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铁磁共振实验姓名：付翰林 班级：0701摘要：通过铁磁共振实验测定有关物理量，认识磁共振的一般特性。观测铁磁共振的测量原理和实验方法。据曲线求半高宽H，通过波长表测频率v，观察共振信号关健词：铁磁共振；谐振腔；微波；励磁电流；磁共振现象一、实验背景介绍铁磁共振是于20世纪40年代发展起来的，它和核磁共振、电子自旋共振一样，成为研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。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。早在1935年，著名苏联物理学家兰道（Lev Davydovich Landau 19081968）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。经过若干年在超高频技术发展起来后，才观察到铁磁共振现象。多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于1948年。以后的工作则多采用单晶样品。二、实验目的1了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术。2通过观测铁磁共振，进一步认识磁共振的一般特性和实验方法。3了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象。4测量微波铁氧体的铁磁共振线宽。 三、实验设备a. 样品为铁氧体，提供实验用的铁原子。b. 电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂。c. 微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级。d. 波导，单方向传导微波，使其通过样品。e. 波长表，测量微波的波长。f. 谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品即放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直。g. 固体微波信号源，产生9GHZ左右的微波信号。h. 隔离器，使微波只能单方向传播。i. 衰减器，控制微波能量的大小。j. 输出端，含有微波检波二极管，其输出电流与输入的微波功率成正比。k. 直流磁场电压源，给电磁铁提供励磁电流，改变输出电压的大小即可改变磁场的大小。l. 微安表，指示检波电流的大小。m. 微波电源，为固体微波信号源提供电源。四、实验原理1、磁共振（1）磁共振的基本原理具有磁矩的物质，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。 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，分裂后两能级间的能量差为： 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: 当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即： 则低能极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。 （2）磁共振类型顺磁共振：产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子（离子）磁矩；核磁共振（ NMR ）：磁矩是原子核的自旋磁矩；电子自旋共振（ ESR ）：电子自旋磁矩的能级跃迁产生的磁共振；铁磁共振（ FMR）：磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩。除此之外，还有核电四极共振（ NQR ）、光泵磁共振、亚铁磁共振 、反铁磁共振（ AFMR ） 、回旋共振 （抗磁共振 ）、磁双共振等。2、铁磁共振（FMR）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称为铁磁共振。 铁磁物质总磁矩在稳恒磁场作用下，绕作进动，其进动方程和进动频率可分别为： 式中为旋磁比，由于铁磁性反映了电子自旋磁矩的集体行为，取电子的朗德因子g=2。上述情况未考虑阻尼作用。在外加恒磁场作用下，磁矩M绕H进动不会很久，因为磁介质内部有损耗存在，实际上铁磁物质的自旋磁矩与周围环境之间必定存在着能量的交换，与晶格或邻近的磁矩存在着某种耦合，使磁化强度矢量M的进动受到阻力，绕着外磁场进动的幅角会逐渐减小。则M最终趋近磁场方向，这个过程就是磁化过程，磁性介质所以能被磁化，就说明其内部有损耗，如果要维持其进动，必须另外提供能量。 因此一般来说外加磁场由两部分组成：一是外加恒磁场H，二是交变磁场h（即微波磁场）。 阻尼的大小还意味着进动角度减小的快慢，减小得快，趋于平衡态的时间就短，反之亦然。因此，这种阻尼也可用驰豫时间来表示。的定义是进动振幅减小到原来最大振幅的的时间。磁化强度M进动时所受到的阻尼作用是一个极其复杂的过程，不仅其微观机理还在探讨中，其宏观表达式也并不统一，这里我们采用朗德阻尼力矩的形式： 为静磁化率。所以完整的进动方程为：磁学中通常用磁导率来表示磁性材料被磁化的难易程度。磁导率与磁化率的定义分别为： 在交变磁场下，要用复数表示：其中实部为铁磁介质在恒定磁场中的磁导率，它决定磁性材料中储存的磁能，虚部反映交变磁场能在磁性材料中的损耗。 如果铁磁介质处在直流磁场和交变磁场的共同作用下，该铁磁样品就会出现两个新的特征旋磁性和共振吸收。当改变直流磁场或微波频率时，我们总能发现在某一条件下，铁磁体会出现一个最大的磁损耗，也就是进动的磁矩会对微波能量产生一个强烈的吸收，这时 最大，这就是共振吸收现象。在研究铁磁共振现象时，通常保持微波频率稳定，而改变直流磁场的强度。 实际上铁磁谐振损耗并不用 来说明，而是采用铁磁共振线宽来表示。的定义可根据-H曲线（左图）来说明。在发生共振时有最大值，令处的磁场分别为H1和H2，则=H2H1就是共振吸收线宽。一般，越窄，磁损耗越低。的大小也同样反映磁性材料对电磁波的吸收性能，并在实验中可以直接测定。 3、传输式谐振腔的谐振曲线 传输式谐振腔的传输系数T（f）定义如下： ：输出功率 ：输入功率T（f）的图形如图所示。其中f0为腔的谐振频率，f为微波频率，f1 和f2为半功率点。这就是传输式谐振腔的谐振曲线。 4、用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽 测量铁氧体的微波性质，例如铁磁共振线宽，一般采用谐振腔法。根据谐振腔的微扰理论，假设在腔内放置一个很小的样品，除样品所在地外，整个腔内的电磁场分布保持不变。即把样品看成一个微扰。把样品放到腔内微波磁场最大处，将会引起谐振腔的谐振频率f0和品质因数QL的变化。 其中f0、f分别为无样品和有样品时腔的谐振频率。、为磁导率张量对角元的实部和虚部。A为与腔的振荡模式和体积及样品的体积有关的常数。 可以证明，在保证谐振腔输入功率Pin（f0）不变和微扰条件下，输出功率Pout（f0）与QL2成正比。要测量铁磁共振线宽H就要测量 。由上式可知，测量即是测量腔的QL值的变化。而QL值的变化又可以通过腔的输出功率Pout（f0）的变化来测量。因此，现在测量铁磁共振曲线就是测量输出功率P与恒定磁场H的关系曲线。如图所示。 实际测量时要满足以下条件：（1）样品放到腔内微波磁场最大处。（2）样品要足够小，即把样品看成一个微扰。（3）谐振腔始终保持在谐振状态。（4）微波输入功率保持恒定。 在这样的条件下，把磁场H由零开始逐渐增大，对应每一个H测出一个P。就能得到上所示的PH关系曲线。在图中，P0为远离共振区时的谐振腔输出功率，Pr共振区时的输出功率，P1/2半共振点的输出功率。在共振区域由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低。半共振点的输出功率P1/2（相当于= r/2点），可由P0和P r按下式计算： 五、实验步骤与方法1用波长表测微波频率。a 打开三厘米固态信号发生器电源预热半小时。b 将微波谐振腔的信号输出端接入微安表。c 调节波导上的衰减器，使微安表有一定的读数（一般50A）。d 调节波长表使微安表读数达最小值，读取波长表的刻度值，由刻度值和频率对照表求得微波频率。e 波长表调离谐振点，使微安表读数回到原来近似值。通过波长表测频率v检流电流max检流电流min波长表读数频率80439.038mm9010MHz70289.031mm9010MHz2观察铁磁共振信号。f 将微波谐振腔的信号输出端接入磁共振实验仪的“检波输入”端。g 将线圈的“扫场”接线端接入试验仪的“扫场”端。h 按下实验仪的“扫描/检波”按钮。i 按下示波器的“X-Y” 按钮。j 调节磁场电流达共振点（极小值）处，观察示波器的波形。3绘制铁磁共振曲线，并根据曲线求出共振线宽。k 将谐振腔有样品的部分放入磁场中心位置。l 将线圈的“磁场”接线端接入磁共振实验仪的“磁场”端。m 调节磁共振实验仪“磁场”旋钮改变励磁电流的大小（0最大,约2.5A），每改变一次，记下一组励磁电流（A）和波导输出电流（A）的值，测一条曲线。查表将励磁电流值（A）转换为对应的磁感应强度B（mT）。（中间点可用插值法估算）。测量过程中不要改变衰减量和波长表。n 反过来调节励磁电流由高到低（最大0），测出另一条曲线。 o 在同一坐标纸上画出两条I(A)-B(mT)曲线，由两条曲线分别求B及g因子。最后求出B及g因子平均值。（,=g/）,查教材后物理学常量表 。求共振线宽检场电流ImaxIminI中间值Hmax(mT)Hmin(mT)差值(mT)902539307.1312.44.7802032308.1313.24.9852235306.3312.36903449315.7323.07.3803145316.5322.66.12 测出I检及I磁求出曲线（1）实验数据：N检波电流（uA）磁场电流(A)N检波电流（uA）磁场电流(A)N检波电流（uA）磁场电流(A)190.0 0.069 11089.0 1.462 21565.0 1.724 290.0 0.129 11588.5 1.529 22070.0 1.726 390.0 0.189 12088.0 1.569 22575.0 1.728 2090.0 0.249 12587.1 1.609 23080.0 1.730 2590.0 0.309 13085.0 1.649 23585.0 1.734 3090.0 0.369 13580.0 1.671 24088.2 1.741 3590.0 0.429 14075.0 1.678 24588.7 1.781 4090.0 0.489 14570.0 1.683 25089.2 1.821 4590.0 0.549 15065.0 1.686 25589.7 1.861 5090.0 0.609 15560.0 1.688 26090.0 1.901 5590.0 0.669 16055.0 1.690 26590.0 1.941 6090.0 0.729 16550.0 1.692 27090.0 1.981 6590.0 0.789 17045.0 1.694 27590.0 2.021 7090.0 0.849 17540.0 1.697 28090.0 2.061 7590.0 0.909 18035.8 1.702 28590.0 2.101 8090.0 0.969 18535.8 1.707 29090.0 2.141 8590.0 1.029 19040.0 1.712 29590.0 2.181 9090.0 1.089 19545.0 1.717 30090.0 2.221 9590.0 1.149 20050.0 1.719 30590.0 2.261 10090.0 1.200 20555.0 1.721 31090.0 2.301 21060.0 1.723 31590.0 2.341 （2）数据图表：七实验总结：通过本实验学习了铁磁共振的基本原理并掌握了有关谐振腔的工作特性并采用扫场法通过其测量铁磁共振线宽，由于实验系统本身的样品u会使谐振腔的谐振频率发生偏