近代物理試驗(yàn)（5）年4月1日電子信息與光學(xué)工程學(xué)院光電子技術(shù)科學(xué)于曉源11106417-2微波電子自旋共振第1頁(yè)試驗(yàn)7-2微波電子自旋共振1.試驗(yàn)基本原理2.試驗(yàn)內(nèi)容3.確定試驗(yàn)方案4.試驗(yàn)預(yù)習(xí)中一些問(wèn)題5.試驗(yàn)預(yù)習(xí)參考文件第2頁(yè)1.試驗(yàn)基本原理（一）電子自旋共振基本概念電子自旋共振也被稱作電子順磁共振（EPR），其工作原理與核磁共振是相同。核磁共振起源于原子核磁矩在外磁場(chǎng)中能級(jí)分裂，電子自旋運(yùn)動(dòng)與軌道運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生磁矩，當(dāng)一個(gè)原子（離子、分子）中全部電子自旋磁矩與軌道磁矩總和不為0時(shí)，這個(gè)原子就帶有順磁性，其不為0磁矩在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生能級(jí)分裂，基于這種能級(jí)分裂我們就觀察到了順磁共振現(xiàn)象。

除惰性氣體原子外，大多數(shù)原子在游離態(tài)時(shí)總磁矩不為0，但它們?cè)谛纬呻x子或分子過(guò)程中都是成對(duì)出現(xiàn)，即自旋磁矩與軌道磁矩總和為0，不能產(chǎn)生順磁共振。不過(guò)以下幾個(gè)物質(zhì)存在未偶電子（順磁性），能夠產(chǎn)生順磁共振：（1）過(guò)渡族元素離子（2）普通金屬中導(dǎo)電電子（3）半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子（4）自由基。上述幾個(gè)情況都是由電子總磁矩組成原子或分子固有磁矩。第3頁(yè)（二）關(guān)于電子自旋共振相關(guān)公式推導(dǎo)

第4頁(yè)（三）電子自旋共振與核磁共振比較電子磁矩比核磁矩大三個(gè)數(shù)量級(jí)，在磁場(chǎng)相同情況下，電子塞曼能級(jí)間距要比核塞曼能級(jí)間距大很多，由玻爾茲曼分布律，其能級(jí)間粒子數(shù)差距也很大，所以電子自旋共振信號(hào)比核磁共振信號(hào)大很多。ESR普通都是在微波頻段，不過(guò)在較弱磁場(chǎng)下，在射頻段也能觀察到電子自旋共振現(xiàn)象。ESR多半用是X波段，少數(shù)用Q波段。因?yàn)殡娮哟啪乇群舜啪卮蠛芏啵噪娮禹槾懦谠プ饔帽群顺谠プ饔脧?qiáng)得多，即ESRT1和T2普通都很短，吸收譜線線寬較寬。為了加大T1、T2，減小線寬，提升分辨本事，我們通常采取降低樣品溫度方法，加大樣品中順磁離子之間距離。第5頁(yè)（四）此次試驗(yàn)裝置介紹信號(hào)源隔離器衰減器波長(zhǎng)計(jì)魔T隔離器檢波器終端匹配諧振腔掃場(chǎng)線圈穩(wěn)恒線圈電磁鐵直流電源掃場(chǎng)電源移相器試驗(yàn)裝置一第6頁(yè)反射式諧振腔品質(zhì)因數(shù)QL

第7頁(yè)微波元器件補(bǔ)充介紹：波導(dǎo)魔T波導(dǎo)魔T是如圖所表示四口網(wǎng)絡(luò)類波導(dǎo)類微波元器件。利用波導(dǎo)魔TS矩陣可知其1號(hào)與4號(hào)端口，2號(hào)與3號(hào)端口是相互隔離，且四個(gè)端口能夠同時(shí)到達(dá)匹配。在1號(hào)端口輸出波為：

其中a2、a3為2號(hào)、3號(hào)端口入射波，即假如信號(hào)從2號(hào),3號(hào)端口同相輸入，則在1號(hào)端口檢波器輸出它們差信號(hào)；假如信號(hào)從2號(hào),3號(hào)端口反相輸入，則檢波器輸出它們和信號(hào)。

第8頁(yè)試驗(yàn)裝置二放大部分A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)PC機(jī)掃描部分及恒流源160Hz振蕩器功率放大電磁鐵穩(wěn)恒磁場(chǎng)小調(diào)場(chǎng)小調(diào)場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)電磁鐵短路活塞Gunn諧振腔波長(zhǎng)表樣品第9頁(yè)2.試驗(yàn)內(nèi)容（一）觀察DPPH順磁共振現(xiàn)象二苯基三硝基苯（DPPH),是一個(gè)含有自由基有機(jī)化合物，經(jīng)過(guò)其結(jié)構(gòu)圖可知，其第二個(gè)N原子上有一個(gè)未偶電子，因?yàn)槲磁純r(jià)電子存在，使自由基和DPPH分子產(chǎn)生順磁性，將其置于外磁場(chǎng)中時(shí)，能夠觀察到順磁共振，在這組試驗(yàn)中，我們就要對(duì)DPPH順磁共振現(xiàn)象進(jìn)行觀察。第10頁(yè)（二）測(cè)量DPPHg因子

第11頁(yè)3.確定試驗(yàn)方案將可變衰減器順時(shí)針旋至最大，開(kāi)啟系統(tǒng)中各儀器電源，預(yù)熱20分鐘。將旋鈕和按鈕作以下設(shè)置：“磁場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低，“掃場(chǎng)”逆時(shí)針調(diào)到最低。按下“檢波”按鈕，“掃場(chǎng)”按鈕彈起，此時(shí)磁共振試驗(yàn)儀處于檢波狀態(tài)（注：切勿同時(shí)按下）。將樣品位置刻度尺置于90mm處，樣品應(yīng)置于磁場(chǎng)正中央。將單螺調(diào)配器探針逆時(shí)針旋至“0”刻度。信號(hào)源工作于等幅工作狀態(tài)，調(diào)整可變衰減器使調(diào)諧電表有指示，然后將“檢波靈敏度”旋鈕指示最大控制磁共振試驗(yàn)儀調(diào)諧指示占滿度2/3左右。用波長(zhǎng)表測(cè)定微波信號(hào)頻率，方法是：旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)表測(cè)微頭，找到電表跌落點(diǎn)，查波長(zhǎng)表—刻度表即可確定振蕩頻率，若振蕩頻率不在9370MHz，應(yīng)調(diào)整信號(hào)源振蕩頻率，使其靠近9370MHz振蕩頻率。測(cè)定完頻率后，需將波長(zhǎng)表刻度旋開(kāi)諧振點(diǎn)。第12頁(yè)為使樣品諧振腔對(duì)微波信號(hào)諧振，調(diào)整樣品諧振腔可調(diào)終端活塞，使調(diào)諧電表指示最小。8.為了提升系統(tǒng)靈敏度，可減小可變衰減器衰減量，使調(diào)諧電表顯示盡可能提升。然后，調(diào)整魔T另一支臂單螺調(diào)配器指針，使調(diào)諧電表指示更小。若磁共振儀電表指示太小，可調(diào)整靈敏度，使指示增大。9.按下“掃場(chǎng)”按鈕。此時(shí)調(diào)諧電表指示為掃場(chǎng)電流相對(duì)指示，調(diào)整“掃場(chǎng)”旋鈕可改變掃場(chǎng)電流。10.順時(shí)針調(diào)整恒磁場(chǎng)電流，當(dāng)電流到達(dá)1.70-1.90A時(shí)，示波器上即可出現(xiàn)如圖所表示電子共振信號(hào)。第13頁(yè)11.若共振波形峰值較小，或示波器圖形顯示欠佳，可采取四種方式調(diào)整：（1）將可變衰減器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，減小衰減量，增大微波功率。（2）順時(shí)針調(diào)整“掃場(chǎng)”旋鈕，加大掃場(chǎng)電流。（3）提升示波器靈敏度。（4）調(diào)整微波信號(hào)源振蕩腔法蘭上調(diào)整釘，可加大微波輻射功率。12.若共振波形左右不對(duì)稱，調(diào)整單螺釘調(diào)制器深度及位置，或改變樣品在磁場(chǎng)中位置，經(jīng)過(guò)微調(diào)樣品諧振腔使共振波形成。13.調(diào)整“調(diào)相”旋鈕，即可使雙共振峰處于適當(dāng)位置。14.用高斯計(jì)測(cè)得外磁場(chǎng)B0，計(jì)算g因子。15.為了得到腔體波導(dǎo)波長(zhǎng)λg，可移動(dòng)樣品位置，兩信號(hào)間距離即為波導(dǎo)波長(zhǎng)λg二分之一。第14頁(yè)4.試驗(yàn)預(yù)習(xí)中問(wèn)題（1）在第二套試驗(yàn)裝置中，我們用小調(diào)場(chǎng)來(lái)代替了第一套試驗(yàn)裝置中掃場(chǎng)，那么小調(diào)場(chǎng)與掃場(chǎng)作用是否一致，原理上有什么不一樣？（2）在第一套試驗(yàn)裝置中，我們使用了波導(dǎo)魔T這個(gè)新微波元器件進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中曾有提到，可用環(huán)形器來(lái)代替魔T搭建系統(tǒng)。魔T原理已經(jīng)介紹過(guò)了，其兩部分相互隔離，但能同時(shí)匹配，而環(huán)形器為單向?qū)▊鬟f，二者原理上是有區(qū)分，哪么怎樣實(shí)當(dāng)代替，物理思想是什么？第15頁(yè)5.試驗(yàn)預(yù)習(xí)參考文件[1]高立模等.《近代物理試驗(yàn)》.南開(kāi)大學(xué)出版社，.[2]亨斯珀格.《集成光學(xué)理論與技術(shù)》.第六版，電子工業(yè)出版社，.[3]王合英;孫文博;