電子自旋共振波譜儀ESR

電子自旋共振波譜儀（ESR）MiniScopeMT400一、背景介紹二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟六、注意事項(xiàng)七、思考題提綱一、背景介紹－－概念磁共振是指的原子或原子核在作用下對(duì)1能的現(xiàn)象,包括核磁共振、順磁共振、光磁共振、鐵磁共振。如果磁共振是由物質(zhì)原子中的電子自旋磁矩引起的，則稱電子自旋共振（ESR）,也稱為電子順磁共振(EPR)

。磁矩不為零穩(wěn)恒磁場(chǎng)電磁輻射共振吸收1924泡利（WolfgangPauli）在研究光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)提出電子具有自旋磁矩的設(shè)想。一、背景介紹－－歷史WolfgangPauli(1900-1958)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1945年)

YevgenyZavoisky(1917-1976)1944年前蘇聯(lián)的扎沃依斯基首次觀察到電子順磁共振現(xiàn)象。隨后電子順磁共振逐步被用于科學(xué)研究。一、背景介紹－－歷史電子自旋共振研究的對(duì)象是具有未偶（未配對(duì)）電子的物質(zhì)，如具有奇數(shù)個(gè)電子的原子、分子以及內(nèi)電子殼層未被充滿的離子，受輻射作用產(chǎn)生的自由基及半導(dǎo)體、金屬等。通過(guò)共振譜線的研究，可以獲得有關(guān)分子、原子及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)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息，故電子自旋共振是一種重要的近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。一、背景介紹－－應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娮禹槾殴舱竦脑?。掌握FD-ESR-II型電子順磁共振譜儀的調(diào)節(jié)和使用方法。利用電子順磁共振譜儀測(cè)量DPPH的g因子。三、實(shí)驗(yàn)原理電子的自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自旋磁矩。自旋磁矩與自旋角動(dòng)量之間的關(guān)系為：：旋磁比：朗德因子。：電子自旋角動(dòng)量μB

：玻爾磁子，當(dāng)電子磁矩μ處于外恒定磁場(chǎng)B（假設(shè)沿Z軸）中時(shí)，電子磁矩與外磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，相互作用能為：：磁量子數(shù)，對(duì)于自由電子，m取1/2、-1/2。可見(jiàn)，外磁場(chǎng)導(dǎo)致原來(lái)簡(jiǎn)并的原子態(tài)發(fā)生塞曼能級(jí)分裂，相鄰能級(jí)能量間隔為。磁矩在磁場(chǎng)中的塞曼能級(jí)分裂相鄰能級(jí)能量間隔與外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。此時(shí)若沿垂直磁場(chǎng)方向施加一交變的磁場(chǎng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)的能量子時(shí)，原子在相鄰塞曼能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷，對(duì)入射的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，此即為電子自旋共振。通過(guò)測(cè)量共振頻率ω和對(duì)應(yīng)的外磁場(chǎng)B，可計(jì)算原子的g因子：

原子磁矩完全由電子自旋磁矩貢獻(xiàn)：g=2原子磁矩完全由電子的軌道磁矩所貢獻(xiàn)：g=1由原子物理可知：通過(guò)g因子的測(cè)量可以判斷電子運(yùn)動(dòng)的情況，進(jìn)而可以得知關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的信息。實(shí)現(xiàn)共振的方法微波源頻率固定(9.37GHz)，連續(xù)改變外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)滿足共振條件時(shí)發(fā)生電子自旋共振。為滿足共振條件可采用兩種方法：掃場(chǎng)法、掃頻法，本實(shí)驗(yàn)采用掃場(chǎng)法。9.37G微波輻射掃場(chǎng)法檢測(cè)共振信號(hào)

通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈的直流電流，改變恒定磁場(chǎng)的大小，當(dāng)恒定磁場(chǎng)B0＝2ν/γ時(shí)，共振吸收信號(hào)等間距排列。此時(shí)對(duì)應(yīng)的恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度即為共振條件方程中所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。利用特斯拉計(jì)測(cè)量該磁感應(yīng)強(qiáng)度代入共振方程可得g因子的值。B=B0+B’sinωtttBBVV20ms20ms10msB0掃場(chǎng)法測(cè)g因子ΔBESR和NMR的區(qū)別：[1].ESR

是研究電子磁矩與外磁場(chǎng)的相互作用，即通常認(rèn)為的電子塞曼效應(yīng)引起的，而NMR

是研究核磁矩在外磁場(chǎng)中核塞曼能級(jí)間的躍遷。換言之，ESR和NMR是分別研究電子磁矩和核磁矩在外磁場(chǎng)中重新取向所需的能量。[2].ESR

的共振頻率在微波波段。（9.37GHz）

NMR

的共振頻率在射頻波段。（～23MHz）[3].ESR的靈敏度比NMR的靈敏度高，ESR檢出所需自由基的絕對(duì)濃度約在10-8M數(shù)量級(jí)。DPPH分子結(jié)構(gòu)圖本實(shí)驗(yàn)采用的樣品為DPPH（二苯基苦酸基聯(lián)氨），它的第二個(gè)氮原子上存在一個(gè)未成對(duì)的電子，我們觀察到的共振信號(hào)就是源于這類電子。實(shí)驗(yàn)樣品四、實(shí)驗(yàn)儀器FD-ESR-II電子順磁共振儀構(gòu)成圖電磁鐵掃描線圈164325繼續(xù)1、微波源：體效應(yīng)管變?nèi)荻O管電源輸入端+12V頻率調(diào)節(jié)微波源由體效應(yīng)管、變?nèi)荻O管、頻率調(diào)節(jié)組成。用于輸出頻率為9.37GHz的微波。2、隔離器：特點(diǎn)：具有單向傳輸功能，減少反射波對(duì)微波源的干擾。

1輸入，2輸出基本無(wú)衰減

2輸入，1輸出有極大的衰減123、環(huán)形器

環(huán)形器具有定向傳輸功能。1輸入，2輸出無(wú)衰減，3輸出衰減>30db2輸入，3輸出無(wú)衰減，1輸出衰減>30db3輸入，1輸出無(wú)衰減，2輸出衰減>30db1324、晶體檢波器

測(cè)量時(shí)要反復(fù)調(diào)節(jié)波導(dǎo)終端的短路活塞的位置以及輸入前端三個(gè)螺釘?shù)拇┥於?，使檢波電流達(dá)到最大值，以獲得較高的測(cè)量靈敏度。金屬金屬絲半導(dǎo)體瓷殼金屬檢波晶體上的電壓V與微波中的電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。為獲得最大的檢波信號(hào)輸出，調(diào)節(jié)短路活塞位置，使它與晶體的距離約為λ/4,使晶體處于電場(chǎng)最大（駐波波腹）處。檢波晶體管結(jié)構(gòu)圖5、阻抗調(diào)配器

它的主要作用是改變微波系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)。在本實(shí)驗(yàn)中主要作用是觀察吸收、色散信號(hào)。吸收曲線色散曲線6、諧振腔：諧振腔耦合膜片可變短路調(diào)節(jié)器

樣品通過(guò)調(diào)節(jié)可變短路調(diào)節(jié)器的位置，使微波在諧振腔內(nèi)形成駐波，得到最強(qiáng)的電子順磁共振信號(hào)。電子順磁共振儀電源直流調(diào)節(jié)掃描調(diào)節(jié)掃頻開(kāi)關(guān)X軸幅度X軸相位直流輸出+-掃描輸出X-out信號(hào)inoutonoff電子順磁共振儀前面板直流輸出：此輸出端將會(huì)輸出0－600mA的電流，通過(guò)直流調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變輸出電流的大小，使用時(shí)連接到一組線圈的接線柱上。掃描輸出：此輸出端將會(huì)輸出0－1000mA的交流電流，其大小由掃描調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變，使用時(shí)連接到一組線圈的接線柱上。掃頻開(kāi)關(guān)：用來(lái)改變掃描信號(hào)的頻率IN與OUT：此兩個(gè)接頭是一組放大器的輸入和輸出端，放大倍數(shù)為10倍，IN端為放大器的輸入端，OUT端為放大器的輸出端X-out：此輸出端為一組正玄波的輸出端，X軸幅度為正玄波的幅度調(diào)節(jié)電位器，X軸相位為正玄波的相位調(diào)節(jié)電位器各部分的功能五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟儀器調(diào)節(jié)將微波源上的連接線連到主機(jī)后面板上的5芯插座上將微波源與隔離器相接（按箭頭方向連接）將隔離器的另一端與環(huán)型器中的（I）端相連將扭波導(dǎo)與環(huán)型器中的（II）端相接將環(huán)型器中的（III）端與檢波器相接將扭波導(dǎo)的另一端與直波導(dǎo)的一端連接將直波導(dǎo)的另一端與短路活塞相接微波系統(tǒng)的連接：1－微波源2－隔離器3－環(huán)型器4

－扭波導(dǎo)5－直波導(dǎo)6—樣品7—短路活塞8—檢波器微波系統(tǒng)裝配圖連線方法：通過(guò)連接線將主機(jī)上的掃描輸出端接到磁鐵的一端將主機(jī)上的直流輸出端連接在磁鐵的另一端通過(guò)Q9連接線將檢波器的輸出連到示波器上將微波源與主機(jī)相連直流輸出掃描輸出CH2示波器微波源檢波器主機(jī)電磁鐵微波電源系統(tǒng)連線圖DPPH順磁共振譜線的觀測(cè)1、將裝有DPPH樣品的試管放入微波系統(tǒng)的樣品插孔中；2、按照系統(tǒng)電路連接圖連接系統(tǒng)個(gè)組成部分之間的通信電纜和電源線。7、將主機(jī)的X-out利用Q9連接線連接至示波器的CH1通道，將示波器的X－Y按鈕按下，即可觀察到里薩如圖形，調(diào)節(jié)主機(jī)的X軸幅度和X軸相位旋鈕以及阻抗調(diào)配器的旋鈕，觀察圖形的變化。3、打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)短路活塞，直流輸出，調(diào)出共振吸收波形。4、調(diào)節(jié)直流調(diào)節(jié)電位器，使得共振吸收信號(hào)等間距。

5、然后調(diào)節(jié)阻抗調(diào)配器上的旋鈕觀察吸收波形和色散波形。6、用特斯拉計(jì)測(cè)定磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度B，反復(fù)測(cè)量三次取平均值，根據(jù)共振頻率ω和B計(jì)算DPPH的g因子。在用特斯拉計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)之間先將其調(diào)零。利用計(jì)算機(jī)記錄DPPH的吸收曲線7、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完后，可對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及圖形進(jìn)行保存或打印。1、檢波器的輸出接到示波器上；2、連接在主機(jī)掃描輸出上的信號(hào)線換到鎖相放大器上的電流輸出端；3、鎖相放大器上的調(diào)制輸出接在高頻線圈（在諧振腔的兩側(cè)）的輸入端；4、調(diào)節(jié)鎖相放大器上調(diào)制幅度為最大，輸入/手調(diào)開(kāi)關(guān)打在手調(diào)上，通過(guò)改變主機(jī)上的直流輸出的大小，觀察示波器，可以看到幅度為1-2mV左右的正弦波；5、在示波器上出現(xiàn)正弦波后，將此信號(hào)送到鎖相放大器上的IN端把靈敏度開(kāi)關(guān)打到最靈敏檔（5mV）上,把積分時(shí)間開(kāi)關(guān)打在最短時(shí)間（10ms）上，指針擺動(dòng)的幅度最大，積分時(shí)間最短，信號(hào)看的最明顯；6、將鎖相放大器上的輸入/手調(diào)開(kāi)關(guān)打在輸入上，點(diǎn)擊軟件上的運(yùn)行按鈕，即可看出實(shí)驗(yàn)采樣到的數(shù)據(jù)與圖形。直流輸出掃描輸出微波源檢波器主機(jī)電磁鐵鎖相放大器調(diào)制輸出電流輸出IN微波電源系統(tǒng)連線圖吸收曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一次微分信號(hào)）六、注意事項(xiàng)由于儀器的樣品是使用玻璃管封裝，故在放置樣品的時(shí)候，要謹(jǐn)防玻璃管折斷后破碎。本實(shí)驗(yàn)在操作的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照說(shuō)明書(shū)上說(shuō)明的操作步驟去做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的每一步都需要細(xì)心地完成。樣品位置和腔長(zhǎng)調(diào)整不要用力過(guò)大、過(guò)猛，防止損壞。保護(hù)特斯拉計(jì)的探頭防止擠壓磕碰，用后不要拔下探頭。實(shí)驗(yàn)完畢后，應(yīng)將儀器上所有電位器都旋到零位，以防止下次開(kāi)機(jī)時(shí)的沖擊電流將電位器損壞。七、思考題從理論上講，產(chǎn)生磁共振需要加哪幾個(gè)磁場(chǎng)，它們的作用是什么？順磁共振信號(hào)的強(qiáng)度受哪些因素影響，如何提高信號(hào)強(qiáng)度？本實(shí)驗(yàn)為何采用微波波