微波电子顺磁共振

微波电子顺磁共振电子顺磁共振又称电子自旋共振。因为这种共振跃迁只能产生在原子的固有磁矩不为零的顺磁资估中，是以被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主假如自旋磁矩的供献因此又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。因为电子的磁矩比核磁矩大年夜得多，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。在微波和射频范畴内都能不雅察到电子顺磁现象，本实验应用微波进行电子顺磁共振实验。实验目标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．明白得、操纵微波仪器和器件的应用。4．进一步明白得谐振腔中TE10波形成驻波的情形，确信波导波长。实验道理本实验有关物理理论方面的道理请参考有关“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互相感化，产生能级决裂，其能量差为（1）个中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，当知足（2）时，处于低能级的电子就要接收微波磁场的能量，在相邻能级间产生共振跃迁，即顺磁共振。在热均衡时，高低能级的粒子数服从玻尔兹曼分布（3）因为磁能级间距专门小，，上式能够写成（4）因为，是以N2<N1，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，则粒子差数越大年夜。因为微波波段的频率比射频波波段高得多，因此微波顺磁共振的旌旗灯号强度比较高。此外，微波谐振腔具有较高的Q值，是以微波顺磁共振有较高的辨论率。微波顺磁共振有经由过程法和反射法。反射法是应用样品地点谐振腔关于入射波的反射状况跟着共振的产生而变更，是以，不雅察反射波的强度变更就能够获得共振旌旗灯号。反射法应用微波器件魔T来均衡微波源的噪声，因此有较高的灵敏度。与核磁共振等实验类似，为了不雅察共振旌旗灯号，平日采取调场法，既在直流磁场BD上迭加一个交变调场BAcosωt，如许样品上的外磁场为B=BD+BAcosωt。当磁场扫过共振点，知足（5）时，产生共振，改变谐振腔的输出功率或反射状况，经由过程示波器显示共振旌旗灯号。实验装配由电磁铁体系，微波体系和电子检测体系等构成。1．电磁铁体系由电磁铁，励磁电源和调场电源构成，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经由过程调剂励磁电流改变BD。调场电源接到电磁铁交换绕组，产生BAcosωt，并经由相移电路接到示波器X轴输入端。2．微波体系三厘米固态旌旗灯号源：产生微波旌旗灯号。隔离器：只许可微波从输入端进，从输出端出。起隔离微波源与负载的感化。可变衰减器：用于调剂输入功率。波长计：用来测量微波波长，应用时调剂螺旋测微计，在示波器上会显现接收峰，或微安表指导大年夜幅度降低，依照螺旋测微计的读数查表，即可获得接收峰处的微波频率。调配器：使两种不合阻抗的微波器件达到匹配的可调器件，匹配确实是将输入的波完全接收，没有反射。检波器：用来测量微波在测点的强度。谐振腔：本实验应用TE型谐振腔，腔内形成驻波，将样品置于驻波磁场最强的处所，才能显现磁共振。微波从腔的一端进入，另一端是一个活塞，用来调剂腔长，以产生驻波，腔内装有样品，样品地位可沿腔长偏向调剂。DPPH样品：密封在细尼龙管中，置于谐振腔内。图（1）魔T示意图魔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）如有反射则能进入相对臂。如许将臂3接谐振腔，臂2接匹配器，臂1图（1）魔T示意图图（2）谐振腔图（2）谐振腔示意图3．电子仪器微安表：测量检波电流。示波器特斯拉计：测量静磁场强度。实验内容和步调1．微波波长调和振腔的调剂将可变衰减器调到100。打开三厘米固态波旌旗灯号源的电源，“工作状况”置“连续”档。预热20分钟。将谐振腔活塞调到140mm，即腔长调到140mm；样品地位调到70mm。依照谐振腔长度应为，即半波导波长的整数倍，n取6，由式（7）运算出所需的入射波波长λ和响应的谐振频率。现在谐振腔内为TE106波。调剂可变衰减器，使检波电流为70微安。调剂微波频率，方法如下：参考“频率—测微器刻度对比表”上的数值，细心调剂频率测微器（垂直偏向的测微器），并用波长计测量微波频率，直到显现谐振频率。测量后将波长计调到远离谐振频率的地位。微调谐振腔活塞和样品地位，使检波电流最小。现在样品位于谐振腔中微波磁场最强地位。2．ESR旌旗灯号的不雅测将励磁电源电压调到0，打开励磁电源，打开扫场电源。调剂示波器为XY工作方法，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。断开微安表，可变衰减器下调，将在1.5—2.1A范畴内涵细心调剂励磁电流，使示波器显示共振峰，调剂调配器，使共振峰如图（4）所示。在此过程中，须要调剂示波器和可变衰减器，使示波器能够或许清晰显示共振峰。可变衰减器不要调的过小，一样不低于30，以爱护检波器。调剂扫场电源的相位，使两共振峰重合。调剂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。移动样品地位，测出各共振旌旗灯号显现的地位z1,z2,z3…。图（4）共振接收峰改变谐振腔腔长，反复以上步调，获得别的几组组数据。图（4）共振接收峰3．数据处理（1）运算g因子。（2）求波导波长λg（6）与由波长表测量λ所获得的（7）比拟较,个中波导宽度a=22.8mm。留意事项磁极间隙的大年夜小由教师调剂，学生不要调剂，以免破坏样品腔。样品地位和腔长调剂不要用力过大年夜、过猛，防止破坏。爱护特斯拉计的探头防止挤压磕碰，用后不要拔下探头。励磁电流要迟缓调剂，同时细心留意波形变更，才能辨认出共振接收峰。答复问题本实验中谐振腔的感化是什