微波电子顺磁共振

66微波电子顺磁共振电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。实验目的1．研究微波波段电子顺磁共振现象。2．测量DPPH中的g因子。3．了解、掌握微波仪器和器件的应用。4．进一步理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，确定波导波长。实验原理本实验有关物理理论方面的原理请参考有关“电子自旋（顺磁）共振”实验“微波参数测量”实验等有关章节。在外磁场B0中，电子自旋磁矩与B0相互作用，产生能级分裂，其能量差为0BgEB（1）其中g为自由电子的朗德因子，g=2.0023。在与B0垂直的平面内加一频率为f的微波磁场B1，当满足hBghEfB0（2）时，处于低能级的电子就要吸收微波磁场的能量，在相邻能级间发生共振跃迁，即顺磁共振。在热平衡时，上下能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布KTEeNN12（3）由于磁能级间距很小，KTE，上式可以写成KTENN112（4）由于0KTE，因此N2N1，即上能级上的粒子数应稍低于下能级的粒子数。由此可知，外磁场越强，射频或微波场频率f越高，温度越低，则粒子差数越大。因为微波波段的频率比射频波波段高得多，所以微波顺磁共振的信号强度比较高。此外，微波谐振腔具有较高的Q值，因此微波顺磁共振有较高的分辨率。67微波顺磁共振有通过法和反射法。反射法是利用样品所在谐振腔对于入射波的反射状况随着共振的发生而变化，因此，观察反射波的强度变化就可以得到共振信号。反射法利用微波器件魔T来平衡微波源的噪声，所以有较高的灵敏度。与核磁共振等实验类似，为了观察共振信号，通常采用调场法，既在直流磁场BD上迭加一个交变调场BAcosωt，这样样品上的外磁场为B=BD+BAcosωt。当磁场扫过共振点，满足BgfhB（5）时，发生共振，改变谐振腔的输出功率或反射状况，通过示波器显示共振信号。实验装置由电磁铁系统，微波系统和电子检测系统等组成。1．电磁铁系统由电磁铁，励磁电源和调场电源组成，用于产生外磁场B=BD+BAcosωt。励磁电源接到电磁铁直流绕组，产生BD通过调整励磁电流改变BD。调场电源接到电磁铁交流绕组，产生BAcosωt，并经过相移电路接到示波器X轴输入端。2．微波系统（1）三厘米固态信号源：产生微波信号。（2）隔离器：只允许微波从输入端进，从输出端出。起隔离微波源与负载的作用。（3）可变衰减器：用于调整输入功率。（4）波长计：用来测量微波波长，使用时调整螺旋测微计，在示波器上会出现吸收峰，或微安表指示大幅度下降，根据螺旋测微计的读数查表，即可得到吸收峰处的微波频率。（5）调配器：使两种不同阻抗的微波器件达到匹配的可调器件，匹配就是将输入的波完全吸收，没有反射。（6）检波器：用来测量微波在测点的强度。（7）谐振腔：本实验使用TE型谐振腔，腔内形成驻波，将样品置于驻波磁场最强的地方，才能出现磁共振。微波从腔的一端进入，另一端是一个活塞，用来调节腔长，以产生驻波，腔内装有样品，样品位置可沿腔长方向调整。（8）DPPH样品：密封在细尼龙管中，置于谐振腔内。（9）魔T：它有4个臂，相对臂之间是互相隔离的。当4个臂都匹配时，微波从任一臂（如臂4）进入，则等分进入相邻两臂（2、3），而不进入相对的臂（1）。但当相邻两臂（2、3）若有反射则能进入相对臂。这样将臂3接图（1）魔T示意图68谐振腔，臂2接匹配器，臂1接检波器，当样品产生磁共振吸收微波能量改变魔T匹配状态时，就有微波从谐振腔反射回来进入检波器。zH微波腔长标尺样品活塞样品位置标尺微波磁场线电场线3．电子仪器（1）微安表：测量检波电流。（2）示波器（3）特斯拉计：测量静磁场强度。实验内容和步骤1．微波波长和谐振腔的调整（1）将可变衰减器调到100。打开三厘米固态波信号源的电源，“工作状态”置“连续”档。预热20分钟。（2）将谐振腔活塞调到140mm，即腔长调到140mm；样品位置调到70mm。（3）根据谐振腔长度应为ng21，即半波导波长的整数倍，n取6，由式（7）计算出所需的入射波波长λ和相应的谐振频率。此时谐振腔内为TE106波。（4）调整可变衰减器，使检波电流为70微安。调整微波频率，方法如下：参考“频率图（2）谐振腔示意图69—测微器刻度对照表”上的数值，仔细调整频率测微器（垂直方向的测微器），并用波长计测量微波频率，直到出现谐振频率。测量后将波长计调到远离谐振频率的位置。（5）微调谐振腔活塞和样品位置，使检波电流最小。此时样品位于谐振腔中微波磁场最强位置。2．ESR信号的观测（1）将励磁电源电压调到0，打开励磁电源，打开扫场电源。调整示波器为XY工作方式，两通道都置“AC”档，X灵敏度置10mV/DIV，Y灵敏度置1V/DIV，开示波器。（2）断开微安表，可变衰减器下调，将在1.5—2.1A范围内在仔细调整励磁电流，使示波器显示共振峰，调整调配器，使共振峰如图（4）所示。在此过程中，需要调整示波器和可变衰减器，使示波器能够清晰显示共振峰。可变衰减器不要调的过小，一般不低于30，以保护检波器。（3）调整扫场电源的相位，使两共振峰重合。调整励磁电流使共振峰居中。记录励磁电流值。用特斯拉计测量磁场。（4）移动样品位置，测出各共振信号出现的位置z1,z2,z3…。改变谐振腔腔长，重复以上步骤，得到另外几组组数据。3．数据处理（1）计算g因子。（2）求波导波长λg)(21nngzz（6）与由波长表测量λ所得到的2)2(1ag（7）相比较,其中波导宽度a=22.8mm。注意事项1．磁极间隙的大小由教师调整，学生不要调整，以免损坏样品腔。2．样品位置和腔长调整不要用力过大、过猛，防止损坏。3．保护特斯拉计的探头防止挤压磕碰，用后不要拔下探头。4．励磁电流要缓慢调整，同时仔细注意波形变化，才能辨认出共振吸收峰。图（4）共振吸收峰70回答问题1．本实验中谐振腔的作用是什么？腔长和微波频率的关系是什么？2．样品应位于什么位置？为什么？3．扫场电压的作用是什么？隔离器衰减器波长表微波信号源魔T1423隔离器调配器负载样品谐腔振电磁铁励磁电源扫场电源检波器示波器CH2CH1信号源电源微安表由于使用新设备本实验，本实验讲义做了较大修改，如有不妥之处，请各位老师和同批评指正。另外，仪器尚在完善中，实际情况和实装置图及实验步骤可会有些出入，望在实验中稍加注意。图（3）实验装置图