微波铁磁共振

1、中国石油大学近代物理实验实验报告成 绩：班级： 应物09-5 姓名： 郭启凯 同组者： 王建飞 教师：周丽霞微波铁磁共振铁磁共振是指铁磁介质的电子自旋共振，观察的对象是铁磁介质中的未成对电子。它利用磁性物质从微波磁场中吸收能量的现象，与核磁共振、顺磁共振一样在磁学和固体物理学研究中占有重要地位。通过铁磁共振能测量铁磁介质的共振线宽、张量磁化率、饱和磁化强度、居里点等重要参数。【实验目的】1了解铁磁共振的基本原理和实验方法，观测铁磁共振现象；2掌握用谐振腔法测量共振线宽及朗德因子；3了解微波基本知识，了解有关的微波测量技术。【实验原理】1、微波铁磁共振的基本原理由磁学理论可知，物质的铁磁性主要来

2、源于原子或离子在未满壳层中存在的未成对电子 自旋磁矩。一块宏观的铁磁体包括许多磁畴，在每一个磁畴中，自旋磁矩平行排列产生自发磁化，但各个磁畴之间的取向并不完全一致，只有在外加磁场B的作用下，铁磁体内部的所有自旋磁矩才趋向同一方向， 并围绕着外磁场方向作进动， 这时的总磁矩或磁化强度可用 M 表示。其进动方程和进动频率可分别写为：迥二一 (M B)dtj(1)co = ；B式中g为旋磁比，g为电子的朗德因子，理论上 g = 2。2me上述情况未考虑阻尼作用。在外加恒磁场B作用下，磁图1磁化强度矢量绕外磁 场的进动矩M绕B进动不会很久，因为铁磁物质的自旋磁矩与晶格或 邻近的磁矩存在着耦合作用，即与

3、周围环境之间存在着能量 的交换。由于铁磁介质内部有损耗存在，使磁化强度矢量M的进动受到阻力，绕着外磁场 B进动的幅角 会逐渐减小。则 M最终趋近磁场方向，这个过程就是磁化过程，磁性介质所 以能被磁化，就说明其内部有损耗，如果要维持其进动，必 须另外提供能量。因此一般来说外加磁场由两部分组成：一 是外加恒磁场B,二是交变磁场Hm (即微波磁场)。 此时铁 磁物质从微波磁场吸收的全部能量恰好补充铁磁样品所损 耗的能量。这正是铁磁共振可以用来研究铁磁材料的宏观性 能和微观机制之间关系的物理基础。当外加微波磁场Hm的角频率匸0与磁化强度矢量M进动的角频率祀相等时，铁磁物质吸收外界微波的能量用以克服阻尼

4、并维持进动，这就发生了共振吸收现象。由（1）式可知，发生铁磁共振时的恒磁场B。与微波角频率应0满足从量子力学观点看来，当电磁场的量子？ g刚好等于系统M的两个相邻塞曼能级间的 能量差CE时，就会发生共振现象。此时UE = 0 = Bo = gBo或 = BeA其中，耳9.274 10J T二,为波尔磁子。2me2、磁性材料的磁导率和铁磁共振线宽磁学中通常用磁导率 来表示磁性材料被磁化的难易程度。在恒定磁场下，可用实数表示；在交变磁场下，要用复数表示： - - 其中实部为铁磁介质在恒定磁场中的磁导率,它决定磁性材料中储存的磁能，虚部反映交变磁场时磁性材料的磁能损耗。当发生铁磁共振时，铁磁体会出现

5、一个最大的磁能损耗，磁导率的虚部 ”与恒定磁场B的关系曲线上出现共振峰，如图 2所示。-的最大值7对应的磁场Bo称为共振磁场。1/2两点对应图2铁磁共振曲线般AB越窄，磁能损耗越低。分重要的。的磁场间隔（B2- Bi）称为铁磁共振线宽 AB。AB是 铁磁材料的一个重要参量，它的大小标志着磁损耗的大小， 测量AB对于研究铁磁共振的机理和提高微波器件的性能是3、微波铁磁共振实验装置图3铁磁共振实验装置框图实验装置框图见图3。本实验采用波长 初3cm左右的微波场。微波源输出的微波信号，经隔离器、衰减器和波长表等进入谐振腔。谐振腔由两端带耦合孔的金属片（耦合片）的一段矩形波导组成，腔内放置样品。当发生

6、铁磁共振时， 样品因发生铁磁共振产生铁磁共振损 耗，使微波输出功率降低，从而可测出谐振腔的输出功率P与外加恒定磁场B的关系，并找到共振点。外部恒定磁场由电磁铁提供，分为直流稳恒磁场和扫描磁场（扫场）两部分。有 关微波系统部件的功能请参见近代物理实验教材上的“微波技术”部分。3.1微波（样品）谐振腔截面为aF （ab），长为啲一段波导管，两端用金属片封闭，为了微波的进入和少量泄 露（以便检测），这两片金属片或其中的一片开有小孔（耦合孔）。改变腔长或调节微波的 频率，腔内会发生谐振，形成驻波。传输式谐振腔两端都有耦合孔，一端进入电磁波，另一 端泄露少量电磁波，以便检测。如果腔内是真空或空气介质时，

7、当九gI 二 PP = 1,2,（5）2时，发生谐振。其中(6)称为波导波长，二c/ f是微波在自由空间的波长， c = 2a是截止或临界波长。对于不放样品的空腔，当谐振腔谐振时，谐振频率f。与微波频率相等。(7)除了谐振频率以外，谐振腔的另一个重要参数是品质因数Q,Wi其中m是谐振角频率，W。是腔内总储能， W|是每秒耗能。一个含有样品的谐振腔，其品质 因数用QL表示。根据谐振腔的微扰理论， 如果在腔内放置一个很小的样品，把样品放到腔内微波磁场最大处，将会引起谐振腔的谐振频率f。和品质因数Ql的变化。ff、W-1） （8） （丄）=2AQlf。、f分别为放置样品前后腔的谐振频率，A为与腔的谐

8、振模式和体积有关的常数。此时，腔的输出功率为P(f)4P入(5 2QlQe1 Qe2(9)式中Qei、Qe2为腔的外界品质因数，在保证腔的输入功率P （fo）不变时，腔的输出功率2P(f尸 Ql。3.2铁磁共振线宽的测量方法由图2、（8）式和（9）式可知，要测量铁磁共振线宽：B，就要测出”值的变化，即要测量Ql值的变化，而Ql值的变化可通过测量 P的变化反映出来，即Pt。 这就是测量铁磁共振线宽的原理。把恒定磁场B由零开始逐渐增大，对应每一个 B测出一个P。就能得到图4所示的P B关系曲线。图4中，Po为远离共振区时的谐振腔输出功率，Pr为共振区时的输出功率，Pi/2为半共振点的输出功率。 在

9、共振区域由于样品的铁磁共振损 耗，使输出功率降低。半共振点的输出功率 Pi/2 （相当于4=1/2斗点）与共振时的输出功率Pr和远离共振区时的输出功率 Po有如下关系:R/24Po(10)与R/2对应的外加恒磁场之差即为共振线宽AB。但在杠进行共振曲线实测时，必须考虑样品的会引起谐振频率的偏离（频散效应）。要消除频散，必须使装有 样品的谐振腔频率始终与输入谐振腔的微波频率相同（调谐），才可以测得精确的共振曲线和阳,这就需要对输入的微波频率进行多次调谐，这在实验中很 难做到，但频散效应又不能忽略。因而考虑频散效应 的影响，对式（10 ）进行修正后得到耳 BrBR/22PoPrPoPr(11)图4

10、谐振腔输出功率P与恒定磁 场B关系曲线如果检波晶体管的检波满足平方律关系，则检波电流|2*P,则上式为I 21/22102门|20 I2r(12)其中，I。为远离共振区时的检波电流，lr为共振时的检波电流，这样就可以由I B曲线测定共振线宽abo【实验装置】图5 装置图DH1121型三厘米固态信号发生器；隔离器；可变衰减器；吸收式谐振腔波长计；波导 管；晶体检波器是；谐振腔；特斯拉计。【实验内容】实验的基本要求：了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术；通过观测铁磁共振，进一步认识磁共振的一般特性和实验方法；学会测量微波铁氧体的铁磁共振线宽、g因子和有载品质数Ql的测量。实验前，学生阅读

11、实验资料，然后到实验室熟悉实验仪器，阅读有关仪器说明书和资料。1、调整系统到谐振状态（1 ）三厘米固态信号源“电表显示”置“电压”，“工作状态”置“等幅”，开电源，预 热10分钟，将样品取出。（2）根据谐振腔上标明的频率和“频率一测微器刻度对照表”上的数值，仔细调整频率测微器（垂直方向的测微器），使微波频率到达谐振腔的谐振频率，此时检波电流出现一个极大值，调整检波器活塞使检波电流最大。如检波电流过低或超出量程，调节衰减器使检波电流最大值在量程的2/3左右。出现检波电流极大值即系统处于谐振状态。（3 ）仔细调整波长表测微器，找到检波电流的极小点，读出测微器的值，查“3cm空腔波长频率对照表”，得

12、到微波频率 f。，此频率应与样品谐振腔上标明的频率非常接近。2、观察铁磁共振现象，测量 g和丫系统调到谐振状态后，将单晶样品安装到样品谐振腔内。（1 ）调节微波频率使检波电流最大，调节衰减器或检波放大旋钮使检波电流为80 pA （可在6090 pA之间任选）。（2 ）仔细调节波长表，找到检波电流大幅度下降点，记录波长表读数，用“3cm空腔频率刻度对照表”读取对应的微波频率值 f这是放置样品时谐振腔的谐振频率 。测量后将波长 表调到远离谐振点的位置。（3 ）加上扫场，在稳恒磁场电流为 1.52.0A范围内仔细调节“磁场”，使示波器显示等间 隔的铁磁共振吸收峰。若示波器用 XY方式显示图样时，调整

13、“调相”和“磁场”，使吸 收峰处于图形的正中。记录稳恒磁场电流，用特斯拉计测量磁场大小。（4）由（3）式计算朗德因子g和旋磁比y。3、测量铁磁共振线宽 AB（1）将扫场调到零，将“磁场”调到1.2A以下和2.2A以上（远离共振区）。测量远离共振 区两端的检波电流Io,用特斯拉计测出磁场大小。(2)仔细调整“磁场”，在 1.2A 2.2A之间选取一系列“磁场”，记录对应的检波电流, 并用特斯拉计测出相应的磁场大小，记录数据绘制I B曲线，计算共振线宽 ABo【实验数据处理】E = 二 Bo 二 giBo【思考题】1、什么叫铁磁共振？2、什么叫铁磁共振线宽？3、样品磁导率的 J和丄分别反映什么？4、简述共振线宽 AB的测量过程。三、实验报告1、调整系统到谐振状态，测定谐振腔空腔谐振频率并与腔