近代物理实验-微波电子自旋共振(7-2)市公开课一等奖省赛课获奖

近代物理试验（5）年4月1日电子信息与光学工程学院光电子技术科学于晓源11106417-2微波电子自旋共振第1页试验7-2微波电子自旋共振1.试验基本原理2.试验内容3.确定试验方案4.试验预习中一些问题5.试验预习参考文件第2页1.试验基本原理（一）电子自旋共振基本概念电子自旋共振也被称作电子顺磁共振（EPR），其工作原理与核磁共振是相同。核磁共振起源于原子核磁矩在外磁场中能级分裂，电子自旋运动与轨道运动也产生磁矩，当一个原子（离子、分子）中全部电子自旋磁矩与轨道磁矩总和不为0时，这个原子就带有顺磁性，其不为0磁矩在外磁场中产生能级分裂，基于这种能级分裂我们就观察到了顺磁共振现象。

除惰性气体原子外，大多数原子在游离态时总磁矩不为0，但它们在形成离子或分子过程中都是成对出现，即自旋磁矩与轨道磁矩总和为0，不能产生顺磁共振。不过以下几个物质存在未偶电子（顺磁性），能够产生顺磁共振：（1）过渡族元素离子（2）普通金属中导电电子（3）半导体中杂质原子（4）自由基。上述几个情况都是由电子总磁矩组成原子或分子固有磁矩。第3页（二）关于电子自旋共振相关公式推导

第4页（三）电子自旋共振与核磁共振比较电子磁矩比核磁矩大三个数量级，在磁场相同情况下，电子塞曼能级间距要比核塞曼能级间距大很多，由玻尔兹曼分布律，其能级间粒子数差距也很大，所以电子自旋共振信号比核磁共振信号大很多。ESR普通都是在微波频段，不过在较弱磁场下，在射频段也能观察到电子自旋共振现象。ESR多半用是X波段，少数用Q波段。因为电子磁矩比核磁矩大很多，所以电子顺磁弛豫作用比核弛豫作用强得多，即ESRT1和T2普通都很短，吸收谱线线宽较宽。为了加大T1、T2，减小线宽，提升分辨本事，我们通常采取降低样品温度方法，加大样品中顺磁离子之间距离。第5页（四）此次试验装置介绍信号源隔离器衰减器波长计魔T隔离器检波器终端匹配谐振腔扫场线圈稳恒线圈电磁铁直流电源扫场电源移相器试验装置一第6页反射式谐振腔品质因数QL

第7页微波元器件补充介绍：波导魔T波导魔T是如图所表示四口网络类波导类微波元器件。利用波导魔TS矩阵可知其1号与4号端口，2号与3号端口是相互隔离，且四个端口能够同时到达匹配。在1号端口输出波为：

其中a2、a3为2号、3号端口入射波，即假如信号从2号,3号端口同相输入，则在1号端口检波器输出它们差信号；假如信号从2号,3号端口反相输入，则检波器输出它们和信号。

第8页试验装置二放大部分A/D转换单片机PC机扫描部分及恒流源160Hz振荡器功率放大电磁铁稳恒磁场小调场小调场稳恒磁场电磁铁短路活塞Gunn谐振腔波长表样品第9页2.试验内容（一）观察DPPH顺磁共振现象二苯基三硝基苯（DPPH),是一个含有自由基有机化合物，经过其结构图可知，其第二个N原子上有一个未偶电子，因为未偶价电子存在，使自由基和DPPH分子产生顺磁性，将其置于外磁场中时，能够观察到顺磁共振，在这组试验中，我们就要对DPPH顺磁共振现象进行观察。第10页（二）测量DPPHg因子

第11页3.确定试验方案将可变衰减器顺时针旋至最大，开启系统中各仪器电源，预热20分钟。将旋钮和按钮作以下设置：“磁场”逆时针调到最低，“扫场”逆时针调到最低。按下“检波”按钮，“扫场”按钮弹起，此时磁共振试验仪处于检波状态（注：切勿同时按下）。将样品位置刻度尺置于90mm处，样品应置于磁场正中央。将单螺调配器探针逆时针旋至“0”刻度。信号源工作于等幅工作状态，调整可变衰减器使调谐电表有指示，然后将“检波灵敏度”旋钮指示最大控制磁共振试验仪调谐指示占满度2/3左右。用波长表测定微波信号频率，方法是：旋转波长表测微头，找到电表跌落点，查波长表—刻度表即可确定振荡频率，若振荡频率不在9370MHz，应调整信号源振荡频率，使其靠近9370MHz振荡频率。测定完频率后，需将波长表刻度旋开谐振点。第12页为使样品谐振腔对微波信号谐振，调整样品谐振腔可调终端活塞，使调谐电表指示最小。8.为了提升系统灵敏度，可减小可变衰减器衰减量，使调谐电表显示尽可能提升。然后，调整魔T另一支臂单螺调配器指针，使调谐电表指示更小。若磁共振仪电表指示太小，可调整灵敏度，使指示增大。9.按下“扫场”按钮。此时调谐电表指示为扫场电流相对指示，调整“扫场”旋钮可改变扫场电流。10.顺时针调整恒磁场电流，当电流到达1.70-1.90A时，示波器上即可出现如图所表示电子共振信号。第13页11.若共振波形峰值较小，或示波器图形显示欠佳，可采取四种方式调整：（1）将可变衰减器逆时针旋转，减小衰减量，增大微波功率。（2）顺时针调整“扫场”旋钮，加大扫场电流。（3）提升示波器灵敏度。（4）调整微波信号源振荡腔法兰上调整钉，可加大微波辐射功率。12.若共振波形左右不对称，调整单螺钉调制器深度及位置，或改变样品在磁场中位置，经过微调样品谐振腔使共振波形成。13.调整“调相”旋钮，即可使双共振峰处于适当位置。14.用高斯计测得外磁场B0，计算g因子。15.为了得到腔体波导波长λg，可移动样品位置，两信号间距离即为波导波长λg二分之一。第14页4.试验预习中问题（1）在第二套试验装置中，我们用小调场来代替了第一套试验装置中扫场，那么小调场与扫场作用是否一致，原理上有什么不一样？（2）在第一套试验装置中，我们使用了波导魔T这个新微波元器件进行试验，在试验指导书中曾有提到，可用环形器来代替魔T搭建系统。魔T原理已经介绍过了，其两部分相互隔离，但能同时匹配，而环形器为单向导通传递，二者原理上是有区分，哪么怎样实当代替，物理思想是什么？第15页5.试验预习参考文件[1]高立模等.《近代物理试验》.南开大学出版社，.[2]亨斯珀格.《集成光学理论与技术》.第六版，电子工业出版社，.[3]王合英;孙文博;