磁共振實(shí)驗(yàn)溫度漂移對(duì)磁場(chǎng)及測(cè)量的影響

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

磁共振實(shí)驗(yàn)溫度漂移對(duì)磁場(chǎng)及測(cè)量的影響

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

近代物理實(shí)驗(yàn)除了明確的物理教學(xué)內(nèi)容，還涉及到多方面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)原理. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生了解測(cè)量傳感技術(shù)原理，掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思，有助于學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)容，也是對(duì)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)的綜合運(yùn)用. 盡管磁共振吸收與霍爾效應(yīng)在物理原理上不存在明顯關(guān)聯(lián)，但基于對(duì)磁場(chǎng)溫度漂移準(zhǔn)確測(cè)量分析需要，使充分理解霍爾效應(yīng)成為掌握磁共振準(zhǔn)確測(cè)量的必要技術(shù)環(huán)節(jié). 盡管教學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)僅滿足于半定量分析，但簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果足以幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟. 多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，教師與學(xué)生的教學(xué)互動(dòng)，或者學(xué)生的集體討論分析，都是物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié).

電子自旋共振；核磁共振；霍爾效應(yīng)；傳感技術(shù)；教學(xué)方法

物理實(shí)驗(yàn)原理包括實(shí)驗(yàn)的物理(理論)原理和測(cè)量技術(shù)原理，通常前者是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體內(nèi)容，后者則是課堂教學(xué)交流的主要任務(wù). 事實(shí)上，測(cè)量技術(shù)原理又可分為實(shí)施實(shí)驗(yàn)測(cè)量的整體構(gòu)思和傳感及數(shù)據(jù)采集兩個(gè)層次. 絕大多數(shù)傳感技術(shù)本質(zhì)是基于基礎(chǔ)物理原理，傳感器件的工作原理依賴于物理過程. 因此，物理實(shí)驗(yàn)課程的整體教學(xué)安排應(yīng)該以傳感(器件)技術(shù)和簡(jiǎn)單物理量測(cè)量(或簡(jiǎn)單物理現(xiàn)象觀測(cè))分析為切入點(diǎn)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生了解通用儀器功能并且掌握設(shè)備的使用方法，為學(xué)習(xí)綜合復(fù)雜的物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ). 這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求也應(yīng)該是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的主體和教學(xué)重點(diǎn). 作為本科實(shí)驗(yàn)課程整體的頂端部分，近代物理實(shí)驗(yàn)課程既關(guān)注實(shí)驗(yàn)的物理微觀機(jī)制(原理)，又通過教學(xué)實(shí)踐展現(xiàn)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用和簡(jiǎn)單物理思維的綜合運(yùn)用，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生理解并掌握物理實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)思想.

物理實(shí)驗(yàn)需要在特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(條件)中實(shí)施，而如何實(shí)現(xiàn)并定量描述實(shí)驗(yàn)條件(參量)是獲得準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析的關(guān)鍵. 通常，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差來評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性. 多年的教學(xué)實(shí)踐中，作者則堅(jiān)持采用實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)性優(yōu)先的原則，允許存在較大的實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，但要求學(xué)生必須認(rèn)真分析測(cè)量誤差產(chǎn)生的客觀因素. 這一教學(xué)方法也必然促使學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)技術(shù)的合理性，主動(dòng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量并認(rèn)真尋找最佳實(shí)驗(yàn)條件(參量)，最終獲得更滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 本文僅以磁共振實(shí)驗(yàn)過程溫度漂移對(duì)磁場(chǎng)及測(cè)量的影響為例子，說明實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生理解測(cè)量技術(shù)原理的重要性.

1 磁場(chǎng)測(cè)量問題

多年來國內(nèi)高校對(duì)磁共振實(shí)驗(yàn)裝置不斷改進(jìn)，既提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性，又拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容. 為滿足不同層次教學(xué)需要，核磁共振和電子自旋共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容都不再局限于簡(jiǎn)單觀察記錄共振信號(hào)及測(cè)量朗德因子[1-2]. 配合實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)[3]，電子共振吸收峰型分析[4-6]使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)實(shí)驗(yàn)物理原理的理解. 隨著磁性材料性能提高，電子自旋共振吸收實(shí)驗(yàn)除了使用傳統(tǒng)的射頻段實(shí)驗(yàn)裝置外，許多高校也已選用微波波段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備[7-12]. 在磁共振系列實(shí)驗(yàn)中，滿足物理原理所需的穩(wěn)定激發(fā)光子能量(頻率)和均勻穩(wěn)定的外磁場(chǎng)是實(shí)驗(yàn)實(shí)施的關(guān)鍵條件. 當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定，通過改變激發(fā)光子能量實(shí)現(xiàn)共振吸收的方法稱為掃頻法；激發(fā)光子能量不變，通過調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)強(qiáng)度獲得共振吸收的方法稱為掃場(chǎng)法. 通常，射頻光子激發(fā)的核磁共振或電子自旋共振實(shí)驗(yàn)裝置，既有掃頻法，也有掃場(chǎng)法,微波電子自旋共振吸收教學(xué)設(shè)備則普遍采用掃場(chǎng)法.

不管是掃頻法還是掃場(chǎng)法，準(zhǔn)確測(cè)量共振吸收時(shí)樣品處的外磁場(chǎng)強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)之一. 為避免磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響，通常需要移動(dòng)(取出)樣品，將磁場(chǎng)傳感探頭置于原來樣品位置進(jìn)行測(cè)量；或者，預(yù)先測(cè)定樣品所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度. 復(fù)旦天欣微波電子自旋實(shí)驗(yàn)裝置提供了后者的實(shí)驗(yàn)參考方案，便于磁場(chǎng)測(cè)量. 該裝置的穩(wěn)定外磁場(chǎng)是由永磁體磁場(chǎng)和施加勵(lì)磁電流的電磁鐵所產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)疊加而成，實(shí)驗(yàn)中改變勵(lì)磁電流即可改變外磁場(chǎng)強(qiáng)度從而達(dá)到共振吸收目的.

以微波電子自旋共振吸收實(shí)驗(yàn)為例. 通常，建議學(xué)生首先參照實(shí)驗(yàn)裝置說明書所述步驟，測(cè)量樣品所處位置磁場(chǎng)強(qiáng)度隨勵(lì)磁電流(實(shí)際測(cè)量是勵(lì)磁電壓，暫且認(rèn)為線圈阻值不變！)的變化關(guān)系. 隨后，學(xué)生自行練習(xí)熟悉實(shí)驗(yàn)操作，掌握實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)技巧并且初步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容). 課堂預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，要求學(xué)生按相同步驟再次實(shí)驗(yàn)，記錄樣品處磁場(chǎng)強(qiáng)度隨勵(lì)磁電流變化關(guān)系. 多數(shù)學(xué)生對(duì)比這2次同條件的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同勵(lì)磁電流(電壓)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了變化！課堂上，教師不必急于當(dāng)場(chǎng)給出問題的答案. 離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)，教師再次提醒學(xué)生在下次進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前繪圖分析這2次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)思考如何準(zhǔn)確測(cè)量共振磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且擬定實(shí)驗(yàn)方案.

顯然，同組或不同組之間的學(xué)生都可能發(fā)現(xiàn)更多的實(shí)驗(yàn)測(cè)量問題(不同之處)，也帶著質(zhì)疑的態(tài)度再次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室. 學(xué)生將依照擬定方案實(shí)施完整的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)記錄，實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)交流(討論)也正由此展開. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)氣氛也隨之從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí).

以下內(nèi)容選自為解答學(xué)生疑問并幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理所準(zhǔn)備的教案資料.

2 磁場(chǎng)測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)用高斯計(jì)或特斯拉計(jì)的磁場(chǎng)測(cè)量探頭是霍爾器件，它是1片基于霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體膜傳感材料. 當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差則稱為霍爾電勢(shì)差(或霍爾電壓). 對(duì)于確定電流(流經(jīng)導(dǎo)體)，霍爾電壓正比于材料所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這正是利用霍爾器件(傳感器)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的原理依據(jù). 常溫霍爾效應(yīng)是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一，電流、磁場(chǎng)與霍爾電壓三者之間相互正交也是正確使用霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的技術(shù)判據(jù). 由此可見，利用霍爾傳感器的磁場(chǎng)測(cè)量就是由霍爾電壓標(biāo)定對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值. 顯然，準(zhǔn)確測(cè)量霍爾電壓需要消除多種副效應(yīng)[13]，而且測(cè)量標(biāo)定需要標(biāo)準(zhǔn)(強(qiáng)度)磁場(chǎng). 為便于論述，以下只著重分析霍爾電壓的獲取問題，且僅采用正反電流平均值作為霍爾電壓實(shí)驗(yàn)測(cè)量值.

實(shí)驗(yàn)裝置包括復(fù)旦天欣微波電子自旋裝置的磁體，由茂迪LPS305直流電源提供勵(lì)磁電流，還有東方晨景變溫(液氮)恒溫器、TC202控溫儀和CVM-200霍爾效應(yīng)測(cè)試儀. 值得一提的是，CVM-200霍爾效應(yīng)測(cè)試儀實(shí)質(zhì)就是可切換電流方向的恒流源和四位半微伏表的雙功能儀器(也可單獨(dú)作為恒流源或微伏表使用). Pt100熱敏膜電阻緊貼在磁體表面中心附近，由另一臺(tái)TC202控溫儀監(jiān)測(cè)磁體溫度. 所有儀器都通過RS232接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測(cè)控及數(shù)據(jù)采集記錄. 霍爾樣品(傳感器件)安裝在恒溫器內(nèi)冷指上.

圖1是霍爾電壓隨勵(lì)磁電流變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)順序?yàn)?a)，(b)，(c)和(d). 圖1(a)和(c)記錄了正向勵(lì)磁電流所得穩(wěn)恒磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度相加結(jié)果；圖1(b)和(d)代表了反向勵(lì)磁電流的磁場(chǎng)相消的結(jié)果. 根據(jù)理論分析，穩(wěn)恒磁場(chǎng)強(qiáng)度和霍爾電壓分別正比于勵(lì)磁電流和外磁場(chǎng)強(qiáng)度，那么，樣品霍爾電壓應(yīng)該與勵(lì)磁電流存在線性關(guān)系. 圖1實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明兩者并不準(zhǔn)確地遵從這一線性關(guān)系. 從圖1還可以看出，若采用線性擬合描述整體變化趨勢(shì)，不僅(a)～(d)勵(lì)磁電流為零時(shí)霍爾電壓值并不相同，正向電流組(a)與(c)和反向電流組(b)與(d)各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不重復(fù). 實(shí)驗(yàn)過程中，隨著勵(lì)磁電流增大及作用時(shí)間延長，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示磁體溫度和樣品溫度也都逐漸升高. 磁體溫度比樣品溫度變化更明顯. 在實(shí)驗(yàn)(a)～(d)中，(a)的磁體溫升幅度最大，圖1(a)趨勢(shì)斜率也已反映了這一事實(shí). 物理原理上，磁性材料的磁導(dǎo)率(或磁化率)隨溫度變化. 相同勵(lì)磁電流作用下，當(dāng)材料處于不同溫度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度. 傳感器件的霍爾電壓與載流子濃度和電導(dǎo)率有關(guān)，而它們也都是溫度的函數(shù). 由此可見，溫度變化對(duì)磁體霍爾材料樣品的影響是傳感測(cè)量值發(fā)生偏離的主要原因.

圖1 樣品(傳感器件)霍爾電壓隨勵(lì)磁電流變化

上述實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，傳感器件的霍爾電壓受溫度影響. 除非使用恒溫裝置，否則，磁體和傳感探頭都處于開放的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，從而兩者溫度都將跟隨實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化. 為全面評(píng)估溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響，以下將分別對(duì)磁場(chǎng)和霍爾器件的變溫特性進(jìn)行觀測(cè)分析.

3 霍爾器件的變溫特性

為分析獨(dú)立因素的影響，撤去勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)強(qiáng)度完全由永磁體的磁場(chǎng)所決定. 由于沒有勵(lì)磁電流作用，可使磁體溫度維持穩(wěn)定. 首先在低溫恒溫器中注入少量液氮，由恒溫器內(nèi)加熱器控制樣品緩慢升溫而獲得霍爾器件的變溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境. 通過計(jì)算機(jī)測(cè)控同步采集正向與反向電流對(duì)應(yīng)的樣品霍爾電壓值、樣品溫度和磁體溫度，分別由各自2次測(cè)量的平均值作為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的測(cè)量值. 采用相同時(shí)間間隔定時(shí)采樣，可得到圖2所示的傳感器霍爾電壓隨樣品溫度變化情況. 由于實(shí)驗(yàn)過程磁體溫度維持在292.41～292.75 K，說明磁體溫度近乎穩(wěn)定，可以認(rèn)為磁場(chǎng)強(qiáng)度基本恒定. 由圖2可知，在恒定磁場(chǎng)環(huán)境中，傳感器霍爾電壓值是隨器件本身溫度變化的. 或者說，基于霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感測(cè)量技術(shù)，傳感器處于不同工作溫度對(duì)同一磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量將得到不同的霍爾電壓值. 因此，如果僅僅簡(jiǎn)單地由霍爾電壓標(biāo)定磁場(chǎng)強(qiáng)度，那么工作于不同溫度的霍爾傳感器對(duì)同一磁場(chǎng)測(cè)量將得到不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值. 除非根據(jù)材料溫度變化規(guī)律，采用溫度補(bǔ)償測(cè)量修正.

圖2 傳感器霍爾電壓隨樣品溫度變化

4 溫度對(duì)磁場(chǎng)的影響

圖1所顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，測(cè)量過程施加勵(lì)磁電流導(dǎo)致磁體升溫，不僅破壞了霍爾電壓與勵(lì)磁電流之間的線性關(guān)系，而且影響了基于霍爾傳感的磁場(chǎng)測(cè)量準(zhǔn)確性. 為更清晰地描述磁體溫度對(duì)霍爾電壓的測(cè)量影響，施加適量勵(lì)磁電流，同步采集磁體表面溫度、樣品霍爾電壓值和樣品溫度. 采用相同時(shí)間間隔定時(shí)采樣，可得到圖3所示的材料霍爾電壓隨磁體表面溫度變化情況. 盡管為減少熱交換，樣品與磁體沒有接觸且置于真空環(huán)境，但數(shù)據(jù)顯示隨著磁體溫度升高，樣品溫度從294.14 K升至294.91 K. 根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傳感器溫度變化也影響霍爾電壓測(cè)量值. 傳感器溫度變化比磁體表面略有滯后，且變溫速率也明顯減小. 可以認(rèn)為，圖3所顯示的傳感器霍爾電壓隨溫度變化主要來自磁體溫度變化的影響.

圖3 傳感器霍爾電壓隨磁體表面溫度變化

5 樂于實(shí)驗(yàn)教與學(xué)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，勵(lì)磁電流作用將引起磁體或傳感器溫度變化，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值偏離了預(yù)先標(biāo)定的代數(shù)關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化也產(chǎn)生相同的影響. 理解傳感原理及其技術(shù)方法有助于實(shí)施合理的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性，并正確分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差. 盡管霍爾效應(yīng)是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(或基礎(chǔ)物理理論課教學(xué)內(nèi)容)，但是當(dāng)學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)用高斯計(jì)或特斯拉計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)是基于霍爾效應(yīng)原理時(shí)，依然有恍然大悟的感覺. 學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理也有助于正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)測(cè)量操作.

傳感器件的測(cè)量標(biāo)定有其適應(yīng)條件和范圍，當(dāng)然也有測(cè)量精度(準(zhǔn)確度)技術(shù)指標(biāo). 一旦偏離限定條件或許可范圍，測(cè)量誤差的數(shù)值分析也毫無意義了. 通過上述變溫磁場(chǎng)測(cè)量分析，說明只有在理解實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，當(dāng)出現(xiàn)不合理測(cè)量誤差時(shí)，及時(shí)修正并采用正確技術(shù)方法完成測(cè)量才是應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)方法. 上述磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量問題，春季學(xué)期與秋季學(xué)期“癥狀”也有所不同. 實(shí)驗(yàn)室里學(xué)生人數(shù)與密集也關(guān)系到“癥狀”的嚴(yán)重程度. 有條件的實(shí)驗(yàn)室，可以選用帶溫度補(bǔ)償?shù)?基于霍爾效應(yīng))磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，它的探頭同時(shí)具備磁場(chǎng)和溫度傳感. 通常，為了便于教學(xué)操作，教學(xué)設(shè)備廠家也將永磁體磁場(chǎng)調(diào)節(jié)在常溫(選定激發(fā)光子頻率下)滿足共振吸收附近. 當(dāng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化時(shí)，根據(jù)圖1實(shí)驗(yàn)規(guī)律可以適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流或改變電流方向. 一旦學(xué)生理解了測(cè)量原理，認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生必然將積極地尋找最佳實(shí)驗(yàn)條件和合理實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法. 此時(shí)，指導(dǎo)教師可以稍歇片刻“欣賞”學(xué)生的“作品”或創(chuàng)意，課堂教學(xué)的疲勞也頓時(shí)消失了！

集成化精密設(shè)備可以達(dá)到高效快速的實(shí)驗(yàn)測(cè)量目的，但是物理實(shí)驗(yàn)的樂趣在于利用通用儀器(器件)通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象觀測(cè)分析研究(即使是半定量水平). 物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)還必須使學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所用儀器的功能及其在該項(xiàng)目中所承擔(dān)的角色，而設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)也體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所研究?jī)?nèi)容的物理相互作用. 目前多數(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置普遍采用以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱作為設(shè)備名，這可能會(huì)限制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性. 例如，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量所用的霍爾效應(yīng)測(cè)試儀除了具備滿足霍爾效應(yīng)測(cè)量的特定功能外，它還是1臺(tái)恒流源和微伏表的組合儀器(Keithley稱之為源表)——既提供恒流輸出，也具備微伏電壓測(cè)量功能. 事實(shí)上，它也是1臺(tái)(四線)電阻測(cè)量?jī)x，可以用于測(cè)量微小電阻，還可以是超導(dǎo)電阻測(cè)量?jī)x……當(dāng)該設(shè)備單獨(dú)作為恒流源或微伏表使用時(shí)，那么它就是1臺(tái)直流電源或者電壓表了！但是霍爾效應(yīng)測(cè)試儀設(shè)備名稱限制了該儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值，也容易使用戶(特別是學(xué)生)對(duì)設(shè)備的功能產(chǎn)生誤解. 實(shí)際上，這臺(tái)霍爾效應(yīng)測(cè)試儀可以用于許多物理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合，不僅達(dá)到充分利用資源目的，更重要的是使學(xué)生理解儀器功能并掌握組建實(shí)驗(yàn)的技術(shù)方案. 當(dāng)然，所有學(xué)生達(dá)到這一教學(xué)要求肯定有較大難度，但如果有約1/4學(xué)生積極參與互動(dòng)，也必然帶動(dòng)集體的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)氛圍，更是由學(xué)對(duì)教的良性反饋和促進(jìn). 這也正是作者有理論課教學(xué)任務(wù)，依然樂于堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的原因之一.

負(fù)責(zé)物理實(shí)驗(yàn)中心籌建，完成了中心整體規(guī)劃、課程定位和實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型，而且在后續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組建和教學(xué)實(shí)施過程中進(jìn)一步加深了對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理解和認(rèn)識(shí). 對(duì)規(guī)劃中所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有自己的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案或教學(xué)內(nèi)容拓展想法，“調(diào)制場(chǎng)法密立根油滴實(shí)驗(yàn)”[14]只是其中的一個(gè)例子. 還有，“截留”了報(bào)廢設(shè)備中可再利用模塊，按教學(xué)需要搭建有特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目而非使用成套的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀……等等. 對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，似乎有一種樂在其中的感受.

最后，借用作者于2004年在完成一系列實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)之后的感想文章“快樂實(shí)驗(yàn)”中一句話作為本文的結(jié)尾：快樂需要基礎(chǔ)，而這一基礎(chǔ)正是我們?yōu)檫_(dá)到快樂所付出的執(zhí)著和激情.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Influence of temperature drift on the magnetic field and its measurement in magnetic resonance

LI Chao-rui

(School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Modern physics experiment involved not only the physics principle but also the modern measurement technology. It was helpful for the students to well understand the experimental content to begin the modern physics experiment on sensing technology and master the detailed design of the measurement system in the teaching. It was of advantage to improve the comprehensive application of the experimental skill. It was known that the magnetic resonance and Hall effect was of difference in physics principle, but the accurate measurement of magnetic field in magnetic resonance was intimately connected with the fully understanding of the Hall effect. Although the data from the teaching experiment only fulfilled the needs of the semi-quantitative analysis, the inaccurate results to some extent could help students comprehend the key steps in performing the experiment. The teaching experience showed that the interaction between teachers and students, or students’ collective discussion, played an important role in physics experiment teaching.

electron spin resonance; nuclear magnetic resonance; Hall effect; sensing technology; teaching method

2017-01-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.J1210034,No.J1103211)

李潮銳(1962-)，男，廣東汕頭人，中山大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士，主要從事凝聚態(tài)物質(zhì)電磁性質(zhì)研究.

O482.532

A

1005-4642(2017)02-0024-04