近代物理試驗(yàn)報(bào)告

1、近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告2實(shí)驗(yàn)名稱：鐵磁共振指導(dǎo)教師：鮑德松專業(yè)：物理班級(jí)：求是物理班1401姓名：朱勁翔學(xué)號(hào)：3140105747實(shí)驗(yàn)日期：2021.10.19實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 .初步掌握用微波諧振腔方法觀察鐵磁共振現(xiàn)象.2 .掌握鐵磁共振的根本原理和實(shí)驗(yàn)方法.3 .測(cè)量鐵氧體材料的共振磁場(chǎng)共振線寬AB,旋磁比7以及g因子和弛豫時(shí)間To實(shí)驗(yàn)原理:根據(jù)磁學(xué)理論可知,物質(zhì)的鐵磁性主要來(lái)源于原子或離子的未滿殼層中存在的非成對(duì)電子自旋磁矩.一塊宏觀的鐵磁體包含有許多磁疇區(qū)域,在每一個(gè)區(qū)域中,自旋磁矩在交換作用的耦合下彼此平行排列,產(chǎn)生自發(fā)磁化,但各個(gè)磁疇之間的取向并不完全一致,只有在外磁場(chǎng)的作用下,鐵磁體內(nèi)部的

2、所有自旋磁矩才保持同一方向,并圍繞著外磁場(chǎng)方向作進(jìn)動(dòng).當(dāng)鐵磁物質(zhì)同時(shí)受到兩個(gè)相互垂直的磁場(chǎng)即恒磁場(chǎng)瓦和微波磁場(chǎng)a的作用后,磁矩的進(jìn)動(dòng)情況將發(fā)生重要的變化.一方面,恒磁場(chǎng)耳使鐵磁場(chǎng)物質(zhì)被磁化到飽和狀態(tài),當(dāng)磁矩而原來(lái)平衡方向與瓊有夾角夕時(shí),耳使磁矩繞它的方向作進(jìn)動(dòng),頻率為/=烈員；另一方面,微波磁場(chǎng)耳強(qiáng)迫進(jìn)動(dòng)的磁矩而隨著目的作用而改變進(jìn)h動(dòng)狀態(tài),曲的進(jìn)動(dòng)頻率再不是心了,而是以某一頻率繞著恒磁場(chǎng)耳作進(jìn)動(dòng),同時(shí)由于進(jìn)動(dòng)過程中,磁矩受到阻尼作用,進(jìn)動(dòng)振幅逐漸衰減,如圖8-1所示,微波磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)動(dòng)的磁矩起到不斷的補(bǔ)充能量的作用.當(dāng)維持微波磁場(chǎng)作用時(shí),且微波頻率v=%時(shí),耦合到面的能量剛好與血進(jìn)動(dòng)時(shí)受到阻尼消

3、耗的能量平衡時(shí),磁矩就維持穩(wěn)定的進(jìn)動(dòng),如圖8-2所示.鐵磁共振的原理圖如圖8-3所示.在恒磁場(chǎng)可即百°和微波磁場(chǎng)R即E的作用下,其進(jìn)動(dòng)方程可寫為：/1M,一二一丁MXH+T8-1dt上式中/=g上為旋磁比,g為朗德因子,B即百為恒磁場(chǎng)耳即£和微波2叫磁場(chǎng)耳即1；合成的總磁場(chǎng),亍為阻尼力矩,比系統(tǒng)從微波磁場(chǎng)R中所吸收的全部能量,恰好補(bǔ)充鐵磁樣品通過某機(jī)制所損耗的能量.阻尼的大小還意味著進(jìn)動(dòng)角度.減少的快慢,夕減少得快,趨于平衡態(tài)的時(shí)間就短,反之亦然.因此這種阻尼可用弛豫時(shí)間r來(lái)表示,t的定義是進(jìn)動(dòng)振幅減小到原來(lái)最大振幅的1/e所需要的時(shí)間.圖8-1進(jìn)動(dòng)振幅逐漸衰減圖8-2微波

4、磁場(chǎng)作用抵消阻尼,趨于平衡電磁鐵微波磁場(chǎng)樣品恒陵場(chǎng)一直流磁場(chǎng)圖(83)鐵磁共振原理圖根據(jù)磁學(xué)理論可知,磁導(dǎo)率與磁化率7之間有如下關(guān)系：N=1+4ir7(8-2)在交變磁場(chǎng)a作用下,鐵磁物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)磁矩丘的運(yùn)動(dòng)有阻尼作用,所以磁性材料中的磁場(chǎng)口(即百)的變化落后于交變磁場(chǎng)R的變化,4要用復(fù)數(shù)表示："二"+i,其中實(shí)部“決定磁性材料磁能的貯存,虛部反映交變磁能在磁性材料中的損耗.當(dāng)改變恒磁場(chǎng)尾(即百0)或微波頻率N時(shí),我們總能發(fā)現(xiàn)在某一條件下,鐵磁體會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大的磁損耗,即"出現(xiàn)最大值,也就是進(jìn)動(dòng)的磁矩會(huì)對(duì)微波能量產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的吸收,以補(bǔ)充由此引起的能量損耗,這就

5、是鐵磁共振現(xiàn)象.2 .1鐵磁共振條件由于鐵磁物質(zhì)的磁化理論很復(fù)雜,因此,我們實(shí)驗(yàn)中采用鐵氧體小球樣品作實(shí)驗(yàn).其退磁因子各向同性,退磁場(chǎng)作抵消,對(duì)進(jìn)動(dòng)不產(chǎn)生影響.最簡(jiǎn)單的情況,小球形樣品滿足磁共振的根本原理公式：hv=g/BBr(8-3)鑒于鐵磁性反映的是電子自旋磁矩的集體行為,g2,卜為進(jìn)動(dòng)頻率,其頻段估算在微波范圍內(nèi),因此選擇在此頻段進(jìn)行實(shí)驗(yàn).2.2鐵磁共振吸收譜線和線寬AB磁矩就在進(jìn)動(dòng)時(shí)總要受到由磁損耗所表現(xiàn)出來(lái)的阻尼作用.實(shí)用上鐵磁諧振損耗并不用來(lái)說明,而用鐵磁共振吸收線寬AB來(lái)表示.固定微波頻率不變,鐵氧體在恒磁場(chǎng)瓦和微波磁場(chǎng)6的共同作用下,隨坨的變化曲線稱為鐵磁共振吸收譜線,如圖(8

6、4)所示.在共振時(shí)“有最大值“m,令處的磁場(chǎng)分別為4和那么AB=4-B?就是鐵磁共振線寬.一般AB愈窄,磁損耗愈低.AB值的大小反映了磁損耗的大小,測(cè)量AB對(duì)于研究鐵磁質(zhì)的機(jī)理和提升微波鐵氧體器件十分重要.圖(8-4)鐵磁共振吸收譜線和線寬AB圖(8-5)PB.曲線在實(shí)驗(yàn)中往往不是直接測(cè)量“與B口的關(guān)系來(lái)確定AB值,而是測(cè)量微波功率通過諧振腔后的功率變化來(lái)確定AB值的,通過諧振腔后的功率P隨B0的變化見圖8-5所示.圖中Ps是遠(yuǎn)離鐵磁共振區(qū)時(shí)諧振腔的輸出功率,耳是鐵磁共振時(shí)輸出功率,Rq是半功率點(diǎn)即相當(dāng)于=41/2處的輸出功率.一般情況下,正確的考慮了頻散效應(yīng)的影響,為2點(diǎn)由下式確定：2PP8

7、-4Ps+R根據(jù)8-4式得Pg,可由PB口曲線求出AB值.3 .弛豫時(shí)間T根據(jù)磁學(xué)理論可知,AB與t之間有如下關(guān)系：2r=8-5*B實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟:首先用特斯拉計(jì)測(cè)出樣品所在的磁鐵中央磁場(chǎng)B和電磁鐵鼓勵(lì)電流I的關(guān)系.可不做實(shí)驗(yàn)裝置如圖8-6所示,是一種較簡(jiǎn)便,應(yīng)用較廣的鐵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置.由速調(diào)管產(chǎn)生微波信號(hào),經(jīng)隔離器和波長(zhǎng)表后到達(dá)通過式諧振腔.待測(cè)樣品放在腔中微波磁場(chǎng)強(qiáng)度最大為什么處,電磁鐵產(chǎn)生的恒磁場(chǎng)與微波磁場(chǎng)垂直.通過諧振腔輸出的微波信號(hào)經(jīng)晶體檢波器和檢流計(jì)進(jìn)行測(cè)量.只要微波二極管遵循平方律檢波關(guān)系,那么其檢波電流與微波功率成正比,因此檢流計(jì)檢到的電流即檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)的刻度格數(shù)就是通過諧振腔后

8、的相對(duì)微波功率Po1 .實(shí)驗(yàn)前必須熟悉各微波元件的性能及使用方法.注意：傳輸式諧振腔兩端都必須加上帶耦合孔的銅片,接入隔離器時(shí)要注意其方向.2 .在插入待測(cè)鐵磁體小球到諧振腔之后,調(diào)節(jié)微波信號(hào)頻率,使通過諧振腔后的功率輸出最大,即通過式諧振腔處于諧振狀態(tài),且在這過程中觀察輸出功率變化.3 .調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器,使檢流計(jì)G中觀察到輸出最大,然后適中選定衰減器位置作為兄的參考點(diǎn).4 .開啟磁場(chǎng)電源,調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流,進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量P和I關(guān)系,根據(jù)BI關(guān)系,畫出PB關(guān)系曲線求出共振線寬AB,共振磁場(chǎng)B1,旋能比7以及g因子和弛豫時(shí)間ro實(shí)驗(yàn)器材及考前須知實(shí)驗(yàn)器材:鐵磁共振儀、速調(diào)管、示波器、檢流計(jì)、高斯計(jì)等圖

9、86鐵磁共振儀實(shí)驗(yàn)裝置考前須知:數(shù)據(jù)處理處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果:單晶體共振圖片:多晶體共振圖片:B/mT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理:1.實(shí)驗(yàn)公式與結(jié)果多晶體結(jié)果v=8.941MHzB,=317.3mT;%=馱bB0由h11可得：g=2.01；旋磁比7=g上,z=1.77xlOnC/：2mePw=80,=25,Pi=徵=38.1;AB=20.8niT;弛豫時(shí)間t=,一=5.4X10-10s.單晶體結(jié)果v=&944MHzBr320.OinT;v_馱bB0由hh可得：g=2.00；旋磁比7=g上,7=1.76X1011：/Kg；2m.4=87,2=30=徵=5.8;AB=0.8niT;弛像時(shí)間二一=1.42X10

10、-8s.B2.數(shù)據(jù)表格數(shù)據(jù)表格見PDF文件誤差分析:1、頻散效應(yīng)未修正帶來(lái)的影響：2、測(cè)定微波頻率時(shí)的誤差；3、檢波電流表的讀數(shù)誤差；4、高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)引入的誤差；5、測(cè)定電流和磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)關(guān)系時(shí)引入的誤差;思考題與解答:1. 評(píng)述鐵磁共振與微波電子自旋共振、核磁共振之間有什么相同與不同之處2. 測(cè)量磁共振線寬"要保證哪些條件它的物理意義是什么3. 本實(shí)驗(yàn)中傳輸式諧振腔n為什么取偶數(shù)4. 樣品磁導(dǎo)率的和4分別反映什么.5.樣品磁導(dǎo)率的"會(huì)在實(shí)驗(yàn)中造成什么影響6. 本實(shí)驗(yàn)是怎樣測(cè)量磁損耗的7. 如何精確消除頻散效應(yīng)8. 實(shí)驗(yàn)中是如何處理頻散效應(yīng)的9. 實(shí)驗(yàn)中磁損耗是通過什么來(lái)

11、表達(dá)的答：1、 相同點(diǎn)：都是由于原子的自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的塞曼能級(jí)分裂,當(dāng)在與外磁場(chǎng)方向垂直的方向上再加上一個(gè)某一頻率的電磁波,當(dāng)電磁波的能量與塞曼能級(jí)間距相匹配時(shí),就會(huì)發(fā)生物質(zhì)從電磁波吸收能量的共振現(xiàn)象.反響的原理均為hv=gpB.不同點(diǎn)：與外磁場(chǎng)相互作用的原子的自旋磁矩的主要來(lái)源不同.電了自旋共振中原子的自旋磁矩的主要來(lái)源是順磁質(zhì)中未成對(duì)的電子自旋磁矩；核磁共振中原子的自旋磁矩的主要來(lái)源是核自旋磁矩.；鐵磁共振中原子的自旋磁矩的主要來(lái)源是鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩.因此,其主要區(qū)別就在于其共振時(shí)的電磁波的頻率范圍以及靈敏度不同.核磁矩比電子磁矩約小三個(gè)數(shù)量級(jí),故核磁共振的頻率范圍和靈敏度都比電子磁共振的低得多.2、 要保證P-B曲線在共振頻率兩邊根本對(duì)稱.一般"愈窄,磁損耗愈低.回值的大小反映了磁損耗的大小3、 使得微波在諧振腔內(nèi)發(fā)生諧振,從而在檢波電流處得到最小的電流.4、 樣品磁導(dǎo)率的4和分別反映在鐵磁質(zhì)中的磁場(chǎng)貯能以及損耗能.5、會(huì)使諧振腔的諧振頻率發(fā)生偏移,即頻散效應(yīng).的大小還決定了磁場(chǎng)在鐵磁質(zhì)中貯能的大小,越大,貯能越大,損耗能越小,P-B曲線的谷越窄.6、 通過計(jì)算必來(lái)表征磁損耗.7、 要得到準(zhǔn)