FD-ESR-II型电子顺磁共振仪说明书(080711修订).

仪器使用说明TEACHER'SGUIDEBOOKFD-ESR-II电子顺磁共振仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司ShanghaiFudanTianxinScientific_EducationInstrumentsCo.,Ltd.-1-FD-ESR-II电子顺磁共振仪一、概述电子顺磁共振谱仪（又名电子自旋共振）是电子自旋磁矩在磁场中的运动与外部高频电磁场相互作用下对电磁波共振吸收的原理而设计的。因为电子本身运动受物质微观结构的影响所以电子自旋共振成为观察物质结构及运动状态的一种手段。因为电子顺磁共振具有极高的灵敏度、测量时对样品无破坏作用，所以电子顺磁共振谱仪广泛应用于物理、化学、生物、医学和生命领域。二、基本原理具有未成对电子的物质置于静磁场zB中,由于电子自旋磁矩与外部磁场相互作用导致电子的基态发生塞曼能级分裂:zBBgE（B为波尔磁矩，g为无量纲参数），当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量h等于E时，满足共振条件，此时未成对电子由下能级跃迁至上能级。1．Bloch方程:图1Bloch理论是将电子近似为自转陀螺，原子核的能级跃迁理解为陀螺在外作用力的进动和章动,S磁极xzN旋转轴核yN磁极进动-2-如图1。以下是Bloch方程的推导：原子核具有磁矩Lu(1)称为回旋比是一个参数L表示自旋的角动量原子核在磁场中受到力矩BuM(2)并且产生附加能量BuE(3)根据力学原理MdtLd和Lu得Budtud(4)考虑到驰豫的作用其分量式改为122)()()(TuuBuBdtduTuuBuBdtduTuuBuBdtduzxyyxzyzxxzyxyZzyx(5)其稳态解为：21212222011212122220021)(1)(1)(TTBTBTBTTBTBBTBzzz（6）如图(2)-3-BI图（2）三、工作原理介绍系统的基本构成:如图3由微波传输部件把X波段体效应二极管信号源的微波功率馈给谐振腔内的样品，样品处于恒定磁场中，磁铁由50Hz交流电对磁场提供扫描，当满足共振条件时输出共振信号，信号由示波器直接检测。以下介绍各个微波部件的原理、性能及使用方法。NS直流输出扫描输出样品谐振腔扭波导阻抗调配器环形器隔离器微波源晶体检波器示波器阻抗匹配器图3-4-1．谐振腔：谐振腔由矩形波导组成，A为谐振腔耦合膜片，B为可变短路调节器也为短路膜片。如图（4）图4下面我们讨论，谐振腔的工作原理。I-IT1次反射2次反射3次反射1次反射的透射2次反射的透射3次反射的透射初次发射Ir入射透射图5设A膜片反射系数为T，透射为r，当处于无损状态时：122rT；B反射系数为1，样品及传输的损耗为。输入幅度为I，经过膜片反射后初次反射为-IT，因为反射相位与入射相反，所以为采用负号；经过A膜片透射强度Ir，经过一次反射后达到A膜片这时电磁场为Irkxie2，经A膜片部分反射部分透射，反射为TeIrikx2，透射为kxeIr22同理得出多次反射后反射强度为：nkxkxieTeIr)(22（1）透射为：nkxkxeTeIr)(222（2）AB-5-真实反射等于初反射和多次透射的叠加如图（5）。得：10122222)(nnikxikxikxeTeIreIrIT（3）ikxikxikxkxiikxikxeTeIrITeTeTeIreIrIT22222222211（4）当谐振时：12ikxe得：反射强度为：)1(2TrTIIout（5）因为共振信号表现为的变化，所以我们将（）式对求导得：222222)1(1)1()1()1()(TTITTrTTrIIIouts（6）增益22)1(1TTIK（7）对T求最大值得T（8）增益最大值QK222211)1(1（9）此时反射强度0)1)1((2IIout（10）Q为品质因素（2)1(1Q）。可以得出膜孔最佳耦合时增益最高，反射为0。谐振腔的品质因素决定增益的大小。2．微波源：体效应管变容二极管微波源电源输入端+12V频率调节图6-6-微波源由体效应管、变容二极管、频率调节组成,，微波源供电电压为12V,其发射频率为9.37GHz;3．隔离器：图7具有单向传输功能。1输入，2输出基本无衰减2输入，1输出有极大的衰减4．环形器环形器具有定向传输功能。图81输入，2输出无衰减，3输出衰减30db2输入，3输出无衰减，1输出衰减30db-7-3输入，1输出无衰减，2输出衰减30db5．晶体检波器用于检测微波信号，由前置的三个螺钉调配器、晶体管座和末端的短路活塞三部分组成。其核心部分是跨接于矩形波导宽壁中心线上的点接触微波二极管（也叫晶体管检波器），其管轴沿TE10波的最大电场方向，它将拾取到的微波信号整流（检波）。当微波信号是连续波，整流后的输出为直流。输出信号由与二极管相连的同轴线中心导体引出，接到相应的指示器，如直流电表、示波器。测量时要反复调节波导终端的短路活塞的位置以及输入前端三个螺钉的穿伸度，使检波电流达到最大值，以获得较高的测量灵敏度。其结构如图9调节螺丝Q9输出头检波二极管短路活塞图96．扭波导改变波导中电磁波的偏振方向（对电磁波无衰减）。主要作用是便于机械安装。7．短路活塞图10短路活塞是接在传输系统终端的单臂微波元件，它接在终端对入射微波功率几乎全部反射而不吸收，从而在传输系统中形成纯驻波状态。它是一个可移动金属短路面的矩形波导，也可称可变短路器。其短路面的位置可通过螺旋来调节并可直接读数。100706050403020908001020可变短路活塞-8-8．阻抗调配器阻抗调配器是双轨臂波导元件，调节E面H面的短路活塞可以改变波导元件的参数。它的主要作用是改变微波系统的负载状态，它可以系统调节至匹配状态、容性负载、感性负载等不同状态。在微波顺磁共振中主要作用是观察吸收、色散信号。图11是阻抗调配器外观图。图11四、仪器主机结构：图121.直流输出：此输出端将会输出0－600mA的电流，通过直流调节电位器来改变输出电流的大小2.扫描输出：此输出端将会输出0－1000mA的交流电流，其大小由扫描调节电位器来改变3.扫频开关：用来改变扫描信号的频率4.IN与OUT：此两个接头是一组放大器的输入和输出端，放大倍数为10倍，IN端为放大器的输入端，OUT端为放大器的输出端5.X-out：此输出端为一组正玄波的输出端，X轴幅度为正玄波的幅度调节电位器，X轴相位为正玄波的相位调节电位器FD-TX-ESR-II电子顺磁共振谱仪电源直流调节扫描调节扫频开关X轴幅度X轴相位直流输出+-扫描输出X-out信号inout上海复旦天欣科教仪器有限公司onoff-9-6.仪器后面板上的五芯航空头为微波源的输入端五、顺磁I型操作步骤（一）连线方法：1．通过连接线将主机上的扫描输出端接到磁铁的一端2．将主机上的直流输出端连接在磁铁的另一端3．通过Q9连接线将检波器的输出连到示波器上（二）微波系统的连接：1．将微波源上的连接线连到主机后面板上的5芯插座上2．将微波源与隔离器相接（按箭头方向联接）3．将隔离器的另一端与环型器中的（I）端相连4．将扭波导与环型器中的（II）端相接5．将环型器中的（III）端与检波器相接6．将扭波导的另一端与直波导的一端连接7．将直波导的另一端与短路活塞相接其装配图如下所示：1－微波源2－隔离器3－环型器4－扭波导5－直波导6—样品7—短路活塞8—检波器（三）仪器的操作：1．将DPPH样品插在直波导上的小孔中2．打开电源，将示波器的输入通道打在直流（DC）档上-10-3．调节检波器中的旋钮，使直流（DC）信号输出最大4．调节端路活塞，再使直流（DC）信号输出最小5．将示波器的输入通道打在交流（AC）档上，幅度为5mV档6．这时在示波器就可以观察到共振信号，但此时的信号不一定为最强，可以再小范围的调节短路活塞与检波器，也可以调节样品在磁场中的位置（样品在磁场中心处为最佳状态），使信号达到一个最佳的状态7．信号调出以后，关机，将阻抗匹配器接在环型器中的（II）端与扭波导中间，开机，通过调节阻抗匹配器上的旋钮，就可以观察到吸收或色散波形：上图为色散波形，下图为吸收波形六、FD-TX-PLL锁相放大器1.序言在ESR-I的基础上加锁相放大技术和计算机控制，从而提高信噪比和实验功能。2.工作原理为了提高信噪比我们根据大型电子顺磁共振的工作原理引进锁相放大器。关于顺磁共振的基本原理详见ESR-I电子顺磁共振说明书。以下我们介绍锁相放大器和计算机控制部分的工作原理。基本原理：现在已知输出信号)(BII我们可以按多项式展开!3))((!2))(())(()(300200000BBBIBBBIBBBIBII（2）如果我们在缓慢变化的B0上加上一余弦调制BBBkts0cos()（2）示变为：!3)(cos)(!2)(cos)()cos()()(33022000ktBBIktBBIktBBIBIIsss（3）-11-如图（1）图（1）如果Bs较0小那么可以将高次项忽略不计。)cos()()(00ktBBIBIIs（4）因为噪音存在并且有可能远大于信号)()cos()()(00tNktBBIBIIs（5）N(t)为噪音项根据富里叶变换积分公式)()(cos)cos(badtbtat（6）我们可以将信号通过锁相放大器处理dtkttNktBBIBIs)(cos)]()cos()()([00将以上各式分别积分0)(cos)([0dtktBI0)(cos)(dtbttN-12-)()(cos)cos()(00BIdtbtktBI从而得到微分线形。如图（2）图（2）因为积分时间不可能是无穷大所以噪音不会是0,信号也不会是无穷大。因此可以得出选区足够大的积分时间和足够高的频率即可大幅度提高信噪比。仪器工作原理：仪器工作原理框图如图（3）波形发生器锁相放大器参考信号信号微波系统慢扫描电路计算机磁铁数据调制线圈主机图(3)仪器前面板如图（4）：-13-图4(1)X与Y表头：显示信号的实部输出与虚部输出(2)电源开关：控制仪器的通断(3)输入与手调：用来控制与计算机的连接，当开关在手调上时，输出信号由电流调节电位器来控制，当开关在输入上时，输出信号由计算机来控制(4)采样与自校：用来判断仪器是否能正常工作，当开关在自校上时，仪器内部的A/D信号送给内部的D/A输入端，从计算机上显示的波形为一根45度的直线,当开关在采样上时，计算机就能记录共振信号(5)电流输出：此输出端将会输出0—500mA的直流电流，其大小由电流调节电位器来改变(7)调制输出：将会输出1KHz的正玄波，其幅度由调制幅度电位器来调节，相位的变化由调制相位电位器来调节(8)灵敏度：用来控制信号的输出幅度大小(9)积分时间：用以控制输出信号积分时间的长短，积分时间越长，输出信号的宽度就越宽(10)IN端：此端为信号的输入端(11)X-out端：信号的实部输出（备用），以便其它的测量仪器来观察信号(12)Y-out端：信号的虚部输出（备用），以便其它的测量仪器来观察信号仪器后面板如图（5）：XY手调输入自校采样电源电流调节电流输出+-调制幅度调制相位调制输出灵敏度积分时间INX-outY-out上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-TX-PLL锁相放大器-14-图5(1)PC机连接口：它是将锁相放大器的输出信号送到计算机来显示的接口(2)复位：是仪器内部电路的复位端主机中的波形发生器产生调制信号和参考信号，调制信号的幅度与相位（相对参考信号的相位）由多圈电位器调节，通过Q9接头输出，接波导谐振腔的调