微波段电子自旋共振实验仪微波电子自旋共振.doc

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1、微波段电子自旋共振实验仪一、概述电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理

2、、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR也是一种重要的近代物理实验技术。 由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪是用来完成微波段电子自旋共振实验教学的近代物理实验仪器，它主要用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。该仪器测量准确、稳定可靠、实验内容丰富，可以用于物理高年级学生专业实验以及近代物理实验。二、仪器简介FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪主要由三部分组成：磁铁系统、微波系统、实

3、验主机系统，如图1所示，另外实验时必须配有双踪示波器（选购件）。图1 FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪三、技术指标1短路活塞 调节范围 065mm2样品管外径 4.8mm3微波频率计 测量范围 8.2GHz-12.4GHz 分辨率 0.005GHz4 数字式高斯计 测量范围 02T 分辨率 0.0001T5 波导规格：BJ-100(波导内尺寸：22.86mm10.16mm)四、实验项目1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。2. 了解电子自旋共振的基本原理，比较电子自旋共振与核磁共振各自的特点。3观察在微波段电子自旋共振现象，测量DPPH样品自由基中电子的朗德因子。4. 理

4、解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，调节样品腔长，测量不同的共振点，确定波导波长。5根据DPPH样品的谱线宽度，估算样品的横向弛豫时间。五、注意事项1 磁极间隙在仪器出厂前已经调整好，实验时最好不要自行调节，以免偏离共振磁场过大。2 保护好高斯计探头，避免弯折、挤压。3 励磁电流要缓慢调整，同时仔细注意波形变化，才能辨认出共振吸收峰。微波段电子自旋共振实验电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年，S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。电子自旋共振(Electr

5、on Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族

6、元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR也是一种重要的近代物理实验技术。 ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子；(2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO； (4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2 ；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面

7、的知识。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。【实验目的】1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。2. 了解电子自旋共振的基本原理，比较电子自旋共振与核磁共振各自的特点。3观察在微波段电子自旋共振现象，测量DPPH样品自由基中电子的朗德因子。4. 理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，调节样品腔长，测量不同的共振点，确定波导波长。5根据DPPH样品的谱线宽度，估算样品的横向弛豫时间。【实验原理】1实验样品本实验测量的标准样品为含有自由基的有机物DPPH（Di-phenyl-picryl-Hydra

8、zyl），称为二苯基苦酸基联氨，分子式为，结构式如图1所示。图1 DPPH的分子结构式 它的第二个N原子少了一个共价键，有一个未偶电子，或者说一个未配对的“自由电子”，是一个稳定的有机自由基。对于这种自由电子，它只有自旋角动量而没有轨道角动量。或者说它的轨道角动量完全猝灭了。所以在实验中能够容易地观察到电子自选共振现象。由于DPPH中的“自由电子”并不是完全自由的，其g因子标准值为2.0036，标准线宽为2.710T。2电子自旋共振（ESR）与核磁共振（NMR）的比较。 电子自旋共振（ESR）和核磁共振（NMR）分别研究未偶电子和磁性核塞曼能级间的共振跃迁，基本原理和实验方法上有许多共同之处，

9、如共振与共振条件的经典处理，量子力学描述、弛豫理论及描述宏观磁化矢量的唯象布洛赫方程等。 由于玻尔磁子和核磁子之比等于质子质量和电子质量之比1836.152710（37）（1986年国际推荐值），因此，在相同磁场下核塞曼能级裂距较电子塞曼能级裂距小三个数量级。这样在通常磁场条件下ESR的频率范围落在了电磁波谱的微波段，所以在弱磁场的情况下，可以观察电子自旋共振现象。根据玻尔兹曼分布规律，能级裂距大，上、下能级间粒子数的差值也大，因此ESR的灵敏度较NMR高，可以检测低至mol的样品，例如半导体中微量的特殊杂质。此外，由于电子磁矩较核磁矩大三个数量级，电子的顺磁弛豫相互作用较核弛豫相互作用强很多

10、，纵向弛豫时间和横向弛豫时间一般都很短，因此除自由基外，ESR谱线一般都较宽。 ESR只能考察与未偶电子相关的几个原子范围内的局部结构信息，对有机化合物的分析远不如NMR优越；但是ESR能方便的用于研究固体。ESR的最大特点，在于它是检测物质中未偶电子唯一直接的方法，只要材料中有顺磁中心，就能够进行研究。即使样品中本来不存在未偶电子，也可以用吸附、电解、热解、高能辐射、氧化还原等化学反应和人工方法产生顺磁中心。3电子自旋共振条件由原子物理学可知，原子中电子的轨道角动量和自旋角动量会引起相应的轨道磁矩和自旋磁矩，而和的总角动量引起相应的电子总磁矩为 （1）式中为电子质量，为电子电荷，负号表示电子

11、总磁矩方向与总角动量方向相反，是一个无量纲的常数，称为朗德因子。按照量子理论，电子的L-S耦合结果，朗德因子为 （2）式中,分别为对原子角动量有贡献的各电子所合成的总轨道角动量和自旋角动量量子数。由上式可见，若原子的磁矩完全由电子自旋所贡献（），则，反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（），则。若两者都有贡献，则的值在1与2之间。因此，与原子的具体结构有关，通过实验精确测定的数值可以判断电子运动状态的影响，从而有助于了解原子的结构。 通常原子磁矩的单位用波尔磁子表示，这样原子中的电子的磁矩可以写成 （3）式中称为旋磁比 （4） 由量子力学可知，在外磁场中角动量和磁矩在空间的取向是量子化的。在

12、外磁场方向（Z轴）的投影 （5） （6）式中为磁量子数，。 当原子磁矩不为零的顺磁物质置于恒定外磁场中时，其相互作用能也是不连续的，其相应的能量为 （7）不同磁量子数所对应的状态上的电子具有不同的能量。各磁能及是等距分裂的，两相邻磁能级之间的能量差为 （8） 若在垂直于恒定外磁场方向上加一交变电磁场，其频率满足 （9）当时，电子在相邻能级间就有跃迁。这种在交变磁场作用下，电子自旋磁矩与外磁场相互作用所产生的能级间的共振吸收（和辐射）现象，称为电子自旋共振（ESR）。式（9）即为共振条件，可以写成 （10）或者 （11） 对于样品DPPH来说，朗德因子参考值为，将，和值带入上式可得（这里取，）

13、（12）在此的单位为高斯（1Gs=T），的单位为兆赫兹（MHz），如果实验时用波段的微波，频率为9370MHz，则共振时相应的磁感应强度要求达到3342Gs。 共振吸收的另一个必要条件是在平衡状态下，低能态的粒子数比高能态的粒子数多，这样才能够显示出宏观（总体）共振吸收，因为热平衡时粒子数分布服从玻尔兹曼分布 （13）由（13）式可知，因为，显然有，即吸收跃迁（）占优势，然而随着时间推移以及过程的充分进行，势必使与之差趋于减小，甚至可能反转，于是吸收效应会减少甚至停止，但实际并非如此，因为包含大量原子或离子的顺磁体系中，自旋磁矩之间随时都在相互作用而交换能量，同时自旋磁矩又与周围的其他质点（晶

14、格）相互作用而交换能量，这使处在高能态的电子自旋有机会把它的能量传递出去而回到低能态，这个过程称为弛豫过程，正是弛豫过程的存在，才能维持着连续不断的磁共振吸收效应。 弛豫过程所需的时间称为弛豫时间，理论证明 （14）称为“自旋晶格弛豫时间”，也称为“纵向弛豫时间”，称为“自旋晶格弛豫时间”，也称为“横向弛豫时间”。4谱线宽度 与光谱线一样，ESR谱线也有一定的宽度。如果频宽用表示，则，相应有一个能级差的不确定量，根据测不准原理，为能级寿命，于是有 （15）这就意味着粒子在上能级上的寿命的缩短将导致谱线加宽。导致粒子能级寿命缩短的基本原因是自旋晶格相互作用和自旋自旋相互作用。对于大部分自由基来说

15、，起主要作用的是自旋自旋相互作用。这种相互作用包括了未偶电子与相邻原子核自旋之间以及两个分子的未偶电子之间的相互作用。因此谱线宽度反映了粒子间相互作用的信息，是电子自旋共振谱的一个重要参数。 用移相器信号作为示波器扫描信号，可以得到如图2所示的图形，测定吸收峰的半高宽（或者称谱线宽度），如果谱线为洛伦兹型，那么有 （16）其中旋磁比，这样即可以计算出共振样品的横向弛豫时间。图2 根据样品吸收谱线的半高宽计算横向弛豫时间5. 微波基础知识与微波器件（1）微波及其传输由于微波的波长短，频率高，它已经成为一种电磁辐射，所以传输微波就不能用一般的金属导线。常用的微波传输器件有同轴线、波导管、带状线和微

16、带线等，引导电磁波传播的空心金属管称为波导管。常见的波导管有矩形波导管和圆柱形波导管两种。从电磁场理论知道，在自由空间传播的电磁波是横波，简写为TEM波，理论分析表明，在波导中只能存在下列两种电磁波：波，即横电波，它的电场只有横向分量而磁场有纵向分量；波，即横磁波，它的磁场只有横向分量而电场存在纵横分量，在实际使用中，总是把波导设计成只能传输单一波形。波是矩形波导中最简单和最常使用的一种波型，也称为主波型。图3 矩形波导管一般截面为的、均匀的、无限长的矩形波导如图3所示，管壁为理想导体，管内充以介电常数为，磁导率为的介质，则沿方向传播的波的各分量为 （17） （18） （19） （20）其中为

17、电磁波的角频率，称为相位常数， （21）称为波导波长，为截止或临界波长（对微波电子自旋共振实验系统中，），为电磁波在自由空间的波长。 波具有下列特性：a）存在一个截止波长，只有波长的电磁波才能在波导管中传播。b）波长为的电磁波在波导中传播时，波长变为。c）电场矢量垂直于波导宽壁（只有），沿方向两边为0，中间最强，沿方向是均匀的。磁场矢量在波导宽壁的平面内（只有、），的含义是TE表示电场只有横向分量。1表示场沿宽边方向有一个最大值，0表示场沿窄边方向没有变化（例如，表示场沿宽边和窄边分别有和个最大值）。 实际使用时，波导不是无限长的，它的终端一般接有负载，当入射电磁波没有被负载全部吸收时，波导中

18、就存在反射波而形成驻波，为此引入反射系数和驻波比来描述这种状态。 （22） （23）、分别是某横截面处电场反射波和电场入射波，是它们之间的相位差。和分别是波导中驻波电场最大值和最小值。和的关系为 （24） 当微波功率全部被负载吸收而没有反射时，此状态称为匹配状态，此时，波导内是行波状态。当终端为理想导体时，形成全反射，则，称为全驻波状态。当终端为任意负载时，有部分反射，此时为行驻波状态（混波状态）。（2）微波器件1） 固态微波信号源教学仪器中常用的微波振荡器有两种，一种是反射式速调管振荡器，另外一种是耿式（Gunn）二极管振荡器，也称为体效应二极管振荡器，或者称为固态源。耿式二极管振荡器的核心

19、是耿式二极管。耿式二极管主要是基于n型砷化镓的导带双谷高能谷和低能谷结构。1963年耿式在实验中观察到，在n型砷化镓样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压的增高而增大；当电压超过某一临界值后，随着电压的增高电流反而减小，这种随着电场的增加电流下降的现象称为负阻效应，电压继续增大（），则电流趋向于饱和，如图4所示，这说明n型砷化镓样品具有负阻特性。图4 耿式二极管的电流电压特性砷化镓的负阻特性可以用半导体能带理论解释，如图5所示，砷化镓是一种多能谷材料，其中具有最低能量的主谷和能量较高的临近子谷具有不同的性质，当电子处于主谷时有效质量较小，则迁移率较高；当电子处于子谷时有效质量较大，

20、则迁移率较低。在常温且无外加磁场时，大部分电子处于电子迁移率高而有效质量低的主谷，随着外加磁场的增大，电子平均漂移速度也增大；当外加电场大到足够使主谷的电子能量增加至0.36eV时，部分电子转移到子谷，在那里迁移率低而有效质量较大，其结果是随着外加电压的增大，电子的平均漂移速度反而减小。图5 砷化镓的能带结构 图6 耿式管中畴的形成、传播和消失过程图6所示为一耿式二极管示意图。在管两端加电压，当管内电场略大于（为负阻效应起始电场强度）时，由于管内局部电量的不均匀涨落（通常在阴极附近），在阴极端开始生成电荷的偶极畴，偶极畴的形成使畴内电场增大而使畴外电场下降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，直

21、至畴内电子全部进入高能谷，畴不再长大。此后，偶极畴在外电场作用下以饱和漂移速度向阳极移动直至消失。而后整个电场重新上升，再次重复相同的过程，周而复始的产生畴的建立、移动和消失，构成电流的周期性振荡，形成一连串很窄的电流，这就是耿式二极管道振荡原理。耿式二极管的工作频率主要由偶极畴的渡越时间决定，实际应用中，一般将耿式二极管装在金属谐振腔中做成振荡器，通过改变腔体内的机械调谐装置可以在一定范围内改变耿式二极管的工作频率。2） 隔离器隔离器是一种不可逆的衰减器，在正方向（或者需要传输的方向上）它的衰减量很小，约0.1dB左右，反方向的衰减量则很大，达到几十dB，；两个方向的衰减量之比为隔离度。若在

22、微波源后面加隔离器，它对输出功率的衰减量很小，但对于负载反射回来的反射波衰减量很大。这样，可以避免因负载变化使微波源的频率及输出功率发生变化，即在微波源和负载之间起到隔离的作用。3） 环行器环行器是一种多端口定向传输电磁波的微波器件，其中使用最多的是三端口和四端口环形器。以下以三端口结型波导环行器为例来说明其特性。图7 环行器结构由于三个分支波导交于一个微波结上，所以称为“结”型。这里分支传输线为波导，但也可以由同轴线或微带线等构成。该环形器内装有一个圆柱形铁氧体柱，为了使电磁波产生场移效应，通常在铁氧体柱上沿轴向施加恒磁场，根据场移效应原理，被磁化的铁氧体将对通过的电磁波产生场移，如图7所示

23、，当电磁波由臂1馈入时，由于场移效应，它将向臂2方向，同样道理由臂2馈入的电磁波也只向臂3方向偏移而不馈入臂1，依此类推，该环行器将具有向右定向传输的特性。铁氧体环行器经常应用于微波源与微波腔体之间，特别是在反应环境十分恶劣的情况下能够保护发生电源与磁控管的安全。4） 晶体检波器微波检波系统采用半导体点接触二极管（又称微波二极管），外壳为高频铝瓷管，如图8所示，晶体检波器就是一段波导和装在其中的微波二极管，将微波二极管插入波导宽臂中，使它对波导两宽臂间的感应电压（与该处的电场强度成正比）进行检波。 图8 晶体检波器结构5）双T调配器调配器是用来使它后面的微波部件调成匹配，匹配就是使微波能够完全

24、进入而一点也不能反射回来。微波段电子自旋共振使用的是双T调配器，其结构如图9所示，图9 双T接头调配器它是由双T接头构成，在接头的H臂和E臂内各接有可以活动的短路活塞，改变短路活塞在臂中的位置，便可以使得系统匹配。由于这种匹配器不妨害系统的功率传输和结构上具有某些机械的对称性，因此具有以下优点：a)可以使用在高功率传输系统，尤其是在毫米波波段；b）有较宽的频带；c)有很宽的驻波匹配范围。双T调配器调节方法：在驻波不太大的情况下，先调谐E臂活塞，使驻波减至最小，然后再调谐H臂活塞，就可以得到近似的匹配（驻波比s1.10），如果驻波较大，则需要反复调谐E臂和H臂活塞，才能使驻波比降低到很小的程度（

25、驻波比s1.02）。6）频率计教学实验仪器中使用较多的是“吸收式”谐振频率计，谐振式频率计包含一个装有调谐柱塞的圆柱形空腔，腔外有GHz的数字读出器，空腔通过隙孔耦合到一段直波导管上，谐振式频率计的腔体通过耦合元件与待测微波信号的传输波导相连接，形成波导的分支，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时它不吸收微波功率，也基本上不影响波导中波的传输，响应的系统终端输出端的信号检测器上所指示的为一恒定大小的信号输出，测量频率时，调节频率计上的调谐机构，将腔体调节至谐振，此时波导中的电磁场就有部分功率进入腔内，使得到达终端信号检测器的微波功率明显减少，只要读出对应系统输出为最小值时调谐机构上

26、的读数，就得到所测量的微波频率。7）扭波导改变波导中电磁波的偏振方向（对电磁波无衰减），主要作用便于机械安装（因为磁铁产生磁场方向为水平方向，而磁铁产生磁场必须垂直于矩形波导的宽边，而前面的微波源、双T调配器以及频率计的宽边均为水平方向）。8）矩形谐振腔 矩形谐振腔是由一段矩形波导，一端用金属片封闭而成，封闭片上开一小孔，让微波功率进入，另一端接短路活塞，组成反射式谐振腔，腔内的电磁波形成驻波，因此谐振腔内各点电场和磁场的振幅有一定的分布，实验时被测样品放在交变磁场最大处，而稳恒磁场垂至于波导宽边（这也是前面介绍的扭波导的作用体现，因为稳恒磁场处于水平方向比较容易），这样可以保证稳恒磁场和交变

27、磁场互相垂直。9）短路活塞短路活塞是接在传输系统终端的单臂微波元件，如图10所示，它接在终端对入射微波功率几乎全部反射而不吸收，从而在传输系统中形成纯驻波状态。它是一个可移动金属短路面的矩形波导，也可称可变短路器。其短路面的位置可通过螺旋来调节并可直接读数。在微波段电子自旋共振实验系统中短路活塞与矩形谐振腔组成一个可调式的矩形谐振腔。图10 短路活塞装置图整套微波系统安装完整后如图11所示，从左至右依次为微波源、隔离器、环行器（另一边有检波器）、双T调配器、频率计、扭波导、谐振腔、短路活塞。图11 微波段电子自旋共振微波系统完整安装装置图【实验仪器】微波电子自旋共振实验装置主要由四部分组成：磁

28、铁系统、微波系统、实验主机系统以及示波器。图12 FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪实验装置【实验过程】1将实验主机与微波系统、电磁铁以及示波器连接，具体方法为：高斯计探头与实验主机上的五芯航空座相连，并将探头固定在谐振腔边上磁场空隙处（与样品位置大致平行），用同轴线将主机“DC12V”输出与微波源相连，用两根带红黑手枪插头连接线将励磁电源与电磁铁相连，用Q9线将主机“扫描电源”与磁铁扫描线圈相连，用Q9线将检波器与示波器相连，放入样品，开启实验主机和示波器的电源,预热20分钟。2调节主机“电磁铁励磁电源”调节电位器，改变励磁电流，观察数字式高斯计表头读数，如果随着励磁电流（表头显示为

29、电压，因为线圈发热很小，电压与励磁电流成线性关系）增加，高斯计读数增大说明励磁线圈产生磁场与永磁铁产生磁场方向一致，反之，则两者方向相反，此时只要将红黑插头交换一下即可，由小至大改变励磁电流，记录电压读数与高斯计读数，做电压磁感应强度关系图，找出关系式，在后面的测量中可以不用高斯计，而通过拟合关系式计算得出中心磁感应强度数值。3调节双T调配器的两臂上的短路活塞，观察示波器上信号线是否有跳动，如果有跳动说明微波系统工作，如无跳动，检查12V电源是否正常。调节励磁电源使共振磁场在3300高斯左右（因为微波频率在9.36GHz左右，根据共振条件，此时的共振磁场大约在3338高斯左右），调节短路活塞，

30、观察示波器是否有共振吸收信号出现，调节到一定位置出现吸收信号时，再调节双T调配器使信号最大，如图13 中b图左侧所示,此时再细调励磁电源，使信号均匀出现，如图13 中c图左侧所示。图13中右侧图为通过移相器观察到的吸收信号的李萨如图。图13 示波器观察电子自旋共振信号4调节出稳定、均匀的共振吸收信号后，用前面计算得出的拟合公式计算此时的共振磁场磁感应强度，或者通过高斯计探头直接测量此时磁隙中心的磁感应强度，旋转频率计，观察示波器上的信号是否跳动，如果跳动，记下此时的微波频率,根据公式（11），计算DPPH样品的因子。5调节短路活塞，使谐振腔的长度等于半个波导波长的整数倍（），谐振腔谐振，可以观测到稳定的共振信号，微波段电子自旋共振实验系统可以找出三个谐振点位置：、，按照式子：,计算波导波长，然后根据公式（21）计算微波的波长。