近代物理实验微波电子自旋共振7-2.ppt

近代物理实验（5） 2014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 1110641 7-2 微波电子自旋共振 实验7-2 微波电子自旋共振 1.实验基本原理 2.实验内容 3.拟定的实验方案 4.实验预习中的一些问题 5.实验预习参考文献 1.实验基本原理 （一）电子自旋共振的基本概念 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的。核磁共振来源于原子核磁矩在外磁场中的能级分裂，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）中所有电子的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的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。 除惰性气体的原子外，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的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。但是下列的几种物质存在未偶电子（顺磁性），可以产生顺磁共振：（1）过渡族元素离子 （2）一般金属中的导电电子 （3）半导体中的杂质原子 （4）自由基。上述几种情况都是由电子的总磁矩构成原子或分子的固有磁矩。 （二）关于电子自旋共振的相关公式的推导 （三）电子自旋共振与核磁共振的比较 电子磁矩比核磁矩大三个数量级，在磁场相同的情况下，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，其能级间的粒子数差距也很大，所以电子自旋共振的信号比核磁共振的信号大很多。 ESR一般都是在微波频段，但是在较弱的磁场下，在射频段也能观察到电子自旋共振现象。ESR多半用的是X波段，少数用Q波段。 由于电子磁矩比核磁矩大很多，所以电子的顺磁弛豫作用比核弛豫作用强得多，即ESR的T1和T2一般都很短，吸收谱线的线宽较宽。为了加大T1、T2，减小线宽，提高分辨本领，我们通常采用降低样品温度的方法，加大样品中顺磁离子之间的距离。 （四）本次实验装置的介绍 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 实验装置一 反射式谐振腔的品质因数QL 微波元器件补充介绍：波导魔T 波导魔T是如图所示的四口网络类波导类微波元器件。利用波导魔T的S矩阵可知其1号与4 号端口，2号与3号端口是相互隔离的，且四个端口可以同时达到匹配。在1号端口的输出波为： 其中a2、a3为2号、 3号端口的入射波，即如果信号从2号, 3号端口同相输入，则在1号端口的检波器输出它们的差信号；如果信号从2号, 3号端口反相输入，则检波器输出它们的和信号。 实验装置二 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 2.实验内容 （一）观察DPPH的顺磁共振现象 二苯基三硝基苯（DPPH),是一种含有自由基的有机化合物，通过其结构图可知，其第二个N原子上有一个未偶电子，由于未偶价电子的存在，使自由基和DPPH分子产生顺磁性，将其置于外磁场中时，可以观察到顺磁共振，在这组实验中，我们就要对DPPH的顺磁共振现象进行观察。 （二）测量DPPH的g因子 3.拟定的实验方案 将可变衰减器顺时针旋至最大，开启系统中各仪器的电源，预热20分钟。 将旋钮和按钮作如下设置：“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，此时磁共振实验仪处于检波状态（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。 将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度。 信号源工作于等幅工作状态，调节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实验仪的调谐指示占满度的2/3左右。 用波长表测定微波信号的频率，方法是：旋转波长表的测微头，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，应调节信号源的振荡频率，使其接近9370MHz的振荡频率。测定完频率后，需将波长表刻度旋开谐振点。 为使样品谐振腔对微波信号谐振，调节样品谐振腔的可调终端活塞，使调谐电表指示最小。 8.为了提高系统的灵敏度，可减小可变衰减器的衰减量，使调谐电表显示尽可能提高。然后，调节魔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，可调节灵敏度，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的相对指示，调节“扫场”旋钮可改变扫场电流。 10.顺时针调节恒磁场电流，当电流达到1.70-1.90A时，示波器上即可出现如图所示的电