微波電子自旋共振儀的改裝與應用

王 杰 曹 旭

中國石油大學（華東）理學院應用物理1304班

微波電子自旋共振儀的改裝與應用

王 杰 曹 旭

中國石油大學（華東）理學院應用物理1304班

電子自旋共振是通過測量樣品的未成對電子的朗德因子和電子自旋共振波譜，可以精確分析這些不成對電子所處的位置及能態等信息，所以電子自旋共振技術是探索物質微觀結構和運動狀態的重要手段。它在物理、生物、化學、醫藥等各個領域應用廣泛。在生物學中的自旋標記技術，是把某些良好特性的順磁自由基加接在待測的生物化學分子中，用ESR來探索生物體系的結構和生物反應機制；在化學分析和結構分析方面，利用ESR研究譜線的精細結構和朗德因子的不對稱性可鑒別出未知的過渡金屬離子或晶格的缺陷，或判別同一離子的幾種價態；此外，實際應用方面可以用電子自旋共振來測量地磁場強度、檢測雜質和研究輻射損傷等。目前很多高校都將電子自旋共振作為大學近代物理實驗中的一個重要實驗項目，也是近代物理試驗中比較典型的綜合性實驗，不僅可以培養學生的綜合能力，而且還可以提高學生的創新的能力，充分調動學生做實驗、探索實驗的積極性。

基于原有的微波電子自旋共振儀，重新改裝儀器，改裝分為兩種，一種是將終端匹配負載更換反射銅板，探究微波頻率、樣品位置改變對共振信號的影響；另一種情況是將終端匹配負載更換為可調電抗器，通過改變可調電抗器的位置，測出出現相同共振信號強度的可調電抗器間距，從而間接算出微波傳播的速度。本文主要探索更換可調電抗器帶來的影響，并利用可調電抗器與電子自旋共振儀組裝測出微波的傳播速度。

實驗測量原理

原子中的電子在沿軌道運動的同時具有自旋，對于單電子原子，原子的角動量和磁矩由單個電子決定；對于多電子原子，原子的角動量和磁矩由價電子決定。具有自旋磁矩的電子，當受到外磁場的作用時，由于塞曼效應使電子的能級發生分裂，兩相鄰磁能級之間的能量差ΔE 與外磁場B0成正比：

式（1）中，g是朗德因子，μB是玻爾磁子。根據磁共振原理，如果在垂直磁場B0的方向上施加一個頻率為ν的交變磁場，當磁場強度B0和微波頻率滿足下式：

時，電子就會吸收電磁波能量，實現能級間的躍遷，這就是電子自旋共振現象，實驗中的交變磁場可以由射頻線圈產生，也可以由微波磁場提供。

根據波導波長λg與 中微波波長λ的相互關系：

其中：

式中λc=2a為截止或臨界波長，在自由空間中，由自由空間的波長可得微波傳播的速度：

式中f為微波頻率，λ為自由空間的波長，v為微波傳播速度，通過用可調電抗器測出波導波長λg，利用公式（3）間接求出自由空間的波長，從而算得微波傳播速度。

實驗方法

本實驗采用的電子自旋共振實驗裝置是由北京大華無線電儀器廠生產的微波順磁共振波譜儀，借助原有的器件改裝微波電子自旋共振儀，將終端的匹配負載取下，換上可調電抗器，改裝后的微波電子自旋共振儀保持具有合理結構、成本低廉和操作方便的特點，有利于進行創新型和設計型實驗。

將固體信號源設置于等幅工作狀態，將磁場逆時針調到最低，掃場逆時針調到最低，處在檢波狀態，將樣品置于90mm處，將單螺調配器的探針逆時針旋至“0”刻度，調節可變衰減器使調諧電表有指示，然后將“檢波靈敏度”旋鈕指示最大控制磁共振實驗儀的調諧指示占滿度的2/3左右。

用波長表法調節微波頻率為9370 MHZ，調節樣品諧振腔末端的終端負載活塞使魔T對稱，檢波電流接近于零，加上掃場并調節穩恒磁場觀察示波器DPPH自由基的電子共振信號，改變可調電抗器位置，當出現相同共振信號時，記錄此時可調電抗器的位置。

實驗結果與分析

將終端的匹配負載取下，換上可調電抗器，并始終保持樣品90mm位置和微波頻率9370MHZ不變，調節可調電抗器的位置，實驗數據記錄如表1所示。

表1　改變可調電抗器位置測量的信號強度、半高寬

用直尺測出波導寬邊長度為a=24.0 mm，從而得截止波長。由表1可得出現相同共振吸收信號強度時，間距近似相等，用逐差法法求得mm，將λg和λc代入（3）式可得自由空間微波波長λ=30.993 mm。結合微波頻率用波長表法測為9370 MHZ，將微波頻率和自由空間波長帶入公式（5），因此算得微波傳播速度，已知微波在真空中的傳播速度的標準值為m/s，測得結果與標準值相對誤差為3.1%，出現誤差的原因有環境溫度影響、出現共振信號強度存在偏差等，但主要原因是測出是空氣中自由空間電磁波傳播速度，并非絕對真空。

結束語

在熟悉并掌握電子自旋共振的基本原理和實驗方法的基礎上，通過改裝微波電子自旋共振儀，利用可調電抗器測出自由空間電磁波傳播的速度，用微波電子自旋共振儀測電磁波的傳播速度不僅為電磁波傳播速度測量提供了一種切實可行的方法，而且豐富了微波電子自旋共振實驗內容。