2025年微波频段电子自旋共振实验研究报告

微波段电子自旋共振Resonance),是1944年由扎伏伊斯基首先观测到的，它是磁共振波谱学的一种分支。在探索物质中量过程中不破坏样品构造的长处。目前它在化学，物理，生物2.通过有机自由基DPPH的g值和EPR谱线共振线宽并Bs,与特斯拉计测量的磁场对比。4.学习运用锁相放大器进行小信号测量的试验原理电子自旋共振研究的对象是有未偶电子(即未成对电子)的物质，如具有奇数个电子的原子和分的形状、线宽及g银子，可以估算出缺陷的密度，理解缺陷的种类，缺陷上电子与电子的互相作用，振(NMR)一般发生在射频范围。在外磁场的作用下的能级发生分裂，一般认为是塞曼效应所引起的。电子自旋磁偶极矩H和自旋磁矩m的关系是H=Hom。其自旋磁Y,其体现式为因此，电子自旋磁偶极矩沿磁场H方向的分量应当写为E=gμgHms2.电子自旋磁偶极矩H在磁场H中的运动电子自旋磁矩绕磁场H的进动方程为Hx=acoswot,Hy=asinwot,Hz=constantμ μ假如在垂直于恒定磁场H的平面内加进一种旋转磁场h,若此旋转磁场的旋转方向和进动方向相3.电子自旋的量子力学描述He=-gμBS△E=gμBH4.弛豫过程、线宽共振吸取的另一种必要条件是在平衡态下，低能态E₁的粒子数N,比高能态E₂的粒子数N₂多，这样才能显示出宏观(总体)共振吸取。即由低能态向高能态跃迁的粒子数目比由高能吸取跃迁(E₂→E1)占优势，然而随时间推移及Ez→E1过程的充足进行，势必使N₂与Ni之差趋于减少，甚至也许反转，于是吸取效应会减少甚至停止。但实际并非如此，由于包括大量原子或离子的顺磁体系中，自旋而互换能量，同步自旋磁矩又与其周围的其他质点(晶格)互相作用而互换能量，这使处在高能态的电子自旋有机会把它的能量传递出去而回到低能态，这个过程称弛豫过程导致粒子处在每个能级上的寿命δT缩短，而量子力学中的“测不准关系”指出宽度所示。这样对于确定的微波频频率可以引起共振吸取的磁场强度B的数值便容许有一个范围△B,即共振吸取线有一定的宽度又称谱线半高宽度，简称线宽(下图).驰豫过程越快，B式中△B是实际观测到的谱线宽度，理论证明EE山E₂(N₂)PoBoB不核磁共振试验装置原理图整个核磁共振试验装置由固定磁场(电磁铁)及其电源，调场线圈及其电源，边限振荡器，探头(包括样品)示波器，频率计等构成。 核磁共振探头首先提供一种射频磁场B₁.另一方通过电子线路对B₁中的能量变化加以检测，以便观测核磁共振现象。下图是本试验所采用低频低频高频边限示波器L核磁共振探头的方框图,图中边限振荡器产生射频振荡，其谐振频率由样品线圈和并联电容所决定。将边限振荡器的振荡线圈L放置在x方向，振荡时将产生一种沿线圈轴线x方向的交变磁场(角频率等于进动频率)。所谓边限振荡器是指振荡器被调整在临界工作状态，这样不仅可以防止核磁共振信号的饱和，而且，当样品有微小能量吸取时，可以引起振荡器的振幅有较大的相对变化，提高了检测核磁共振信号的敏捷度。在未发生共振时，振荡器产生等幅振荡，经检波输出的是直流信号；当到达共振条件则发生共振，样品吸取射频场的能量，使振荡器的振幅变小。因此射频信号的包络变成由共振吸取信号调制的调幅波，经检波放大后，就可以把这个反应振荡器振荡幅度大小变化的共振吸取信号检测出来。因此，试验中规定射频场B₁很弱，以保持样品的非饱和状态。3.扫场：观测核磁共振吸取信号可有两种措施：一种是磁场Bo的频率w持续变化，通过共振区域，当w=Wo=γBo时出现共振峰，称为扫频，另一种措施是交变射频场的频率w固定，而让磁场Bo持续变化，通过共振区域，称为扫场，两者显示的都是共振吸取与频率差(w-wo)之间的关系曲线，本试验用的是扫场措施。根据前面的讨论，为了得到布洛赫方程的稳态解，通过共振区所需要的时间要较纵向驰豫时间T₁和横向驰豫时间T₂长得多。假如扫场速度太快，不能保证通过各点时都抵达稳定平衡，就会观测到不稳定的瞬间现象，而很难观测到共振现象。4.调场线圈 调场线圈用来产生一种弱的低频交变磁场B,迭加到恒定磁场B上夫，到达扫场的目的，以便于观测和调整共振现象。振现象，而在几十兆赫范围内寻找这一频率是及其困难的。为了便于观测共振吸取信号， 一般在稳恒磁场方向上迭一种弱的低频交变磁场B.也就是说恒定磁场Bo被一低频交变磁场B。所调制(上图为Bo和B迭加后随时间变化的状况，下图是射频场B1振荡电压幅值随时间变化的状况，图中的Do为某一射频在处外加的实际磁场为B₀±B.由于调制磁场的幅值不大，磁场的方向保持不变，因此。在调制场的作用下，只是磁场的幅值随调制磁场周期性的变化，则该磁矩的拉莫尔 旋进角频率@0也对应的在一定范围内发生周期性的变化，即%的变化范围之内，同步调制场的峰——峰值不小于共振场的范围，便能用示波器观测到共振吸取信号。由于只有与@'对应的磁场范围被磁场B₀±B扫过才能发生核磁共振，才能观测到共振吸取信号，而其他状况不满足共振条件，没有共振吸取信号，观测不到核磁共振现象。在核磁共振条件下，磁场变化曲线在一种周期内与B:两次相交，因此在一种周期内能观测到两个共振吸取信号。若在示波器上出现间隔不相等的共振吸取信号，这是由于和发生共振的射频频率相对应的磁场B:的值不等于稳恒磁场B。的值。这时假如变化稳恒磁场Bo的大小或变化射频场B₁的频率，都能使共振吸取信号的相对位置发生变化，出现 “相对走动”的现象。当出现间隔相等的共振吸取信号时，则其相对位置与调制磁场 的幅值无关，并随幅值的减小信号变低变宽，此时表明B6的值与Bo相等。5.边限振荡器工作状态的调整。当接通电源后，若数字频率计有稳定的频率指示，这表明振荡器已起振。若指示为“0”或指示不稳定，则可转动“边振调整”或频率调整旋钮，直至有稳定的频率指示。然后，通过“频率调整”旋钮，缓慢变化振荡频率，待示波器上出现共振信号后，再细调“边振调整”,是共振信号到达最强，这时表明振荡器处在临界工作状态。当改换样品或改变振荡频率时，应通过“边振调整”重调其工作状态。6.稳恒磁场强度调整。本装置有两个调场旋柄，其中调场旋柄(I)是通过变化磁极柱上的调场套管位置来实现小范围场强变化。调场旋柄(Ⅱ)是通过变化极间距来实现较大范围场强变化。但当极间距变化后，要重调磁场均匀性，故一般不使用此7.磁场均匀性调整重要是通过所示的匀场旋柄和匀场顶丝来调整匀场均匀度，此项调整技术难度较大。装置中磁铁的匀场顶丝、匀场旋柄均已调好，请不要轻易扭动。试验时只需通过三维调整架将样品线圈移至磁极间磁场较均匀的位置，即将样品线圈移至极靴上做有最佳匀场区标识的位置附近。待观测到共振信号后，再仔细微调样品线圈位置，直至出现很好的共振信号波形，极表已寻找到磁场最佳均匀区。8.调场的调整。本装置配用的调场电源是和射频探头组装在同一机体内，机体背面板上标有“调制线圈”和“示波器X轴”字样的插口即为调场电源的输出，它们分别与磁铁的调制线圈插口和示波器的X轴输入插口相连接。调场强度和位相可分别通过前面板上“扫场调整”和“移相调整”两个旋钮来实现。面板上电流表用于指示通过调场线圈的电流大小。试验内容B调制信号由上图a可以看出相似幅度相位小调制信号，在不一样直流场条件下输出波形，其中V1输出很小幅度，靠近特性曲线斜率较大的地方输出信号幅度也较大。当小调制信号不不小于线宽AB的10时，输出信号的幅度近似等于共振线型的微分的绝对值。其中，V3与Y2输出幅度相等相位差180°。图b为检波器输出信号波形。图c为检波器输出信号通过锁相放大器相敏检波和低通滤波后的输出波形。有机自由基DPPH它的第二个氮原子上有一种未成对电子。它非常靠近自由电子的g值。其8s=2.0036,EPR谱线半宽度(线宽)AB=2.7×10-4T。若能测出DPPH的共振频率fs则共振磁场Bs为B₅=0.3569×10-6f₈(mT)B₅=0.3569×10-6f₈(mT)_mI00350050由已知s=9.37GHz则Bs=334.4mT与特斯拉计测得的333mT相差不多。思索题1.测g值时，为何要使共振信号等间距?怎样使信号等间距?当共振信号非等间距时，由于hu=△E=gμBH,共振点处Hv使共振信号等间距，共振点处则可以懂得H的值。进而可以测出g值。2.Bo,B怎样产生?作用是什么?Bo是由电源励磁电流通过电磁铁产生。用来提供稳定的静磁场。高辨别率检测需要愈加稳B是由微波源产生。由于能级差是一种精确的量，交变电磁场能量很难固定在这