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:
    10442892
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 151.98万
  • 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 2023-07-31
  • 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 我们建议在395 GHz处开发一种新型的陀螺仪波动管放大器(Gyro-TWT) 功率为500 W,操作带宽超过3 GHz,较小的信号增益> 45 dB。放大器 将用于动态核极化(DNP)增强的核磁共振(DNP-NMR) 实验和电子顺磁共振(EPR)实验。提议的输出功率 放大器比以相似频率的固态来源可用的订单大三个订单, 操作带宽结合了连贯放大复杂输入信号以用于DNP-NMR的能力 EPR将使新一代的脉冲DNP-NMR和EPR实验目前不可能 使用免费运行的固定频率振荡器执行。此放大器可以升级当前部署 数十个用于DNP-NMR的旋转振荡器,并为研究人员提供了进行进行的能力 具有广泛偏振剂的实验,而无需在该方面进行超导扫盘线圈 NMR磁铁。此外,放大器将使研究人员能够探索脉冲DNP-NMR的承诺 实验。拟议的放大器可以用500 W的峰值功率进行操作,其占空比为10%或在 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模拟 使用微波管研究中使用的基准的最新设计代码进行性能。我们将 呈现系统的完整机械设计,并使用 商业有限元代码。我们还将建立和测试最重要的最重要的表现 系统的元素,即交互作用电路,并证明其与集成的适用性 管子。这些测试将在矢量网络分析仪上进行,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,内部模式转换器和其他 辅助组件,例如微波窗口等。整个系统将在我们的 实验室证明提出的输出功率和带宽。

项目成果

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