中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）实验3-3-2 微波电子自旋共振.docx_大学文库

图3.3-6微波电子自旋共振实验装置示意图二.徽波系统 1.徽波信号源的作用微波是频率从3×10Hz到3×10Hz的电磁波。8.50-10.70GHz频段的微波能量子的能量大约在105.102©V的范围，与原子和分子相近能级间的差值相当，因此实验中常用这频段的微波研究物质结构，本实验使用的微波信号源为DH1121B型3Cm波长固态信号源，可输出等幅信号及方波调制信号。该信号源由振荡器、隔离器和主机组成。调节振荡器的螺旋测微器可改变调谐杆伸入波导腔的深度，从而连续平滑地改变微波谐振频率。隔离器保证振荡器与匹配负载间的匹配与隔离，使微波输出的功率和频率更稳定。通过仪器面板上的按键可方便地选择振荡器的工作方式为连建波或者方波调制。按下“申源”糖周态源便开始振荡。微波能量从被导口输出。 2.徽波度T的作用癢T的作用是分离信号，并使微波系统组成微波桥路，其结构如图337所示。按照其接头的工作特性，当微波从任一臂输入时，都进入相邻两臂，而不进入相对臂。若1臂接信号源，4臂接品体检波器， 2臂接矩形谐振腔，3臂接入负载和单螺调配器。调节单樱调配器，可使管2和臂3反射回来的波在相位和幅度上平衡而大致抵消。在发生电子自旋共根时，诺振腔内的样品由于吸收了微波能量后，使臂2和臂 3失去了平衡，此时检波器会输出较高的电平，此即电子自旋共振信号。图337魔T结构图 3.徽波谐振腔的作用微波谐振隙为样品提供线信根磁场，同时又将样品吸收偏根磁场能量的信息传递出去实验中所用的可调矩形振腔结构如图338所示，图中画出了矩形谐振腔诺振时微波磁场线的分布。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节其位置，可改变谐振腔的长度，腔长可从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传动装置可使样品处于诺振腔中的任何位置，样品在谐振腔中的位置可从窄边上的刻度直接读出。磁场线刻度连杆耦合孔七托安反射活塞 DPPH样品开档图338可调矩形样品谐振腔示意图

图 3-3-6 微波电子自旋共振实验装置示意图二．微波系统 1．微波信号源的作用微波是频率从 3×108Hz 到 3×1011Hz 的电磁波。8.50-10.70GHz 频段的微波能量子的能量大约在 10-5 -10-2 eV 的范围，与原子和分子相近能级间的差值相当，因此实验中常用这一频段的微波研究物质结构。本实验使用的微波信号源为 DH1121B 型 3cm 波长固态信号源，可输出等幅信号及方波调制信号。该信号源由振荡器、隔离器和主机组成。调节振荡器的螺旋测微器可改变调谐杆伸入波导腔的深度，从而连续平滑地改变微波谐振频率。隔离器保证振荡器与匹配负载间的匹配与隔离，使微波输出的功率和频率更稳定。通过仪器面板上的按键可方便地选择振荡器的工作方式为连续波或者方波调制。按下“电源”键固态源便开始振荡，微波能量从波导口输出。 2．微波魔 T 的作用魔 T 的作用是分离信号，并使微波系统组成微波桥路，其结构如图 3-3-7 所示。按照其接头的工作特性，当微波从任一臂输入时，都进入相邻两臂，而不进入相对臂。若 1 臂接信号源，4 臂接晶体检波器， 2 臂接矩形谐振腔，3 臂接入负载和单螺调配器。调节单螺调配器，可使臂 2 和臂 3 反射回来的波在相位和幅度上平衡而大致抵消。在发生电子自旋共振时，谐振腔内的样品由于吸收了微波能量后，使臂 2 和臂 3 失去了平衡，此时检波器会输出较高的电平，此即电子自旋共振信号。 3．微波谐振腔的作用微波谐振腔为样品提供线偏振磁场，同时又将样品吸收偏振磁场能量的信息传递出去。实验中所用的可调矩形谐振腔结构如图 3-3-8 所示，图中画出了矩形谐振腔谐振时微波磁场线的分布。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节其位置，可改变谐振腔的长度，腔长可从带游标的刻度连杆读出。为了保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传动装置可使样品处于谐振腔中的任何位置，样品在谐振腔中的位置可从窄边上的刻度直接读出。图 3-3-8 可调矩形样品谐振腔示意图刻度连杆反射活塞 DPPH 样品磁场线耦合孔开槽线图 3-3-7 魔 T 结构图

实验中的样品诺振腔是矩形反射式谐振腔，由宽功为、窄边为b的一段矩形波导管松成，其长度1由反射活塞的位置确定。在一端的金属片上开有一小孔（耦合孔），外部微波从该孔输入，而腔内微波从该孔反射出去。当1满足一定条件时，腔内形成驻波，发生振由于微波进入样品谐振腔内时反射活塞会使微波发生反射，反射波与入射波叠加会造成样品腔内的微波状态与外部不同，频率也不同，只有当样品芹振腔内形成驻波时，样品诰振腔内的微波频率与谐振腔外微波频率相同。矩形谐振腔内振荡的电磁场模式可表示为TE 其中整数m、P分别为沿宽边、窄边和腔长方向分布的驻波半波数。对于比较简单的T正波，当腔内介质是真空或空气时，发生谐振的条件为 1=p p=1,2,3 (3-3-15) 式中入为波导波长，有 (3 周 3-16) 式中1=c/∫是微波在自由空间的波长，元，=2a是截止波长。由此可进一步得出谐振波长 ,和谐振频率，为 = © (3-3-17) 6=c/ (3-3-18) 谐振波长。、谐振频率。和腔的形状、体积、波形及腔内介质性质等有关。 4.徽波电子自旋共振信号的观测样品置于谐振腔中微波磁场的最大处，使其处于相互垂直的恒定磁场B和微波磁场中，与谐振腔一起构成电子自旋共振系统，如图3-39所示。为了观察到较好的电子自旋共振信号，微波系统必须调节到特定的状态。这个状态就是使样品谐振腔一臂反射微波和单螺调配器一壁反射微波在魔T处叠加兰于零。微波系统调好后加上扫场和恒定磁场，当恒定磁场大小足式38度（39时，样品从微波中吸收能量，发生电子自旋共振，此时样品谐振腔的谐振状态被破坏，从样品谐振腔反射的微波发生了改变，因而魔T处的微波能量不为零，进入晶体检波器后由品体检波器检出形成共振信号实验样品发生电子自旋共振过程中可能出现的图33-9样品放置示意图振信号如图3310所示。若样品未发生共振前，样品谐

实验中的样品谐振腔是矩形反射式谐振腔，由宽边为 a、窄边为 b 的一段矩形波导管构成，其长度 l 由反射活塞的位置确定。在一端的金属片上开有一小孔（耦合孔），外部微波从该孔输入，而腔内微波从该孔反射出去。当 l 满足一定条件时，腔内形成驻波，发生谐振。由于微波进入样品谐振腔内时反射活塞会使微波发生反射，反射波与入射波叠加会造成样品腔内的微波状态与外部不同，频率也不同，只有当样品谐振腔内形成驻波时，样品谐振腔内的微波频率与谐振腔外微波频率相同。矩形谐振腔内振荡的电磁场模式可表示为 TEmnp，其中整数 m、n、p 分别为沿宽边、窄边和腔长方向分布的驻波半波数。对于比较简单的 TE10p 波，当腔内介质是真空或空气时，发生谐振的条件为 2 g l p  = p＝1，2，3. （3-3-15）式中 g 为波导波长，有 2 1         − = c g     （3- 3-16）式中  = c / f 是微波在自由空间的波长， a c  = 2 是截止波长。由此可进一步得出谐振波长 0 和谐振频率 0 f 为 2 2 0 1 2        +      = l p a  （3-3-17） 0 0 f c = /  （3-3-18）谐振波长 0 、谐振频率 0 f 和腔的形状、体积、波形及腔内介质性质等有关。 4. 微波电子自旋共振信号的观测样品置于谐振腔中微波磁场的最大处，使其处于相互垂直的恒定磁场 B0 和微波磁场中，与谐振腔一起构成电子自旋共振系统，如图 3-3-9 所示。为了观察到较好的电子自旋共振信号，微波系统必须调节到特定的状态。这个状态就是使样品谐振腔一臂反射微波和单螺调配器一臂反射微波在魔 T 处叠加等于零。微波系统调好后加上扫场和恒定磁场，当恒定磁场大小满足式（3-3-8）或（3-3-9）时，样品从微波磁场中吸收能量，发生电子自旋共振，此时样品谐振腔的谐振状态被破坏，从样品谐振腔反射的微波发生了改变，因而魔 T 处的微波能量不为零，进入晶体检波器后由晶体检波器检出形成共振信号。实验样品发生电子自旋共振过程中可能出现的共振信号如图 3-3-10 所示。若样品未发生共振前，样品谐图 3-3-9 样品放置示意图

振腔处于谐振状态，样品谐振腔与波导完全匹配：当发生共振时，样品吸收微波磁场能量样品谐振腔偏离谐振状态，与波导不再匹配 ,产生部分反射，形成共振吸收信号，如图33 10(©)所示。这样形成的电子自旋共振信号最佳。若样品未发生共振前，样品谐振腔处非谐振状态：当发生共振时使样品谐振腔处于谐振状态，同样也会形成共振吸收信号，如图 3-3-10(a)和(c)所示，只是信号方向与图3-3-10(c)的相反。在这两种共振吸收信号之间，相应地存在两种不同方向的色散信号，如图3-3-10(b)和(d)。人VN (a) (6) (c) (d) 图3-3-10DPPH的吸收与色散信号【实验内容】一.基础性实验内容 (1)实验前的准备工作。实验前，先开启测量系统中各仪器的电源，预热15分钟。预热时使固体信号源处于“等幅”工作状态设置磁共振实验仪器旋钮和按钮：“磁场”逆时针调到最低，“扫场”逆时针调到最低，“扫场/检波”按钮按下，处于检波状态。样品位置刻度尺置于90mm处，样品置于磁场正中央。调节可变衰减器使磁共振实验仪的检波电流有指示，再调节“检波灵敏度”旋钮，使检波电流表指示占满度的23以上。 (2)调节微被烦率了为9370MH2 (3)调节样品谐振腔末端的终端活塞，使检波电流处于极小值，此时样品谐振腔谐振谐振腔的频率6与微波信号的频率∫相等。调节单螺调配器使魔T的2臂和3臂上的负载接近对称，检波电流接近于零。 (4)加上扫场并调节恒定磁场，观察示波器上显示的如图3.3.11所示DPPH自由基的共振信号，测量相应的自旋共振场B,并计算自由基的g因子和旋磁比 (5)测量共振线宽△B和横向弛豫时间T,。共振信号线宽的定义如图3-312所示，线宽可看作是弛豫强弱的度量。对大多数自由基来说，起作用的主要是横向弛豫，横向弛豫造成共振谱线展宽，T与谱线共振线宽△B的关系为 T:-7AB (3-3-19) 因此只要测出共振线宽就可得到横向弛豫时间。测量时示波器置于“XY”显示，用“扫场”信号做示波器的扫描信号，便可得到如图3-312所示的共振信号。根据峰值的幅度，确定半宽度所对应的位置，测出共振线宽，计算横向弛豫时间 B1 Bo B2 图3-311电子自旋共振信号图3-3-12共振信号线宽

振腔处于谐振状态，样品谐振腔与波导完全匹配；当发生共振时，样品吸收微波磁场能量，样品谐振腔偏离谐振状态，与波导不再匹配，产生部分反射，形成共振吸收信号，如图 3-3- 10（c）所示。这样形成的电子自旋共振信号最佳。若样品未发生共振前，样品谐振腔处于非谐振状态；当发生共振时使样品谐振腔处于谐振状态，同样也会形成共振吸收信号，如图 3-3-10（a）和（e）所示，只是信号方向与图 3-3-10（c）的相反。在这两种共振吸收信号之间，相应地存在两种不同方向的色散信号，如图 3-3-10（b）和（d）。图 3-3-10 DPPH 的吸收与色散信号【实验内容】一. 基础性实验内容（1）实验前的准备工作。实验前，先开启测量系统中各仪器的电源，预热 15 分钟。预热时使固体信号源处于“等幅”工作状态；设置磁共振实验仪器的旋钮和按钮：“磁场”逆时针调到最低，“扫场”逆时针调到最低，“扫场/检波”按钮按下，处于检波状态。样品位置刻度尺置于 90mm 处，样品置于磁场正中央。调节可变衰减器使磁共振实验仪的检波电流有指示，再调节“检波灵敏度”旋钮，使检波电流表指示占满度的 2/3 以上。（2）调节微波频率 f 为 9370MHz。（3）调节样品谐振腔末端的终端活塞，使检波电流处于极小值，此时样品谐振腔谐振，谐振腔的频率 f0 与微波信号的频率 f 相等。调节单螺调配器使魔 T 的 2 臂和 3 臂上的负载接近对称，检波电流接近于零。（4）加上扫场并调节恒定磁场，观察示波器上显示的如图 3-3-11 所示 DPPH 自由基的共振信号，测量相应的自旋共振场 B0，并计算自由基的 g 因子和旋磁比。（5）测量共振线宽 B 和横向弛豫时间 T2 。共振信号线宽的定义如图 3-3-12 所示，线宽可看作是弛豫强弱的度量。对大多数自由基来说，起作用的主要是横向弛豫，横向弛豫造成共振谱线展宽， T2 与谱线共振线宽 B 的关系为 2 2 T  B =  （3-3-19）因此只要测出共振线宽就可得到横向弛豫时间。测量时示波器置于“X-Y”显示，用“扫场”信号做示波器的扫描信号，便可得到如图 3-3-12 所示的共振信号。根据峰值的幅度，确定半宽度所对应的位置，测出共振线宽，计算横向弛豫时间。图 3-3-12 共振信号线宽 1.0 0.5 信号强度 △B 信号强度 T 图 3-3-11 电子自旋共振信号

（6）认真调节单螺调配器位置，等效改变样品谐振腔的谐振状态，在示波器上依次观察图 3-3-10 所示的各种共振信号，并记录相对应的单螺调配器的坐标位置（ 1 2 3 4 5 x , x , x , x , x ），根据 2 5 1 x x g = − 计算波导波长  g ，并进一步计算微波在自由空间的波长和微波频率以及样品谐振腔的腔长（波导宽边长度 a=2.3cm），综合分析各种共振信号形成的原因。二. 设计性实验内容在现有实验条件的基础上，请查阅文献资料、自主设计实验方案，尝试完成下列实验内容。 1．实验内容（1）改变微波频率，观测一系列不同微波频率下的电子自旋共振信号，测量共振信号的幅度和半高宽，分析讨论微波频率对电子自旋共振信号的影响，试采用最小二乘拟合方法测量自由基的 g 因子。（2）改变扫场的幅度，研究扫场大小对电子自旋共振信号的影响。 2．实验要求阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和实验基本步骤，进行实际实验测量，选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。【注意事项】 1．样品应放在磁场的正中间。 2．若共振信号较小或示波器显示波形形欠佳，可采用以下方法来改善。（1）反时针旋转可变衰器，减小衰减量；（2）正时针调节“扫场”旋钮，加大扫场电流；（3）提高示波器的灵敏度。 3．若共振波形左右不对称，调节单螺调配器的深度及左右位置，或改变样品在磁场中的位置。【思考与讨论】 1．简述实现微波电子自旋共振信号观测的基本原理。 2．实验中不加扫场，能否观测到 ESR 信号？为什么？ 3．样品 DPPH 应放在谐振腔的什么位置？为什么？ 4．为什么在弱磁场下能观察到 ESR 现象，而不易观察 NMR 现象？ 5．在微波 ESR 实验中怎样判断样品是否处于谐振腔中微波磁场的最大处？【参考文献】