实验十八铁磁共振讲义.doc

实验十八 铁磁共振(FMR)在现代，铁磁共振也和顺磁共振、核磁共振等一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。铁磁共振在磁学乃至固体物理学中都占有重要地位，它是微波铁氧体物理学的基础。而微波铁氧体在雷达技术和微波通讯方面都已获得重要应用。 早在1935年著名苏联物理学家兰道（aHay）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。十几年后超高频技术发展起来，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，这是因为多晶样品的共振吸收线较宽，又非洛仑兹分布，也不对称；并在许多样品中出现细结构。单晶样品的共振数据易于分析，不仅普遍被用来测量因子、共振线宽及弛豫时间，而且还可以测量磁晶各向异性参量。【实验目的】1.熟悉微波信号源的组成和使用方法，学习微波装置调整技术。2.了解铁磁共振的基本原理，学习用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件。3.测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；测量微波铁氧体的因子。【实验仪器】DH800A型微波铁磁共振实验系统和示波器等。【实验原理】1.铁磁共振 铁磁物质的磁性来源于原子磁矩，一般原子磁矩主要由未满壳层电子轨道磁矩和电子自旋磁矩决定。在铁磁性物质中，电子轨道磁矩受晶场作用，其方向不停地在变化，不能产生联合磁矩，对外不表现磁性，故其原子磁矩来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩。但是，铁磁性物质中电子自旋由于交换作用形成磁有序，任何一块铁磁体内部都形成许多磁矩取向一致的微小自发磁化区(约个原子)称为“磁畴”，平时“磁畴”的排列方向是混乱的，所以在未磁化前对外不显磁性，在足够强的外磁场作用下，即可达到饱和磁化，引用磁化强度矢量，它表征铁磁物质中全体电子自旋磁矩的集体行为，简称为系统磁矩。处于稳恒磁场和微波磁场中的铁磁物质，它的微波磁感应强度可表示为 (1)称为张量磁导率，为真空中的磁导率。 （2）、称为张量磁导率的元素。 (3)、的实部和虚部随的变化曲线如图1(a、b)图1 a 实部变化曲线 b 虚部变化曲线、在处的数值和符号都剧烈变化称为色散。、在处达到极大值称为共振吸收，此现象即为铁磁共振。这里为微波磁场的旋转频率，为铁磁物质的旋磁比。 （4） 上式中：，称为玻尔磁子，是普朗克常数。定义为铁磁物质能的损耗，微波铁磁材料在频率为的微波磁场中，当改变铁磁材料样品上的稳恒磁场时，在满足时，此时磁损耗最大，常用共振吸收线宽来描术铁磁物质的磁损耗大小。定义如图2，它是处对应的磁场间隔（2-1），即半高度宽度，它是磁性材料性能的一个重要参数。研究，对于研究铁磁共振的机理和磁性材料的性能有重要意义。图2 共振吸收线宽定义图与经典理论的结果一致。铁磁共振在原理上与核磁共振、顺磁共振相似。铁磁共振由宏观唯象理论的解释：铁磁性物质总磁矩在稳恒磁场作用下，绕作进动，进动角频率为，由于内部存在阻尼作用，进动角会逐渐减小，逐渐趋于平衡方向，即的方向而被磁化。当进动频率等于外加微波磁场的角频率时，吸收微波磁场能量，用以克服阻尼并维持进动，此时即发生铁磁共振。多晶体样品发生铁磁共振时，共振磁场与微波角频率满足下列关系（适用于无限大介质或球型样品）： （5）从量子力学观点看来，当电磁场的量子刚好等于系统的两个相邻塞曼能级间的能量差时，就会发生共振现象，选择定则为的能级跃迁。这个条件是，与经典理论的结果一致。铁磁物质在处呈现共振吸收，只适合于球状样品和磁晶各向异性较小的样品。对于非球状样品，由于铁磁物质在稳恒磁场和微波磁场作用下而磁化，相应的会在内部产生所谓退磁场，而使共振点发生位移，只有球状样品，退磁场对共振点没有影响。另外，铁磁物质在磁场中被磁化的难易程度随方向而异，这种现象称为磁晶各向异性，它等效于一个内部磁场，也会使共振点发生位移，对于单晶样品，实验时，要先作晶轴定向，使易磁化方向转向稳恒磁场方向。对于多晶样品，由于磁晶各向异性比较小，对共振点影响很小。2.用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽在稳恒磁场中，磁性材料的磁导率只是一个实数，而在交变磁场（如微波场）中，由于阻尼作用，材料的磁感应强度与磁场强度之间出现位相差，的变化滞后于。因此，材料的磁导率为复数：。其中实部分量相当于稳恒磁磁场时的磁导率，它表示材料贮存的磁能；虚部分量代表交变磁场时材料的磁能损耗。测量铁氧体的微波性质，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和品质因数的变化。 （6） （7）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（）不变和微扰条件下，输出功率（）与成正比。要测量铁磁共振线宽B就要测量。由式（7）可知，测量即是测量腔的值的变化。而值的变化又可以通过腔的输出功率（）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与恒定磁场的关系曲线。如图3所示。 图3输出功率与恒定磁场的关系曲线对于传输式谐振腔，在谐振腔始终调谐时，当输入功率（）不变的情况下，有 （8）即（）。式中、为腔外品质因数。因此可通过测量的变化来测量，而的变化可以通过腔的输出功率（）的变化来测量，这就是测量的基本思想。实际测量时要满足以下条件：（1）样品小球放到腔内微波磁场最大处。（2）小球要足够小，即把小球看成一个微扰。（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 由零开始逐渐增大，对应每一个 测出一个。就能得到图3所示的输出功率与恒定磁场的关系曲线。在图3中， 为远离共振区时的谐振腔输出功率， 共振区时的输出功率， 半共振点的输出功率。必须注意是，当改变时，磁导率的变化会引起谐振腔谐振频率的变化（频散效应），故实验时，每改变一次都要调节谐振腔（或微波发生器频率）使它与输入微波磁场频率调谐，以满足式（8）关系，这种测量称逐点调谐，可以获得真实的共振吸收曲线如，此时，对应于1、2的输出功率为， （9）式中、和分别是远离共振点、共振点和共振幅度一半处对应的输出功率。因此根据测得曲线，计算出，即能确定出。为了简化测量过程，往往采用非逐点调谐，即在远离共振区时，先调节谐振腔使与入射微波磁场频率调谐，测量过程中同不再调谐，则计算的关系式为 （10）此式是考虑了频散影响修正后计算的公式。实验时，直接测量的不是功率，而是检波电流I，因此，必须控制 输入功率的大小，使在测量范围内，微波检波二极管遵从平方律关系，则I与入射到检波器的微波功率（即）成正比，则 （11）因此，只要测出曲线，即算得和。另外，由铁磁共振条件和，根据外加磁场和微波频率，可求得因子。【实验装置】本实验是采用扫场法（或称“调场法”）进行实验。即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定关系时，可发生射频磁场能量被吸收的铁磁共振现象。图4为微波铁磁共振实验系统工作时的照片。图4为微波铁磁共振实验系统工作时的照片本实验采用DH800A型微波铁磁共振实验系统，其系统的工作框图如图5所示。该实验系统是在三厘米微波频段做铁磁共振实验。信号源输出的微波信号经隔离器衰减器波长表等元件进入谐振腔。谐振腔由两端带耦合片的一段矩形直波导构成。当被测铁氧体样品放入谐振腔内微波磁场最大处时，将会引起谐振腔的谐振频率和品质因数变化。当改变外磁场进入铁磁共振区域时，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低，从而可测出谐振腔输出功率与外加恒磁场的关系曲线。图5 铁磁共振系统工作框图【实验内容及实验步骤】1.调整系统到谐振状态并测量谐振频率在调整系统之前请仔细阅读DH800A型微波铁磁共振实验系统说明书。首先在谐振腔内不放置样品时进行调整。（1）按图5连接测试系统，将可变衰减器的衰减量置到最大，磁共振实验仪的磁场调节钮反时针旋到底（即不加磁场电流）。（2）三厘米固态信号源“电表显示”置“电压”，“工作状态”置“等幅”，打开微波信号源及磁共振实验仪的电源，预热20分钟。（3）调节微波系统处于谐振状态：根据谐振腔上标明的频率和“频率测微器刻度对照表”上的数值，仔细调整频率测微器（垂直方向的测微器），当微安表指示电流（检波电流）出现一个极大值时，则微波频率达到谐振腔的谐振频率。再仔细调整检波器活塞使检波电流最大。如检波电流过低或超出量程，调节衰减器使检波电流最大值在量程的2/3左右。此时系统处于谐振状态。（4）调节微波频率：将检波器输出接到微安表。将磁共振实验仪按键开关按在的“检波”位置，调节可变衰减器的衰减量，使电表有适当的指示，用波长表测试此时的微波信号频率。（方法是：旋转波长表的测微头，找到电表跌落点，读出测微头读数，查波长表频率刻度表即可确定振荡频率），当信号频率与样品谐振腔上所标谐振频率不一致时，则应调节微波信号源的信号振荡频率。使之与样品谐振腔上所标谐振频率相同。测定完频率后，须将波长表刻度旋开谐振点，避免波长表的吸收对实验造成干扰。（5）仔细调整波长表测微器，找到检波电流的极小点，读出测微器的值，查“3cm空腔波长频率对照表”，得到微波频率，此频率应与样品谐振腔上标明的频率非常接近。如这两个频率相差较大，要重复步骤（3），调整频率测微器寻找其它谐振点，再测量谐振频率。2. 示波器直接用观察铁磁共振现象测量g和 （1）将白色外壳的单晶样品装到谐振腔内，将扫场接线与电磁铁扫场接线柱相连，将“扫场”选钮旋到正时针最大。（2）将磁共振实验仪的X轴与Y轴输出接到示波器的X、Y轴上，磁共振实验仪按键按在“扫场”位置，示波器选到XY工作方式。（3）调节示波器X轴输入灵敏度，使荧光屏的X轴的扫描有适当显示，Y轴输入放置适当位置。（4）调节磁场电流在1.7A左右时，在示波器上即可观察到铁磁共振信号，如图6。若波形幅度太大，可改变Y轴输入的灵敏度。（5）如两个共振信号幅度相差较大，可移动样品谐振腔在磁场中的位置，同时观察磁共振谐振信号的变化，使之满意为止。（6）如两个共振信号出现图6图形，应微调微波信号源的频率，使谐振图形的上翘部分下压，调节“相位”旋钮，可使两个共振信号移动到合适的位置，使之满意为止。图6 示波器直接用观察铁磁共振现象3. 测量铁磁共振线宽、g和采用逐点测量法，绘制出铁磁共振曲线，即可求出共振磁场和共振线宽。（1）去掉扫场接线（或将扫场调至为零）。磁共振实验仪的按键按到“检波”位置，缓缓顺时针转动磁共振实验仪的磁场调节钮，加大磁场电流，当电表指示最小的时，即铁磁共振吸收点。（2）传输式谐振腔的输出功率可以用晶体检波器作相对指示，这是因为本系统微波信号源功率较小，晶体检波器的检波律符合平方律，即检波电流与输入功率成正比，故检波指示可作为铁磁共振曲线的纵坐标。 （3）磁共振实验仪的磁场旋钮是调节外加磁场大小的，它通过改变磁场线圈中的电流来达到这个要求。而这个电流的大小与磁场成正比，所以，铁磁共振曲线的横坐标可以用磁共振实验仪的电流指示来代表磁场的大小。 （4）从电流1.2A 起，逐点记录磁共振实验仪的磁场电流表读数与检波指示的对应关系，在坐标纸上描绘出连续的曲线，即可得到铁磁共振曲线。按图3所示的样子，从求得数据所画的曲线上找出共振磁场和线宽，并计算出和。4. 测量多晶样品的共振线宽、和将样品换成多晶样品（半透明外壳），测量上述各项参数共振线宽、和。将测量结果与单晶样品的相比较。注意多晶样品的共振吸收峰很宽。5. 有载品质因数的测量（选作）系统调到谐振状态后，才可以测量有载品质因数。先测量单晶样品（白色外壳），将单晶样品安装到样品谐振腔内。（1）将检波器输出接到100A电流表。调整调节衰减器使检波电流为80A（可在6090A之间任选），此值为谐振时的检波电流。（2）仔细调节波长表，找到检波电流大幅度下降点，记录波长表读数，用“3cm空腔频率刻度对照表”读取对应的微波频率值。测量后将波长表调到远离谐振点的位置。（3）仔细调整微波频率分别找出两个半功率点和。注意，微波功率P与检波电流的关系：，K为一个常数。（4）由式可计算有载品质因数。【注意事项】1 检波器输出两线不得短路，否则将损坏检波晶体。要调整摔减器使微波功率摔减接近0时再到接微安表或检波输入。2 衰减器尽量调到衰减较大的位置，输出功率够用即可。3 磁场和扫场不要长时间使用较大电流。测量后磁场要调到0.8A以下，扫场调到零。调整磁场和扫场应缓慢转动选钮。4 更换样品要小心，防止样品损坏、丢失。【思考题】1讨论样品可放到谐振腔的哪些位置？2计算本实验所用的矩形谐振腔的长度。a=22.86mm，b=10.16mm，振荡模式：TE108，f 0采用实测值。【参考文献】电流I与磁场B的关系表I(A)B(mT)I(A)B(mT)I(A)B(mT)1.2002071.6602852.1203601.2202101.6802892.1403621.2402131.7002922.1603661.2602161.7202962.1803701.2802191.7403002.2003741.3002221.7603042.2203781.3202251.7803082.2403811.3402281.8003102.2603841.3602321.8203132.2803871.3802351.8403172.3003901.4002391.8603202.3201.4202421.8803232.3401.4402451.9003262.3601.4602491.9203292.3801.4802521.9403322.4001.5002551.9603362.4201.5202581.9803402.4401.5402612.0003432.4601.5602652.0203462.4801.5802702.0403462.5001.6002752.0603522.5201.6202792.0803541.6402822.100358 微波谐振腔的基本知识：1.微波谐振腔在微波技术中谐振腔是一个非常重要的部分。所谓微波谐振腔就是一个封闭的金属导体空腔，一般为矩形或圆柱形。腔壁反射电磁波辐射，使电磁波局限在空腔内部。谐振腔的入射端开一小孔，使电磁波进入谐振腔。电磁波在腔内连续反射。若波形和频率与谐振腔匹配，可形成驻波，也即发生谐振现象。如谐振腔无损耗，则腔内振荡便可持续下去。（1）矩形波导管矩形截面的空心导体管构成矩形波导，它是传播微波最常用的传输线。矩形谐振腔实际上是一段封闭的矩形波导，即在波导入射端和出射端加装了反射电磁波的金属片。理论分析表明：在波导管中不存在电场纵向分量和磁场纵向分量同时为零的电磁波。在波导管中传播的电磁波可以分为两大类：（1）横电波又称为磁波。简写为TE波或H波；磁场可以有纵向和横向分量，但电场只有横向分量。矩形波导管传播的基本波形是TE10波。（2）横磁波又称为电波，简写为TM波或E波；电场可以有纵向和横向分量，但磁场只有横向分量。至于电场和磁场的纵向分量都不为零的电磁波，则可以看成横电波和横磁波迭加而成。在实际应用中，总是把波导管设计成只能传播单一波形。我们使用的矩形波导管只能传播TE10波。（2）TE10波在波导管截面为ab (ab)的矩形波导管的一端输入角频率为的电磁波，使它沿着z轴传播。忽略传输中的损耗，由麦克斯维方程组和边界条件，可以得到矩形波导管中TE10波的电磁场分量。TE10波有以下特点：（a）电力线：只有并行于b面（窄边）的电力线Ey存在。（b）磁力线：环绕电力线，始终与a面平行，无y分量。（c）电场在y方向均匀分布，沿y方向无变化。（d）在z方向（传播方向），任意给定时刻场呈现周期性变化。图（1）矩形波导和TE10波的电磁场分布（3）矩形谐振腔如果波导终端负载始终是匹配的，所有的能量全部被吸收，这时波导中呈现的是行波。如果波导终端是短路的，波导发生完全反射。入射波和反射波迭加形成驻波。这时波的能量不能传播。在一般情况下，波将发生部分反射，形成混合波。谐振腔中驻波的成分远大于行波。实验用的样品应装在谐振腔磁场分量最大的位置。截面为ab (ab)，长为l的一段波导管，两端用金属片封闭，为了微波的进入和少量泄露（以便检测），这两片金属片或其中的一片开有小孔（偶合孔）。改变腔长或调节微波的频率，腔内会发生谐振，形成驻波。传输式谐振腔两端都有偶合孔，一端进入电磁波，另一端泄露少量电磁波，以便检测。矩形谐振腔发生谐振产生驻波的条件为： （1-1）其中l是谐振腔的长度。 g是波导波长： （1-2）是微波在自由空间的波长。式（1）说明，