近代物理試驗（5）年4月1日電子信息與光學工程學院光電子技術科學于曉源11106417-2微波電子自旋共振第1頁試驗7-2微波電子自旋共振1.試驗基本原理2.試驗內容3.確定試驗方案4.試驗預習中一些問題5.試驗預習參考文件第2頁1.試驗基本原理（一）電子自旋共振基本概念電子自旋共振也被稱作電子順磁共振（EPR），其工作原理與核磁共振是相同。核磁共振起源于原子核磁矩在外磁場中能級分裂，電子自旋運動與軌道運動也產生磁矩，當一個原子（離子、分子）中全部電子自旋磁矩與軌道磁矩總和不為0時，這個原子就帶有順磁性，其不為0磁矩在外磁場中產生能級分裂，基于這種能級分裂我們就觀察到了順磁共振現象。

除惰性氣體原子外，大多數原子在游離態時總磁矩不為0，但它們在形成離子或分子過程中都是成對出現，即自旋磁矩與軌道磁矩總和為0，不能產生順磁共振。不過以下幾個物質存在未偶電子（順磁性），能夠產生順磁共振：（1）過渡族元素離子（2）普通金屬中導電電子（3）半導體中雜質原子（4）自由基。上述幾個情況都是由電子總磁矩組成原子或分子固有磁矩。第3頁（二）關于電子自旋共振相關公式推導

第4頁（三）電子自旋共振與核磁共振比較電子磁矩比核磁矩大三個數量級，在磁場相同情況下，電子塞曼能級間距要比核塞曼能級間距大很多，由玻爾茲曼分布律，其能級間粒子數差距也很大，所以電子自旋共振信號比核磁共振信號大很多。ESR普通都是在微波頻段，不過在較弱磁場下，在射頻段也能觀察到電子自旋共振現象。ESR多半用是X波段，少數用Q波段。因為電子磁矩比核磁矩大很多，所以電子順磁弛豫作用比核弛豫作用強得多，即ESRT1和T2普通都很短，吸收譜線線寬較寬。為了加大T1、T2，減小線寬，提升分辨本事，我們通常采取降低樣品溫度方法，加大樣品中順磁離子之間距離。第5頁（四）此次試驗裝置介紹信號源隔離器衰減器波長計魔T隔離器檢波器終端匹配諧振腔掃場線圈穩恒線圈電磁鐵直流電源掃場電源移相器試驗裝置一第6頁反射式諧振腔品質因數QL

第7頁微波元器件補充介紹：波導魔T波導魔T是如圖所表示四口網絡類波導類微波元器件。利用波導魔TS矩陣可知其1號與4號端口，2號與3號端口是相互隔離，且四個端口能夠同時到達匹配。在1號端口輸出波為：

其中a2、a3為2號、3號端口入射波，即假如信號從2號,3號端口同相輸入，則在1號端口檢波器輸出它們差信號；假如信號從2號,3號端口反相輸入，則檢波器輸出它們和信號。

第8頁試驗裝置二放大部分A/D轉換單片機PC機掃描部分及恒流源160Hz振蕩器功率放大電磁鐵穩恒磁場小調場小調場穩恒磁場電磁鐵短路活塞Gunn諧振腔波長表樣品第9頁2.試驗內容（一）觀察DPPH順磁共振現象二苯基三硝基苯（DPPH),是一個含有自由基有機化合物，經過其結構圖可知，其第二個N原子上有一個未偶電子，因為未偶價電子存在，使自由基和DPPH分子產生順磁性，將其置于外磁場中時，能夠觀察到順磁共振，在這組試驗中，我們就要對DPPH順磁共振現象進行觀察。第10頁（二）測量DPPHg因子

第11頁3.確定試驗方案將可變衰減器順時針旋至最大，開啟系統中各儀器電源，預熱20分鐘。將旋鈕和按鈕作以下設置：“磁場”逆時針調到最低，“掃場”逆時針調到最低。按下“檢波”按鈕，“掃場”按鈕彈起，此時磁共振試驗儀處于檢波狀態（注：切勿同時按下）。將樣品位置刻度尺置于90mm處，樣品應置于磁場正中央。將單螺調配器探針逆時針旋至“0”刻度。信號源工作于等幅工作狀態，調整可變衰減器使調諧電表有指示，然后將“檢波靈敏度”旋鈕指示最大控制磁共振試驗儀調諧指示占滿度2/3左右。用波長表測定微波信號頻率，方法是：旋轉波長表測微頭，找到電表跌落點，查波長表—刻度表即可確定振蕩頻率，若振蕩頻率不在9370MHz，應調整信號源振蕩頻率，使其靠近9370MHz振蕩頻率。測定完頻率后，需將波長表刻度旋開諧振點。第12頁為使樣品諧振腔對微波信號諧振，調整樣品諧振腔可調終端活塞，使調諧電表指示最小。8.為了提升系統靈敏度，可減小可變衰減器衰減量，使調諧電表顯示盡可能提升。然后，調整魔T另一支臂單螺調配器指針，使調諧電表指示更小。若磁共振儀電表指示太小，可調整靈敏度，使指示增大。9.按下“掃場”按鈕。此時調諧電表指示為掃場電流相對指示，調整“掃場”旋鈕可改變掃場電流。10.順時針調整恒磁場電流，當電流到達1.70-1.90A時，示波器上即可出現如圖所表示電子共振信號。第13頁11.若共振波形峰值較小，或示波器圖形顯示欠佳，可采取四種方式調整：（1）將可變衰減器逆時針旋轉，減小衰減量，增大微波功率。（2）順時針調整“掃場”旋鈕，加大掃場電流。（3）提升示波器靈敏度。（4）調整微波信號源振蕩腔法蘭上調整釘，可加大微波輻射功率。12.若共振波形左右不對稱，調整單螺釘調制器深度及位置，或改變樣品在磁場中位置，經過微調樣品諧振腔使共振波形成。13.調整“調相”旋鈕，即可使雙共振峰處于適當位置。14.用高斯計測得外磁場B0，計算g因子。15.為了得到腔體波導波長λg，可移動樣品位置，兩信號間距離即為波導波長λg二分之一。第14頁4.試驗預習中問題（1）在第二套試驗裝置中，我們用小調場來代替了第一套試驗裝置中掃場，那么小調場與掃場作用是否一致，原理上有什么不一樣？（2）在第一套試驗裝置中，我們使用了波導魔T這個新微波元器件進行試驗，在試驗指導書中曾有提到，可用環形器來代替魔T搭建系統。魔T原理已經介紹過了，其兩部分相互隔離，但能同時匹配，而環形器為單向導通傳遞，二者原理上是有區分，哪么怎樣實當代替，物理思想是什么？第15頁5.試驗預習參考文件[1]高立模等.《近代物理試驗》.南開大學出版社，.[2]亨斯珀格.《集成光學理論與技術》.第六版，電子工業出版社，.[3]王合英;孫文博;