微波段電子自旋共振實驗-文庫吧在線文庫
【正文】 當原子磁矩不為零的順磁物質(zhì)置于恒定外磁場中時，其相互作用能也是不連續(xù)的，其相應(yīng)的能量為 （7）不同磁量子數(shù)所對應(yīng)的狀態(tài)上的電子具有不同的能量。導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。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，在波導中只能存在下列兩種電磁波：波，即橫電波，它的電場只有橫向分量而磁場有縱向分量；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，總是把波導設(shè)計成只能傳輸單一波形。 實際使用時，波導不是無限長的，它的終端一般接有負載，當入射電磁波沒有被負載全部吸收時，波導中就存在反射波而形成駐波，為此引入反射系數(shù)和駐波比來描述這種狀態(tài)。耿式二極管主要是基于n型砷化鎵的導帶雙谷——高能谷和低能谷結(jié)構(gòu)。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。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8所示，當電磁波由臂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)奶匦浴?）扭波導改變波導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）。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遺下即可，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。7．選作實驗：根據(jù)DPPH譜線寬度估算其橫向弛豫時間。測量得出三個共振點：＝＿＿＿＿mm,=＿＿＿＿mm,=＿＿＿＿mm按照式子：，計算得出波導波長λ（mm）。示波器設(shè)置5mV檔，掃描時間5ms，調(diào)節(jié)磁電源電壓及微波頻率，測算共振共振磁場及其對應(yīng)的微波頻率值。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時的共振磁場磁感應(yīng)強度，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，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,根據(jù)公式（11），計算DPPH樣品的因子。其短路面的位置可通過螺旋來調(diào)節(jié)并可直接讀數(shù)。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10所示，圖10 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。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。圖6 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 圖7 耿式管中疇的形成、傳播和消失過程圖7所示為一耿式二極管示意圖。當終端為理想導體時，形成全反射，則，稱為全駐波狀態(tài)。b）波長為的電磁波在波導中傳播時，波長變?yōu)?。用移相器信號作為示波器掃描信號，可以得到如圖3所示的圖形，測定吸收峰的半高寬（或者稱譜線寬度），如果譜線為洛倫茲型，那么有 （16）其中旋磁比，這樣即可以計算出共振樣品的橫向弛豫時間。共振吸收的另一個必要條件是在平衡狀態(tài)下，低能態(tài)的粒子數(shù)比高能態(tài)的粒子數(shù)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 （13）由（13）式可知，因為，顯然有，即吸收躍遷（）占優(yōu)勢，然而隨著時間推移以及過程的充分進行，勢必使與之差趨于減小，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
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