FD-ESR-C型微波段電子自旋共振實驗儀使用說明(130724修訂)_pdf

1、儀器使用說明TEACHER'S GUIDEBOOKFD-ESR-C微波段電子自旋共振實驗儀中國.上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific & Educational Instruments Co.,Ltd.FD-ESR-C微波段電子自旋共振實驗儀一、概述電子自旋共振(ElectronSpinResonance)縮寫為ESR，又稱順磁共振(縮寫為EPR,ParamagneticResonance)。它是指處于恒定磁場中的電子自旋磁矩在射頻電磁場作用下發(fā)生的一種磁能級間的共振躍遷現(xiàn)象。這種共振躍遷現(xiàn)象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為

2、零的順磁材料中，稱為電子順磁共振。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)現(xiàn)象十分相似，所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實驗技術(shù)后來也被用來觀測ESR現(xiàn)象。ESR己成功地被應(yīng)用于順磁物質(zhì)的研究,目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。例如發(fā)現(xiàn)過渡族元素的離子、研究半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷、離子晶體的結(jié)構(gòu)、金屬和半導(dǎo)體中電子交換的速度以及導(dǎo)電電子的性質(zhì)等。所以，ESR也是一種重要的近代物理實驗技術(shù)。由上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司生產(chǎn)的 FD-ESR-C型微波段電子自旋共振實驗儀是用來完成微波段電子自旋共振實

3、驗教學(xué)的近代物理實驗儀器，它主要用來測量 DPPH樣品的 ESR吸收譜線，測量 g因子，并分析微波系統(tǒng)的特性。該儀器測量準確、穩(wěn)定可靠、實驗內(nèi)容豐富，可以用于物理高年級學(xué)生專業(yè)實驗以及近代物理實驗。二、儀器簡介FD-ESR-C型微波電子自旋共振實驗儀主要由三部分組成：磁鐵系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、實驗主機系統(tǒng)，如圖 1所示，另外實驗時必須配有雙蹤示波器（選購件）。圖 1 FD-ESR-C型微波段電子自旋共振實驗儀三、技術(shù)指標1短路活塞2樣品管外徑調(diào)節(jié)范圍065mm4.8mm- 1 -3微波頻率計4數(shù)字式高斯計5波導(dǎo)規(guī)格四、實驗項目測量范圍 8.2GHz-12.4GHz分辨率 0.005GHz測量范圍 0

4、-2T分辨率 0.0001TBJ-100(波導(dǎo)內(nèi)尺寸：22.86mm×10.16mm)1.了解和掌握各個微波波導(dǎo)器件的功能和調(diào)節(jié)方法。2.了解電子自旋共振的基本原理，比較電子自旋共振與核磁共振各自的特點。3觀察在微波段電子自旋共振現(xiàn)象，測量DPPH樣品自由基中電子的朗德因子。4.理解諧振腔中 TE10波形成駐波的情況，調(diào)節(jié)樣品腔長，測量不同的共振點，確定波導(dǎo)波長。5.根據(jù)DPPH樣品的譜線寬度，估算樣品的橫向弛豫時間（選做實驗，不做儀器驗收要求）。五、注意事項1磁極間隙在儀器出廠前已經(jīng)調(diào)整好，實驗時最好不要自行調(diào)節(jié)，以免偏離共振磁場過大。2保護好高斯計探頭，避免彎折、擠壓。3勵磁電流

5、要緩慢調(diào)整，同時仔細注意波形變化，才能辨認出共振吸收峰。- 2 -微波段電子自旋共振實驗電子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年，S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它來解釋某種元素的光譜精細結(jié)構(gòu)獲得成功。Stern和Ger1aok也以實驗直接證明了電子自旋磁矩的存在。電子自旋共振(ElectronSpinResonance)縮寫為ESR，又稱順磁共振(縮寫為EPR,ParamagneticResonance)。它是指處于恒定磁場中的電子自旋磁矩在射頻電磁場作用下發(fā)生的一種磁能級間的共振躍遷現(xiàn)象。這種共振躍遷現(xiàn)象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，稱為

6、電子順磁共振。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)現(xiàn)象十分相似，所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實驗技術(shù)后來也被用來觀測ESR現(xiàn)象。ESR己成功地被應(yīng)用于順磁物質(zhì)的研究,目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。例如發(fā)現(xiàn)過渡族元素的離子、研究半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷、離子晶體的結(jié)構(gòu)、金屬和半導(dǎo)體中電子交換的速度以及導(dǎo)電電子的性質(zhì)等。所以，ESR也是一種重要的近代物理實驗技術(shù)。ESR的研究對象是具有不成對電子的物質(zhì)，如(1)具有奇數(shù)個電子的原子，如氫原子；(2)內(nèi)電子殼層未被充滿的離子，如過渡族元素的離子

7、；(3)具有奇數(shù)個電子的分子，如NO； (4)某些雖不含奇數(shù)個電子，但總角動量不為零的分子，如O2；(5)在反應(yīng)過程中或物質(zhì)因受輻射作用產(chǎn)生的自由基；(6)金屬半導(dǎo)體中的未成對電子等等，通過對電子自旋共振波譜的研究，即可得到有關(guān)分子、原子或離子中未偶電子的狀態(tài)及其周圍環(huán)境方面的信息，從而得到有關(guān)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵方面的知識。用電子自旋共振方法研究未成對的電子，可以獲得其它方法不能得到或不能準確得到的數(shù)據(jù)。如電子所在的位置，游離基所占的百分數(shù)等等?！緦嶒?zāi)康摹?.了解和掌握各個微波波導(dǎo)器件的功能和調(diào)節(jié)方法。2.了解電子自旋共振的基本原理，比較電子自旋共振與核磁共振各自的特點。3觀察在微波段電子自

8、旋共振現(xiàn)象，測量DPPH樣品自由基中電子的朗德因子。4.理解諧振腔中 TE10波形成駐波的情況，調(diào)節(jié)樣品腔長，測量不同的共振點，確定波導(dǎo)波長。5.根據(jù)DPPH樣品的譜線寬度，估算樣品的橫向弛豫時間（選做）?！緦嶒炘怼?實驗樣品本實驗測量的標準樣品為含有自由基的有機物 DPPH（Di-phenyl-picryl-Hydrazyl），稱為二苯基- 3 -苦酸基聯(lián)氨，分子式為(C6H5)2 N - NC6H 2(NO2)3，結(jié)構(gòu)式如圖 1所示。圖 1 DPPH的分子結(jié)構(gòu)式它的第二個 N原子少了一個共價鍵，有一個未偶電子，或者說一個未配對的“自由電子”，是一個穩(wěn)定的有機自由基。對于這種自由電子，它只

9、有自旋角動量而沒有軌道角動量?；蛘哒f它的軌道角動量完全猝滅了。所以在實驗中能夠容易地觀察到電子自旋共振現(xiàn)象。由于 DPPH中的“自由電子”并不是完全自由的，其 g因子標準值為 2.0036，標準線寬為 2.7×10 -4 T。2電子自旋共振（ESR）與核磁共振（NMR）的比較。電子自旋共振（ESR）和核磁共振（NMR）分別研究未偶電子和磁性核塞曼能級間的共振躍遷，基本原理和實驗方法上有許多共同之處，如共振與共振條件的經(jīng)典處理，量子力學(xué)描述、弛豫理論及描述宏觀磁化矢量的唯象布洛赫方程等。由于玻爾磁子和核磁子之比等于質(zhì)子質(zhì)量和電子質(zhì)量之比 1836.152710（37）（1986年國際推

10、薦值），因此，在相同磁場下核塞曼能級裂距較電子塞曼能級裂距小三個數(shù)量級。這樣在通常磁場條件下 ESR的頻率范圍落在了電磁波譜的微波段，所以在弱磁場的情況下，可以觀察電子自旋共振現(xiàn)象。根據(jù)玻爾茲曼分布規(guī)律，能級裂距大，上、下能級間粒子數(shù)的差值也大，因此 ESR的靈敏度較NMR高，可以檢測低至10-4mol的樣品，例如半導(dǎo)體中微量的特殊雜質(zhì)。此外，由于電子磁矩較核磁矩大三個數(shù)量級，電子的順磁弛豫相互作用較核弛豫相互作用強很多，縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2一般都很短，因此除自由基外，ESR譜線一般都較寬。ESR只能考察與未偶電子相關(guān)的幾個原子范圍內(nèi)的局部結(jié)構(gòu)信息，對有機化合物的分析遠不如NMR

11、優(yōu)越；但是 ESR能方便的用于研究固體。ESR的最大特點，在于它是檢測物質(zhì)中未偶電子唯一直接的方法，只要材料中有順磁中心，就能夠進行研究。即使樣品中本來不存在未偶電子，也可以用吸附、電解、熱解、高能輻射、氧化還原等化學(xué)反應(yīng)和人工方法產(chǎn)生順磁中心。3電子自旋共振條件由原子物理學(xué)可知，原子中電子的軌道角動量 Pl和自旋角動量 Ps會引起相應(yīng)的軌道磁矩 ml和- 4 -自旋磁矩ms，而 Pl和 Ps的總角動量 P j引起相應(yīng)的電子總磁矩為m j = -g me Pj（1）e式中 me為電子質(zhì)量， e為電子電荷，負號表示電子總磁矩方向與總角動量方向相反， g是一個無量綱的常數(shù)，稱為朗德因子。按照量子理

12、論，電子的 L-S耦合結(jié)果，朗德因子為g =1+ J(J +1) + S(S +1) - L(L +1)2J(J +1)（2）式中 L , S分別為對原子角動量 J有貢獻的各電子所合成的總軌道角動量和自旋角動量量子數(shù)。由上式可見，若原子的磁矩完全由電子自旋所貢獻（L = 0,S = J），則 g = 2，反之，若磁矩完全由電子的軌道磁矩所貢獻（ L = J,S = 0），則 g =1。若兩者都有貢獻，則 g的值在 1與 2之間。因此，g與原子的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過實驗精確測定 g的數(shù)值可以判斷電子運動狀態(tài)的影響，從而有助于了解原子的結(jié)構(gòu)。通常原子磁矩的單位用波爾磁子mB表示，這樣原子中的電子的磁

13、矩可以寫成m j = -g mhB Pj = g Pj（3）式中g(shù)稱為旋磁比g = -g m（4）Bh由量子力學(xué)可知，在外磁場中角動量 Pj和磁矩 m j在空間的取向是量子化的。在外磁場方向（Z軸）的投影Pz = mh（5）（6）m z = g mh式中m為磁量子數(shù)，m = j, j -1,L,- j。當(dāng)原子磁矩不為零的順磁物質(zhì)置于恒定外磁場 B0中時，其相互作用能也是不連續(xù)的，其相應(yīng)的能量為- 5 -E = -m jB0 = -g mhB0 = -mgmBB0（7）不同磁量子數(shù)m所對應(yīng)的狀態(tài)上的電子具有不同的能量。各磁能及是等距分裂的，兩相鄰磁能級之間的能量差為DE = gmBB0 =w0h

14、若在垂直于恒定外磁場 B0方向上加一交變電磁場，其頻率滿足w h = DE（8）（9）當(dāng)w = w0時，電子在相鄰能級間就有躍遷。這種在交變磁場作用下，電子自旋磁矩與外磁場相互作用所產(chǎn)生的能級間的共振吸收（和輻射）現(xiàn)象，稱為電子自旋共振（ESR）。式（9）即為共振條件，可以寫成wg mB0Bh（10）或者f = g mhB0B（11）對于樣品 DPPH來說，朗德因子參考值為 g = 2.0036，將mB，h和 g值帶入上式可得（這里取mB = 5.78838263(52)´10-11MeV ×T -1，h = 4.1356692´10-21MeV ×s）

15、f = 2.8043B0（12）在此 B的單位為高斯（1Gs=10-4T）， f的單位為兆赫茲（MHz），如果實驗時用3cm波段的微波，0頻率為 9370MHz，則共振時相應(yīng)的磁感應(yīng)強度要求達到 3342Gs。共振吸收的另一個必要條件是在平衡狀態(tài)下，低能態(tài)E1的粒子數(shù) N1比高能態(tài) E2的粒子數(shù) N 2多，這樣才能夠顯示出宏觀（總體）共振吸收，因為熱平衡時粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼分布N1N 2æ E2 - E1 ö= expç-÷（13）èkT ø由（13）式可知，因為E2 > E1，顯然有 N1 > N2，即吸收躍遷（E1

16、 ® E2）占優(yōu)勢，然而隨著時- 6 -間推移以及 E2 ® E1過程的充分進行，勢必使 N 2與 N1之差趨于減小，甚至可能反轉(zhuǎn)，于是吸收效應(yīng)會減少甚至停止，但實際并非如此，因為包含大量原子或離子的順磁體系中，自旋磁矩之間隨時都在相互作用而交換能量，同時自旋磁矩又與周圍的其他質(zhì)點（晶格）相互作用而交換能量，這使處在高能態(tài)的電子自旋有機會把它的能量傳遞出去而回到低能態(tài)，這個過程稱為弛豫過程，正是弛豫過程的存在，才能維持著連續(xù)不斷的磁共振吸收效應(yīng)。弛豫過程所需的時間稱為弛豫時間T，理論證明T =1 1（14）2T T21T1稱為“自旋晶格弛豫時間”，也稱為“縱向弛豫時間”，T

17、2稱為“自旋晶格弛豫時間”，也稱為“橫向弛豫時間”。4譜線寬度與光譜線一樣，ESR譜線也有一定的寬度。如果頻寬用dn表示，則dndE /h，相應(yīng)有一個能級差DE的不確定量dE，根據(jù)測不準原理，tdE h，t為能級壽命，于是有dnt1（15）這就意味著粒子在上能級上的壽命的縮短將導(dǎo)致譜線加寬。導(dǎo)致粒子能級壽命縮短的基本原因是自旋晶格相互作用和自旋自旋相互作用。對于大部分自由基來說，起主要作用的是自旋自旋相互作用。這種相互作用包括了未偶電子與相鄰原子核自旋之間以及兩個分子的未偶電子之間的相互作用。因此譜線寬度反映了粒子間相互作用的信息，是電子自旋共振譜的一個重要參數(shù)。用移相器信號作為示波器掃描信號

18、，可以得到如圖 2所示的圖形，測定吸收峰的半高寬DB（或者稱譜線寬度），如果譜線為洛倫茲型，那么有2g DBT2 =（16）其中旋磁比gg m，這樣即可以計算出共振樣品的橫向弛豫時間T2。Bh- 7 -圖 2根據(jù)樣品吸收譜線的半高寬計算橫向弛豫時間5.微波基礎(chǔ)知識與微波器件（1）微波及其傳輸由于微波的波長短，頻率高，它已經(jīng)成為一種電磁輻射，所以傳輸微波就不能用一般的金屬導(dǎo)線。常用的微波傳輸器件有同軸線、波導(dǎo)管、帶狀線和微帶線等，引導(dǎo)電磁波傳播的空心金屬管稱為波導(dǎo)管。常見的波導(dǎo)管有矩形波導(dǎo)管和圓柱形波導(dǎo)管兩種。從電磁場理論知道，在自由空間傳播的電磁波是橫波，簡寫為 TEM波，理論分析表明，在波導(dǎo)

19、中只能存在下列兩種電磁波：TE波，即橫電波，它的電場只有橫向分量而磁場有縱向分量；TM波，即橫磁波，它的磁場只有橫向分量而電場存在縱橫分量，在實際使用中，總是把波導(dǎo)設(shè)計成只能傳輸單一波形。TE10波是矩形波導(dǎo)中最簡單和最常使用的一種波型，也稱為主波型。-zybxa圖 3矩形波導(dǎo)管一般截面為a´b的、均勻的、無限長的矩形波導(dǎo)如圖 3所示，管壁為理想導(dǎo)體，管內(nèi)充以介電常數(shù)為e，磁導(dǎo)率為m的介質(zhì)，則沿 z方向傳播的TE10波的各分量為Ey = E0 sin pax ei(wt-bz)（17）H x = - b×E 0sinp × x ei(wt-bz)（18）wma-

20、8 -pp × x ei(wt-bz)H z = iwma ×E cos（19）（20）0aEx = Ez = H y = 0其中w = b / me為電磁波的角頻率， b = 2p /lg稱為相位常數(shù)，llg =（21）1- (l /lc)2lg稱為波導(dǎo)波長， lc = 2a為截止或臨界波長（對微波電子自旋共振實驗系統(tǒng)中 a = 22.86mm，b =10.16mm），l = c / f為電磁波在自由空間的波長。TE10波具有下列特性：a）存在一個截止波長lc，只有波長l < lc的電磁波才能在波導(dǎo)管中傳播。b）波長為l的電磁波在波導(dǎo)中傳播時，波長變?yōu)閘g <

21、 lc。c）電場矢量垂直于波導(dǎo)寬壁（只有Ey），沿 x方向兩邊為 0，中間最強，沿 y方向是均勻的。磁場矢量在波導(dǎo)寬壁的平面內(nèi)（只有 H x、 H z），TE10的含義是 TE表示電場只有橫向分量。1表示場沿寬邊方向有一個最大值，0表示場沿窄邊方向沒有變化（例如TEmn，表示場沿寬邊和窄邊分別有m和n個最大值）。實際使用時，波導(dǎo)不是無限長的，它的終端一般接有負載，當(dāng)入射電磁波沒有被負載全部吸收時，波導(dǎo)中就存在反射波而形成駐波，為此引入反射系數(shù)G和駐波比 r來描述這種狀態(tài)。G = E（22）（23）= GeijrEir = EmaxEminEr、Ei分別是某橫截面處電場反射波和電場入射波，j是它

22、們之間的相位差。Emax和Emin波導(dǎo)中駐波電場最大值和最小值。 r和G的關(guān)系為分別是- 9 -r = 1+ G1- G（24）當(dāng)微波功率全部被負載吸收而沒有反射時，此狀態(tài)稱為匹配狀態(tài)，此時 G = 0， r =1，波導(dǎo)內(nèi)是行波狀態(tài)。當(dāng)終端為理想導(dǎo)體時，形成全反射，則 G =1，r = ¥，稱為全駐波狀態(tài)。當(dāng)終端為任意負載時，有部分反射，此時為行駐波狀態(tài)（混波狀態(tài)）。（2）微波器件1）固態(tài)微波信號源教學(xué)儀器中常用的微波振蕩器有兩種，一種是反射式速調(diào)管振蕩器，另外一種是耿式（Gunn）二極管振蕩器，也稱為體效應(yīng)二極管振蕩器，或者稱為固態(tài)源。耿式二極管振蕩器的核心是耿式二極管。耿式二極管

23、主要是基于 n型砷化鎵的導(dǎo)帶雙谷高能谷和低能谷結(jié)構(gòu)。1963年耿式在實驗中觀察到，在 n型砷化鎵樣品的兩端加上直流電壓，當(dāng)電壓較小時樣品電流隨電壓的增高而增大；當(dāng)電壓超過某一臨界值 Vth后，隨著電壓的增高電流反而減小，這種隨著電場的增加電流下降的現(xiàn)象稱為負阻效應(yīng)，電壓繼續(xù)增大（V >Vb），則電流趨向于飽和，如圖 4所示，這說明 n型砷化鎵樣品具有負阻特性。圖 4耿式二極管的電流電壓特性砷化鎵的負阻特性可以用半導(dǎo)體能帶理論解釋，如圖 5所示，砷化鎵是一種多能谷材料，其中具有最低能量的主谷和能量較高的臨近子谷具有不同的性質(zhì)，當(dāng)電子處于主谷時有效質(zhì)量m*較小，則遷移率m較高；當(dāng)電子處于子谷

24、時有效質(zhì)量m較大，則遷移率m*較低。在常溫且無外加磁場時，大部分電子處于電子遷移率高而有效質(zhì)量低的主谷，隨著外加磁場的增大，電子平均漂移速度也增- 10 -大；當(dāng)外加電場大到足夠使主谷的電子能量增加至 0.36eV時，部分電子轉(zhuǎn)移到子谷，在那里遷移率低而有效質(zhì)量較大，其結(jié)果是隨著外加電壓的增大，電子的平均漂移速度反而減小。圖 5砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)圖 6耿式管中疇的形成、傳播和消失過程圖 6所示為一耿式二極管示意圖。在管兩端加電壓，當(dāng)管內(nèi)電場E略大于ET（ ET為負阻效應(yīng)起始電場強度）時，由于管內(nèi)局部電量的不均勻漲落（通常在陰極附近），在陰極端開始生成電荷的偶極疇，偶極疇的形成使疇內(nèi)電場增大而使疇

25、外電場下降，從而進一步使疇內(nèi)的電子轉(zhuǎn)入高能谷，直至疇內(nèi)電子全部進入高能谷，疇不再長大。此后，偶極疇在外電場作用下以飽和漂移速度向陽極移動直至消失。而后整個電場重新上升，再次重復(fù)相同的過程，周而復(fù)始的產(chǎn)生疇的建立、移動和消失，構(gòu)成電流的周期性振蕩，形成一連串很窄的電流，這就是耿式二極管道振蕩原理。耿式二極管的工作頻率主要由偶極疇的渡越時間決定，實際應(yīng)用中，一般將耿式二極管裝在金屬諧振腔中做成振蕩器，通過改變腔體內(nèi)的機械調(diào)諧裝置可以在一定范圍內(nèi)改變耿式二極管的工作頻率。2）隔離器隔離器是一種不可逆的衰減器，在正方向（或者需要傳輸?shù)姆较蛏希┧乃p量很小，約 0.1dB左右，反方向的衰減量則很大，達

26、到幾十 dB，；兩個方向的衰減量之比為隔離度。若在微波源后面加隔離器，它對輸出功率的衰減量很小，但對于負載反射回來的反射波衰減量很大。這樣，可以避免因負載變化使微波源的頻率及輸出功率發(fā)生變化，即在微波源和負載之間起到隔離的作用。3）環(huán)行器環(huán)行器是一種多端口定向傳輸電磁波的微波器件，其中使用最多的是三端口和四端口環(huán)形器。以下以三端口結(jié)型波導(dǎo)環(huán)行器為例來說明其特性。- 11 -312圖 7環(huán)行器結(jié)構(gòu)由于三個分支波導(dǎo)交于一個微波結(jié)上，所以稱為“結(jié)”型。這里分支傳輸線為波導(dǎo)，但也可以由同軸線或微帶線等構(gòu)成。該環(huán)形器內(nèi)裝有一個圓柱形鐵氧體柱，為了使電磁波產(chǎn)生場移效應(yīng)，通常在鐵氧體柱上沿軸向施加恒磁場，根

27、據(jù)場移效應(yīng)原理，被磁化的鐵氧體將對通過的電磁波產(chǎn)生場移，如圖 7所示，當(dāng)電磁波由臂 1饋入時，由于場移效應(yīng)，它將向臂 2方向，同樣道理由臂 2饋入的電磁波也只向臂 3方向偏移而不饋入臂 1，依此類推，該環(huán)行器將具有向右定向傳輸?shù)奶匦?。鐵氧體環(huán)行器經(jīng)常應(yīng)用于微波源與微波腔體之間，特別是在反應(yīng)環(huán)境十分惡劣的情況下能夠保護發(fā)生電源與磁控管的安全。4）晶體檢波器微波檢波系統(tǒng)采用半導(dǎo)體點接觸二極管（又稱微波二極管），外殼為高頻鋁瓷管，如圖 8所示，晶體檢波器就是一段波導(dǎo)和裝在其中的微波二極管，將微波二極管插入波導(dǎo)寬臂中，使它對波導(dǎo)兩寬臂間的感應(yīng)電壓（與該處的電場強度成正比）進行檢波。金屬金屬絲半導(dǎo)體瓷殼

28、金屬圖 8晶體檢波器結(jié)構(gòu)- 12 -5）雙 T調(diào)配器調(diào)配器是用來使它后面的微波部件調(diào)成匹配，匹配就是使微波能夠完全進入而一點也不能反射回來。微波段電子自旋共振使用的是雙 T調(diào)配器，其結(jié)構(gòu)如圖 9所示，圖 9雙 T接頭調(diào)配器它是由雙 T接頭構(gòu)成，在接頭的 H臂和 E臂內(nèi)各接有可以活動的短路活塞，改變短路活塞在臂中的位置，便可以使得系統(tǒng)匹配。由于這種匹配器不妨害系統(tǒng)的功率傳輸和結(jié)構(gòu)上具有某些機械的對稱性，因此具有以下優(yōu)點：a)可以使用在高功率傳輸系統(tǒng)，尤其是在毫米波波段；b）有較寬的頻帶；c)有很寬的駐波匹配范圍。雙 T調(diào)配器調(diào)節(jié)方法：在駐波不太大的情況下，先調(diào)諧 E臂活塞，使駐波減至最小，然后再

29、調(diào)諧 H臂活塞，就可以得到近似的匹配（駐波比 s<1.10），如果駐波較大，則需要反復(fù)調(diào)諧 E臂和 H臂活塞，才能使駐波比降低到很小的程度（駐波比 s<1.02）。6）頻率計教學(xué)實驗儀器中使用較多的是“吸收式”諧振頻率計，諧振式頻率計包含一個裝有調(diào)諧柱塞的圓柱形空腔，腔外有 GHz的數(shù)字讀出器，空腔通過隙孔耦合到一段直波導(dǎo)管上，諧振式頻率計的腔體通過耦合元件與待測微波信號的傳輸波導(dǎo)相連接，形成波導(dǎo)的分支，當(dāng)頻率計的腔體失諧時，腔里的電磁場極為微弱，此時它不吸收微波功率，也基本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸，響應(yīng)的系統(tǒng)終端輸出端的信號檢測器上所指示的為一恒定大小的信號輸出，測量頻率時，調(diào)節(jié)頻

30、率計上的調(diào)諧機構(gòu)，將腔體調(diào)節(jié)至諧振，此時波導(dǎo)中的電磁場就有部分功率進入腔內(nèi),使得到達終端信號檢測器的微波功率明顯減少,只要讀出對應(yīng)系統(tǒng)輸出為最小值時調(diào)諧機構(gòu)上的讀數(shù),就得到所測量的微波頻率。- 13 -7）扭波導(dǎo)改變波導(dǎo)中電磁波的偏振方向（對電磁波無衰減），主要作用便于機械安裝（因為磁鐵產(chǎn)生磁場方向為水平方向，而磁鐵產(chǎn)生磁場必須垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，而前面的微波源、雙 T調(diào)配器以及頻率計的寬邊均為水平方向）。8）矩形諧振腔矩形諧振腔是由一段矩形波導(dǎo)，一端用金屬片封閉而成，封閉片上開一小孔，讓微波功率進入，另一端接短路活塞，組成反射式諧振腔，腔內(nèi)的電磁波形成駐波，因此諧振腔內(nèi)各點電場和磁場的振幅

31、有一定的分布，實驗時被測樣品放在交變磁場最大處，而穩(wěn)恒磁場垂至于波導(dǎo)寬邊（這也是前面介紹的扭波導(dǎo)的作用體現(xiàn)，因為穩(wěn)恒磁場處于水平方向比較容易），這樣可以保證穩(wěn)恒磁場和交變磁場互相垂直。9）短路活塞短路活塞是接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂微波元件，如圖10所示，它接在終端對入射微波功率幾乎全部反射而不吸收，從而在傳輸系統(tǒng)中形成純駐波狀態(tài)。它是一個可移動金屬短路面的矩形波導(dǎo)，也可稱可變短路器。其短路面的位置可通過螺旋來調(diào)節(jié)并可直接讀數(shù)。在微波段電子自旋共振實驗系統(tǒng)中短路活塞與矩形諧振腔組成一個可調(diào)式的矩形諧振腔。80900102020103004050 6070可變短路活塞圖10短路活塞裝置圖整套微波系統(tǒng)

32、安裝完整后如圖11所示，從左至右依次為微波源、隔離器、環(huán)行器（另一邊有檢波器）、雙T調(diào)配器、頻率計、扭波導(dǎo)、諧振腔、短路活塞。- 14 -圖11微波段電子自旋共振微波系統(tǒng)完整安裝裝置圖【實驗儀器】微波電子自旋共振實驗裝置主要由四部分組成：磁鐵系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、實驗主機系統(tǒng)以及雙蹤示波器。圖 12 FD-ESR-C型微波段電子自旋共振實驗儀實驗裝置【實驗過程】1將實驗主機與微波系統(tǒng)、電磁鐵以及示波器連接，具體方法為：高斯計探頭與實驗主機上的五芯航空座相連，并將探頭固定在諧振腔磁場空隙處（與樣品位置重合或平行），用同軸線將主機“DC12V”輸出與微波源相連，用兩根帶紅黑手槍插頭連接線將勵磁電源與電磁

33、鐵相連，用Q9線將主機“掃面電源”與磁鐵掃描線圈相連，用Q9線將檢波器與示波器相連，開啟實驗主機和示波器的電源,預(yù)熱20分鐘。2調(diào)節(jié)主機“電磁鐵勵磁電源”調(diào)節(jié)電位器，改變勵磁電流，觀察數(shù)字式高斯計表頭讀數(shù)，如果隨著勵磁電流（表頭顯示為電壓，因為線圈發(fā)熱很小，電壓與勵磁電流成線性關(guān)系）增加，高斯計讀數(shù)增大說明勵磁線圈產(chǎn)生磁場與永磁鐵產(chǎn)生磁場方向一致，反之，則兩者方向相反，此時只要將紅黑插頭交換一下即可，由小至大改變勵磁電流，記錄電壓讀數(shù)與高斯計讀數(shù)，做電壓磁感應(yīng)強度關(guān)系圖，找出關(guān)系式，在后面的測量中可以不用高斯計，而通過擬合關(guān)系式計算得出中心磁感應(yīng)強度數(shù)值。- 15 -3取下高斯計探頭并放入樣品

34、，調(diào)節(jié)雙T調(diào)配器的兩臂上的短路活塞，觀察示波器上信號線是否有跳動，如果有跳動說明微波系統(tǒng)工作，如無跳動，檢查12V電源是否正常。調(diào)節(jié)勵磁電源使共振磁場在3300高斯左右（因為微波頻率在9.36GHz左右，根據(jù)共振條件，此時的共振磁場大約在3338高斯左右），調(diào)節(jié)短路活塞，觀察示波器是否有共振吸收信號出現(xiàn)，調(diào)節(jié)到一定位置出現(xiàn)吸收信號時，再調(diào)節(jié)雙T調(diào)配器使信號最大，如圖13中b圖左側(cè)所示,此時再細調(diào)勵磁電源，使信號均勻出現(xiàn)，如圖13中c圖左側(cè)所示。圖13中右側(cè)圖為通過移相器觀察到的吸收信號的李薩如圖。圖13示波器觀察電子自旋共振信號4調(diào)節(jié)出穩(wěn)定、均勻的共振吸收信號后，用前面計算得出的擬合公式計算此

35、時的共振磁場磁感應(yīng)強度 B，或者通過高斯計探頭直接測量此時磁隙中心的磁感應(yīng)強度B，旋轉(zhuǎn)頻率計，觀察示波器上的信號是否跳動，如果跳動，記下此時的微波頻率 f ,根據(jù)公式（11），計算DPPH樣品的 g因子。lg5調(diào)節(jié)短路活塞，使諧振腔的長度等于半個波導(dǎo)波長的整數(shù)倍（l = P），諧振腔諧振，可以2觀測到穩(wěn)定的共振信號，微波段電子自旋共振實驗系統(tǒng)可以找出三個諧振點位置： L1、 L2、 L3，lg= 1 é(L3 - L2) + 12 (L3 - L ) ,計算波導(dǎo)波長，然后根據(jù)公式（21）計算微波的波ùû按照式子：êú122 ë長。6選

36、做實驗：直接法測量共振吸收信號。方法為將檢波器輸出信號接入萬用表，由小至大改變磁場強度，記錄對應(yīng)的檢波器輸出信號幅度大小，在共振點時可以觀察到輸出信號幅度突然減小，描點作圖可以找出共振磁場的大小，并對共振吸收信號有一個直觀的認識。7選做實驗：根據(jù)DPPH譜線寬度估算其橫向弛豫時間T2。- 16 -【實驗數(shù)據(jù)】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗收標準，僅供實驗時參考）1）測量磁場與勵磁電源電壓的關(guān)系測量數(shù)據(jù)如下：U(V)B(Gs)U(V)B(Gs)U(V)B(Gs)作圖得到：0.4033052.0033493.6033930.6033102.2033543.8033980.8033162.4033604.0034041.0033212.6033654.2034091.2033262.8033714.4034141.4033323.0033774.6034201.6033373.2033824.8034251.8033433.4033885.00343134403420340033803360