率为500瓦,工作带宽超过3 GHz,小信号增益>45分贝。扩音器 将用于动态核极化(DNP)增强核磁共振(DNP-核磁共振) 电子顺磁共振(EPR)实验。建议的输出功率 放大器比类似频率的固态源高出三个数量级,并且 工作带宽与相干放大复杂输入信号的能力相结合,用于DNP-核磁共振 EPR将使新一代脉冲DNP-核磁共振和EPR实验成为可能,而这是目前不可能的 使用自由运行的固定频率振荡器执行。该功放可以升级目前部署的 数十个回旋管振荡器,用于DNP-核磁共振,并为研究人员提供传导能力 在不需要超导扫描线圈的情况下使用广泛的偏振剂进行的实验 核磁共振磁铁。此外,该放大器将使研究人员能够探索脉冲DNP-核磁共振的前景 实验。该放大器的峰值功率为500W,占空比为10%或 连续波模式,输出功率为50W。 在第一阶段,我们将设计放大器系统,并对其进行详细的建模和仿真 使用在微波管研究中使用的基准最先进的设计代码的性能。我们会 给出了系统的完整机械设计并验证了系统的热电性能 商业有限元代码。我们还将构建和测试最重要的冷性能 系统元素,即交互电路,并演示其是否适合与 管子。这些测试将在矢量网络分析仪上执行,以验证微波传播 设备的属性。在第二阶段,我们将制造电子枪、内模转换器等 辅助部件,如微波窗等。整个系统将在我们的 实验室演示建议的输出功率和带宽。

项目成果

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