物理实验报告-铁磁共振

摘要本实验观察了速调管的振荡模式，谐振腔的谐振曲线，单晶样品的共振曲线，用逐点法测量了多晶样品的共振曲线.实验测得谐振腔的有效品质因数为861.24,测得单晶样品共振线宽△"=224.5A/m，旋磁比=2.18x10iiHz・m/A，朗德因子g=2.4,弛豫时间.=2.14x10—7s.测得多晶样品△"=31847.5A/m，-=2.36x10uHz・m/A，g=2.6，.=2.1x10—10s.关键词铁磁共振，共振曲线，谐振曲线，品质因数，微波一、 引言共振是自然界中普遍存在的一种客观现象.共振技术被广泛应用于机械、化学、力学、电磁学、光学、原子与分子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域.磁共振是发生在既有角动量又有磁矩的系统在磁场作用下形成的塞曼能级间的共振感应跃迁，它不但具有共振的共性，还有其自身的特点.在目前可得到的磁感应强度的条件下，磁共振所涉及的共振频率通常处于射频和微波频段.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，是指铁磁体材料在受到相互垂直的稳恒磁场和交变磁场的共同作用时发生的共振现象.利用铁磁共振现象可以测量体磁体材料的g因子、共振线宽、弛豫时间等性质.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.通过本实验，熟悉微波传输中常用的元件及其作用，掌握传输式谐振腔的工作特性，了解谐振腔观察铁磁共振的基本原理和实验条件.二、 实验原理1、铁磁共振TOC\o"1-5"\h\z当铁磁体材料同时受到两个相互垂直的磁场，即恒定磁场H和微波交变磁场h，在H的0 0作用下，铁磁体的磁化强度将围绕H进动，进动频率为：03=邛H (1)0 0

其中••为铁磁体材料的旋磁比，即:ae7=g牡 （2）2m其中g为朗德因子，九为真空磁导率，e、m为电子电量和电子质量.由于阻尼作用，磁化强度将趋向于H，但是如果当微波频率s=s时，进动的磁矩从0 0微波场中吸收的能量刚好抵消阻尼所损耗的能量，则进动会稳定地进行，发生共振吸收现象，即铁磁共振现象・固定微波的频率①°，改变稳恒磁场，当H=H,发生共振时，磁导率张量对角元四的虚部以"为最大值七，所对应的磁场七为共振磁场；〃=仁/2所对应的磁场间隔△H=l气―H21称为铁磁共振线宽，标志着磁损耗的大小.铁磁共振曲线如图一所示.共振线宽与弛豫时间•之间存在关系：(3)2

7AH(3)图一铁磁共振曲线图一铁磁共振曲线2、传输式谐振腔2、传输式谐振腔本次实验中使用的传输式谐振腔是路金属片・（1）谐振腔的谐振条件段矩形波金属波导管，并在两端加上带耦合孔的短AIAI=p-2 (P—1,2,3...)(4)其中/是谐振腔的长度，Ag是波导波长:入= ，入=§ (5)& \：1-入2a2 /其中，人f为谐振腔的谐振波长和谐振频率，a为谐振腔宽边长度.品质因数谐振时忌的储能谐振腔的固有品质因数Q0定义为：Q0=七 损耗功零如果与外电路相耦合，称为有载品质因数Ql，定义为：q}=j+Q1,Qe为谐振腔的L0e外观品质因数.谐振曲线谐振腔的传输系数与频率的关系曲线称为谐振曲线，如图二所示.传输系数T(f)定义如下：T(f)=史P.由图，有载品质因数可表示为：P入(f)(6)其中：f0为腔的谐振频率，匕和f2为半功率点所对应的频率.3、用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽的原理谐振腔的微扰公式当样品很小时，如果满足下面两个条件，则可以看成是微扰：放入样品后所引起的谐振频率相对变化很小；放入样品后只有样品所在的地方电磁场发生变化，其他地方变化忽略不计.此时，当样品处于腔内微波磁场最大，微波电场最小处时，微扰计算结果如下：TOC\o"1-5"\h\z^14=-A^-1) △(才)=2A/ (7)f0 Ql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\o"CurrentDocument"工… … ,、， ……、一，…A,1、 工部和虚部，A为与腔的振荡模式和体积及样品的体积有关的常数，△(^-)为放进样品前后L谐振腔的有载品质因数倒数的变化.用传输式谐振腔测量铁磁共振谐振腔放在均匀的外磁场中，外磁场与微波场垂直.样品体积很小，放在腔内磁场最大

处，谐振腔始终保持谐振，微波输入功率保持恒定，经计算有:P（f）=*《）Q2 （8）出0 Qe1Qe2L如果我们测出P的变化则可以知道Q,的变化，由（7）则可以知道,，〃的变化，由图一出 L就可以知道FI.P1/2通过测量谐振时输出功率P与恒定磁场H的关系曲线，如图三所示，如果P0、p表示远离铁磁共振和共振时的输出功率，Pi/2为半共振点的输出功率（相当于壮〃M/2P1/2(9)可以算出Pi/2，在曲线上测量出All，但用（9）时一定要逐点注意调谐，即每加入一个共振磁场，都要稍微改变微波的频率使之调谐，测出的FI才正确.如果不逐点调谐，则需要对公式（9）进行修正，结果如下：(10)P=(10)1/2p+p三、实验内容实验装置本次实验使用的仪器主要有微波实验中的各种仪器，另外还有共振仪，电磁铁，单晶和多晶样品，谐振腔（p=8）.其中电磁铁用来产生恒定磁场或产生扫场磁场，共振仪为电磁铁提供电流并为示波器提供输入信号.实验装置如图四所示.图三输出功率P与磁场强度图三输出功率P与磁场强度图四铁磁共振仪器装置图与H的关系曲线实验过程（1） 观察谐振腔的谐振性质：由（4）、（5）估算谐振频率，用示波器观察速调管的振荡模式，频率处于谐振腔固有频率附近；观察谐振腔的谐振曲线，测量有效品质因数.（2） 观察铁磁共振：用示波器和扫场法观察单晶样品的共振曲线，测量.\11；用逐点法测多晶样品的共振曲线和.\lI,用高斯计测量电磁铁电流与磁场强度的关系.（3） 按顺序关机.四、实验数据处理与分析1、估算谐振腔的谐振频率a=2.295cm,p=8,l=19.30cm，由（4）、（5）可得f=9.021X109Hz=9021MHz.2、 粗调频率检波按钮按下，用波长计测得频率为9021MHz，这时速调管电压为-142.4V.3、 观察谐振腔谐振曲线谐振腔加上金属耦合片，示波器CH1接阳极-反射极，CH2接晶体检波器，加锯齿波，测得谐振曲线如图五所示.图五谐振腔谐振曲线用波长计测吸收峰频率，测得：fo=9043MHz，f1=9039MHz,f2=9049.5MHz.由（6）得有效品质因数Q,=9043/10.5.5=861.24.L4、观察铁磁共振用高斯计电磁铁电流与磁感应强度的关系：测得数据见附件，作出图线如图七所示.

图六电磁铁B—I图六电磁铁B—I关系图由图六得：B=0.16*l+0.005 (11)(1)单晶样品示波器CH1接共振仪X,CH2接共振仪Y,检波器2接共振仪检波输入，按下扫场按钮，调节参数，观察到的共振曲线如图八所示.此时电磁铁电流为 1.592A，由(11)得B0=0.25972T,则H0=B0/M0=206126.98A/m.1.651.6-3-2-10123x(a.u.)1.551.651.6-3-2-10123x(a.u.)1.55图七示波器定标拟合曲线对示波器屏幕定标得y=0.014143x+1.6047，由示波器测得与上1I对应的△/为0.02格，则AlI=0.014143/V/诉=224.5A/m.0

2tvu由（1）可得7= =2.18x10iiH0由（2）可得g=2^=2.4由（3）2

可得丁=-:—= =2.14x10-7s由（3）7AH 4.125x104x224.5（2）多晶样品图八多晶样品P-H图八多晶样品P-H图由实验记录和（11）得输出功率P与磁场电流I以及磁场强度H的关系如表格一所示.输出功率P与磁场强度H的关系图如图八所示.表格一多晶样品输出功率P随磁场强度B变化关系H/T164825.4173333.3186920.6194539.7202412.7209396.8I/A1.2981.3651.4721.5321.5941.649P/^A909085807876H/T217015.9220190.5224254232507.9245587.3I/A1.7091.7341.7661.8311.934P/^A8082859090由图八九可知5=90川人P=76〃A,由于实验中采用非逐点调谐法，所以由（10）可得P=24*=82.41".由图九可知：H=209396.8A/m,H=221090.5Am,1/2p+p r 1H2=189243A/m，则/^H=H-H2=31847.5A/m.,一，- 2tvu由（1）可得¥= =2.36x10】】H0由（2）可得g=次=2.6由（3）可得丁=——=2.1x10-1S.7AH通过对比可知多晶和单晶的共振线宽△"有较大差别，单晶曲线变化非常迅速，而多晶变化相对于单晶来说比较缓慢，多晶和单晶的弛豫时间也相差较大，旋磁比相差不多。误差分析：（1）由于示波器上的精度问题以及定标等问题所以示波器上面的读数时造成误差的主要来源。（2） 共振曲线调节的不是特别好，有点不对称所以对测量H也造成加大误差。（3） 特斯拉计的读数也有一定误差。（4） 因为很多数据是实验后处理，有的数据在实验时测得有点不合理，所以误差较大。五、结论通过本实验，观察了速调管的振荡模式，谐振腔的谐振曲线，单晶样品的共振曲线，用逐点法测量了多晶样品的共振曲线，熟悉了微波传输中常用的元件及其作用，掌握了传输式谐振腔的工作特性.实验测得谐振腔的有效品质因数为861