铁磁共振

铁磁共振南京理工大学物理实验中心一、背景介绍二、实验目的三、实验原理四、实验仪器五、实验内容与步骤六、注意事项七、思考题八、实验数据表格提纲一、背景介绍铁磁共振是于20世纪40年代发展起来的一种研究物质宏观性能和微观结构的重要实验手段。它利用磁性物质从微波磁场中强烈吸收能量的现象，与核磁共振、顺磁共振一样在磁学和固体物理学研究中占有重要地位。它能测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、饱和磁化强度、居里点等重要参数。该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面有着重要的应用价值。二、实验目的了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象；测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；测量微波铁氧体的g因数注:铁磁共振研究铁原子中电子的磁共振现象三、实验原理——概念介绍1.磁共振：具有磁矩的物质，在恒定磁场作用下对电磁辐射能的共振吸收现象。磁共振吸收谱在射频和微波波段范围内，是物质的整个电磁波谱中的长波区域。2.铁磁共振：铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频率的微波磁场中当满足共振条件时产生强烈吸收共振的现象。3.铁氧体：铁、其他金属物质等元素与氧的化合物——原理概述铁磁物质总磁矩在稳恒磁场作用下,绕作进动,角频率为,由于内部存在阻尼作用,进动角逐渐减小,当进动角频率等于外加微波磁场角频率时,吸收其能量用以维持进动,此时即发生铁磁共振。MBMBMM0MBMBMM0——量子解释自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂（塞曼分裂），分裂后两能级间的能量差为(1)其中：为旋磁比，为约化普朗可常数，为稳恒外磁场。EBB——经典解释续如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为(2)其中：为交变电磁场的频率。当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：（3）(4)低能级上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。BhB2h共振吸收信号共振吸收信号为了满足共振条件，通常以两种方式实现：固定v改变B，这种方法称为扫场法；固定B改变v，这种方法称为扫频法。Bv002/B00/2BttB(t)B(t)=B0v(t)v(t)=v0扫场法扫频法磁共振的实现方法——各物理量关系旋磁比、玻尔磁子、光谱分裂因子之间有如下的关系：(5)而玻尔磁子为(6)铁磁共振实际上是铁原子中电子的自旋顺磁共振，因此需用微波（约9GHZ）来提供电子跃迁所需要的能量。（本实验中我们固定微波频率，通过改变外加恒定磁场的磁感应强度来改变电子能级间距，观察示波器信号变化来判断共振点处的磁感应强度）gBmeB2——共振线宽概念磁性物体的磁化率定义为磁化强度矢量于其内部磁场强度矢量之比。当磁性体受到恒磁场与微波磁场共同作用时，微波磁化率为一张量。对于椭球形样品，且恒磁场沿椭球体主轴方向时，张量磁化率的表达式为：（7）与都为复数。其中（8）00000XiXiXXaaaX'iXXXX——共振线宽概念续BX与恒磁场间有如下图所示的关系：XBOmX21mXrB2/1B2/1BBFig.1共振线宽用表示B——共振线宽测量利用传输式谐振腔输出功率随恒定磁场的变化关系来确定。如采用非逐点协调，利用右图并根据而检波电流与成正比关系，所以用代替即可。rrPPPPP002/12检I出P检I出PrB2/1B2/1BP2/1PrPBBFig.2B与P的关系曲线rrPPPPP002/12检I出P检I出P四、实验仪器Fig.3微波铁磁共振实验原理系统图五、实验内容和步骤-11.测微波频率：调节固体微波信号源的频率，使其与谐振腔共振。调节衰减器，使微安表有50μA的指示。旋转波长表的螺旋测微器，微安表电流指示逐渐减小，当电流达最小值时，读取螺旋测微器刻度值，对照刻度值与频率的关系对照表，得微波频率值。旋转波长表的螺旋测微器，使微安表回到约50μA的指示。-22.测I—B曲线：旋开谐振腔上的样品盒旋钮，小心放入样品。将波导有样品的部分放入永磁铁的中心部分。逐渐加大励磁电流，记取励磁电流值，同时读微安表的读数，根据转换表将励磁电流值转换为磁感应强度值，作曲线。据曲线求半高宽，谐振点磁感应强度(对应最小值)，和因子。rBB)(AI励)(AI检B-检IBg励I)(AI检gBrBB)(AI励)(AI检B-检IBg励I)(AI检B21.注意测量微波频率后，应将波长表的螺旋测微器旋过一定大小使微安表回到初始大小；2.测量曲线时，应注意在达到最小时周围应多记录几个数据点。IB检I检六、实验注意事项本实验是怎样测量磁损耗的？如何精确消除频散效应？实验中是如何处理频散效应的？七、思考题八、实验数据表格1.测微波频率刻度平均值：2.962mm对应频率：ν=9006MHz测量次数1234刻度值（mm）2.9622.9632.9612.962——2求共振线宽和g因子I(A)I(μA)B(mT)I(A)I(μA)B(mT)I(A)I(μA)B(mT)053.53.11.4249.9243.91.8157.2322.40.0553.211.81.4549.4251.01.8259.0324.80.1053.420.21.4849.2257.01.8360.2327.20.1553.929.01.5049.0261.01.8461.0329.60.2054.037.51.5348.1269.41.8562.0332.00.2554.146.01.5547.2275.01.8662.8335.40.3054.155.51.5746.6277.41.8763.0334.80.3554.264.01.5845.8278.61.8863.8336.20.4054.372.81.5945.2279.81.8964.0337.60.4554.581.91.6044.8281.01.9064.2339.00.5054.690.91.6144.0283.01.9164.9339.40.5554.798.81.6243.2285.01.9265.0339.80.6054.7106.01.6342.8287.01.9565.0341.00.6554.7115.01.6442.0289.01.9764.9345.00.7054.4125.01.6541.2291.02.0064.8351.00.7554.5135.01.6640.5292.82.0564.1360.00.8054.2145.01.6740.0294.62.1063.9370.00.8554.1150.01.6839.5296.42.1563.5379.00.9054.0159.01.6939.4298.22.2063.2381.00.9554.0175.01.7039.3300.02.2563.0391.01.0053.8175.21.7139.5302.02.3062.8400.01.0553.5184.01.7240.0304.02.3562.7409.01.1053.2194.01.7341.0306.02.4062.7419.01.1552.8201.01.7442.2308.02.4562.8421.01.2052.3210.01.7544.1310.02.5062.6431.01.2552.0217.51.7645.9312.02.5562.5440.01.3051.4226.01.7749.2314.02.6062.3449.01.3550.8235.01.7851.5316.02.6562.2458.01.3850.4239.51.7953.0318.02.7062.2460.01.4050.1242.51.8055.0320.02.7562.1468.0mTB34278312mTBr300346246.626109006102.150.39.27410rBhgB通过右图的表格作图可以得出共振线宽，g因子：