FD-ESR-II型電子順磁共振儀說明書(080711修訂)

1、儀器使用說明 TEACHER'S GUIDEBOOKFD-ESR-II電子順磁共振儀中國.上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-ESR-II 電子順磁共振儀一、概述電子順磁共振譜儀（又名電子自旋共振）是電子自旋磁矩在磁場中的運(yùn)動(dòng)與外部高頻電磁場相互作用下對電磁波共振吸收的原理而設(shè)計(jì)的。因?yàn)殡娮颖旧磉\(yùn)動(dòng)受物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響所以電子自旋共振成為觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種手段。因?yàn)殡娮禹槾殴舱窬哂袠O高的靈敏度、測量時(shí)對樣品無破壞作用，所以電子順磁共振譜儀廣泛應(yīng)用于物理

2、、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和生命領(lǐng)域。二、基本原理具有未成對電子的物質(zhì)置于靜磁場中,由于電子自旋磁矩與外部磁場相互作用導(dǎo)致電子的基態(tài)發(fā)生塞曼能級分裂:（為波爾磁矩，g為無量綱參數(shù)），當(dāng)在垂直于靜磁場方向上所加橫向電磁波的量子能量等于時(shí)，滿足共振條件，此時(shí)未成對電子由下能級躍遷至上能級。 1Bloch方程:圖1Bloch理論是將電子近似為自轉(zhuǎn)陀螺，原子核的能級躍遷理解為陀螺在外作用力的進(jìn)動(dòng)和章動(dòng),如圖1。以下是Bloch方程的推導(dǎo)：原子核具有磁矩 (1)稱為回旋比是一個(gè)參數(shù) 表示自旋的角動(dòng)量原子核在磁場中受到力矩 (2)并且產(chǎn)生附加能量 (3)根據(jù)力學(xué)原理和得 (4)考慮到馳豫的作用其分量式改為 (5)

3、其穩(wěn)態(tài)解為： （6）如圖(2)圖（2）三、工作原理介紹系統(tǒng)的基本構(gòu)成:如圖3由微波傳輸部件把X波段體效應(yīng)二極管信號源的微波功率饋給諧振腔內(nèi)的樣品，樣品處于恒定磁場中，磁鐵由50Hz交流電對磁場提供掃描，當(dāng)滿足共振條件時(shí)輸出共振信號，信號由示波器直接檢測。以下介紹各個(gè)微波部件的原理、性能及使用方法。圖3NS直流輸出掃描輸出樣品諧振腔扭波導(dǎo)阻抗調(diào)配器環(huán)形器隔離器微波源晶體檢波器示波器阻抗匹配器1諧振腔： 諧振腔由矩形波導(dǎo)組成，A為諧振腔耦合膜片，B為可變短路調(diào)節(jié)器也為短路膜片。如圖（4）圖4下面我們討論，諧振腔的工作原理。圖5設(shè)A膜片反射系數(shù)為T，透射為r，當(dāng)處于無損狀態(tài)時(shí)：；B反射系數(shù)為1，樣品

4、及傳輸?shù)膿p耗為。輸入幅度為I，經(jīng)過膜片反射后初次反射為-IT，因?yàn)榉瓷湎辔慌c入射相反，所以為 采用負(fù)號；經(jīng)過A 膜片透射強(qiáng)度Ir，經(jīng)過一次反射后達(dá)到A膜片這時(shí)電磁場為Ir，經(jīng)A膜片部分反射部分透射，反射為，透射為同理得出多次反射后反射強(qiáng)度為： （1）透射為： （2）真實(shí)反射等于初反射和多次透射的疊加如圖（5）。得： （3） （4）當(dāng)諧振時(shí)：得： 反射強(qiáng)度為： （5）因?yàn)楣舱裥盘柋憩F(xiàn)為的變化，所以我們將（ ）式對求導(dǎo)得： （6） 增益 （7） 對T求最大值得 （8） 增益最大值 （9）此時(shí)反射強(qiáng)度 （10）體效應(yīng)管變?nèi)荻O管微波源電源輸入端+12V頻率調(diào)節(jié)Q為品質(zhì)因素（）?？梢缘贸瞿た鬃罴疡詈蠒r(shí)

5、增益最高，反射為0。諧振腔的品質(zhì)因素決定增益的大小。2微波源：圖6 微波源由體效應(yīng)管、變?nèi)荻O管、頻率調(diào)節(jié)組成,，微波源供電電壓為12V,其發(fā)射頻率為9.37GHz;3隔離器：圖7具有單向傳輸功能。 1輸入，2輸出 基本無衰減 2輸入，1輸出 有極大的衰減4環(huán)形器 環(huán)形器具有定向傳輸功能。圖81輸入，2輸出無衰減，3輸出衰減>30db2輸入，3輸出無衰減，1輸出衰減>30db3輸入，1輸出無衰減，2輸出衰減>30db5晶體檢波器用于檢測微波信號，由前置的三個(gè)螺釘調(diào)配器、晶體管座和末端的短路活塞三部分組成。其核心部分是跨接于矩形波導(dǎo)寬壁中心線上的點(diǎn)接觸微波二極管（也叫晶體管檢波

6、器），其管軸沿TE10波的最大電場方向，它將拾取到的微波信號整流（檢波）。當(dāng)微波信號是連續(xù)波，整流后的輸出為直流。輸出信號由與二極管相連的同軸線中心導(dǎo)體引出，接到相應(yīng)的指示器，如直流電表、示波器。測量時(shí)要反復(fù)調(diào)節(jié)波導(dǎo)終端的短路活塞的位置以及輸入前端三個(gè)螺釘?shù)拇┥於?，使檢波電流達(dá)到最大值，以獲得較高的測量靈敏度。其結(jié)構(gòu)如圖9圖9 6扭波導(dǎo)改變波導(dǎo)中電磁波的偏振方向（對電磁波無衰減）。主要作用是便于機(jī)械安裝。7短路活塞 圖10短路活塞是接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂微波元件，它接在終端對入射微波功率幾乎全部反射而不吸收，從而在傳輸系統(tǒng)中形成純駐波狀態(tài)。它是一個(gè)可移動(dòng)金屬短路面的矩形波導(dǎo)，也可稱可變短路器。

7、其短路面的位置可通過螺旋來調(diào)節(jié)并可直接讀數(shù)。8阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配器是雙軌臂波導(dǎo)元件，調(diào)節(jié)E面H面的短路活塞可以改變波導(dǎo)元件的參數(shù)。它的主要作用是改變微波系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)，它可以系統(tǒng)調(diào)節(jié)至匹配狀態(tài)、容性負(fù)載、感性負(fù)載等不同狀態(tài)。在微波順磁共振中主要作用是觀察吸收、色散信號。圖11是阻抗調(diào)配器外觀圖。圖11四、儀器主機(jī)結(jié)構(gòu)：FD-TX-ESR-II 電子順磁共振譜儀電源直流調(diào)節(jié)掃描調(diào)節(jié)掃頻開關(guān)X軸幅度X軸相位直流輸出+-掃描輸出X-out信號inout上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司onoff圖121. 直流輸出：此輸出端將會輸出0600mA的電流，通過直流調(diào)節(jié)電位器來改變輸出電流的大小2. 掃描輸出：

8、此輸出端將會輸出01000mA的交流電流，其大小由掃描調(diào)節(jié)電位器來改變3. 掃頻開關(guān)：用來改變掃描信號的頻率4. IN與OUT：此兩個(gè)接頭是一組放大器的輸入和輸出端，放大倍數(shù)為10倍，IN端為放大器的輸入端，OUT端為放大器的輸出端5. X-out：此輸出端為一組正玄波的輸出端，X軸幅度為正玄波的幅度調(diào)節(jié)電位器，X軸相位為正玄波的相位調(diào)節(jié)電位器6. 儀器后面板上的五芯航空頭為微波源的輸入端五、順磁I型操作步驟（一）連線方法：1 通過連接線將主機(jī)上的掃描輸出端接到磁鐵的一端2 將主機(jī)上的直流輸出端連接在磁鐵的另一端3 通過Q9連接線將檢波器的輸出連到示波器上（二）微波系統(tǒng)的連接：1 將微波源上的

9、連接線連到主機(jī)后面板上的5芯插座上2 將微波源與隔離器相接（按箭頭方向聯(lián)接）3 將隔離器的另一端與環(huán)型器中的（I）端相連4 將扭波導(dǎo)與環(huán)型器中的（II）端相接5 將環(huán)型器中的（III）端與檢波器相接6 將扭波導(dǎo)的另一端與直波導(dǎo)的一端連接7 將直波導(dǎo)的另一端與短路活塞相接其裝配圖如下所示：1微波源2隔離器3環(huán)型器4 扭波導(dǎo)5直波導(dǎo)6樣品 7短路活塞 8檢波器（三）儀器的操作：1將DPPH樣品插在直波導(dǎo)上的小孔中2打開電源，將示波器的輸入通道打在直流（DC）檔上3調(diào)節(jié)檢波器中的旋鈕，使直流（DC）信號輸出最大4調(diào)節(jié)端路活塞，再使直流（DC）信號輸出最小5將示波器的輸入通道打在交流（AC）

10、檔上，幅度為5mV檔6這時(shí)在示波器就可以觀察到共振信號，但此時(shí)的信號不一定為最強(qiáng)，可以再小范圍的調(diào)節(jié)短路活塞與檢波器，也可以調(diào)節(jié)樣品在磁場中的位置（樣品在磁場中心處為最佳狀態(tài)），使信號達(dá)到一個(gè)最佳的狀態(tài)7信號調(diào)出以后，關(guān)機(jī)，將阻抗匹配器接在環(huán)型器中的（II）端與扭波導(dǎo)中間，開機(jī)，通過調(diào)節(jié)阻抗匹配器上的旋鈕，就可以觀察到吸收或色散波形：上圖為色散波形，下圖為吸收波形六、FD-TX-PLL鎖相放大器1.序言 在ESR-I的基礎(chǔ)上加鎖相放大技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制，從而提高信噪比和實(shí)驗(yàn)功能。2.工作原理 為了提高信噪比我們根據(jù)大型電子順磁共振的工作原理引進(jìn)鎖相放大器。關(guān)于順磁共振的基本原理詳見ESR-I電子

11、順磁共振說明書。以下我們介紹鎖相放大器和計(jì)算機(jī)控制部分的工作原理?；驹恚?現(xiàn)在已知輸出信號我們可以按多項(xiàng)式展開 （2）如果我們在緩慢變化的B0上加上一余弦調(diào)制（2）示變?yōu)椋海?）如圖（1） 圖（1）如果Bs較0小那么可以將高次項(xiàng)忽略不計(jì)。 （4）因?yàn)樵胍舸嬖诓⑶矣锌赡苓h(yuǎn)大于信號 （5）N(t)為噪音項(xiàng)根據(jù)富里葉變換積分公式 （6）我們可以將信號通過鎖相放大器處理將以上各式分別積分從而得到微分線形。如圖（2）圖（2）因?yàn)榉e分時(shí)間不可能是無窮大所以噪音不會是0,信號也不會是無窮大。因此可以得出選區(qū)足夠大的積分時(shí)間和足夠高的頻率即可大幅度提高信噪比。儀器工作原理：儀器工作原理框圖如圖（3）圖(3

12、)儀器前面板如圖（4）：XY手調(diào)輸入自校采樣電源電流調(diào)節(jié)電流輸出+-調(diào)制幅度調(diào)制相位調(diào)制輸出靈敏度積分時(shí)間INX-outY-out上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司FD-TX-PLL鎖相放大器圖4(1)X與Y表頭：顯示信號的實(shí)部輸出與虛部輸出(2)電源開關(guān)：控制儀器的通斷(3)輸入與手調(diào)：用來控制與計(jì)算機(jī)的連接，當(dāng)開關(guān)在手調(diào)上時(shí)，輸出信號由電流調(diào)節(jié)電位器來控制，當(dāng)開關(guān)在輸入上時(shí)，輸出信號由計(jì)算機(jī)來控制(4)采樣與自校：用來判斷儀器是否能正常工作，當(dāng)開關(guān)在自校上時(shí)，儀器內(nèi)部的A/D 信號送給內(nèi)部的D/A輸入端，從計(jì)算機(jī)上顯示的波形為一根45度的直線,當(dāng)開關(guān)在采樣上時(shí)，計(jì)算機(jī)就能記錄共振信號(5)電流輸

13、出：此輸出端將會輸出0500mA的直流電流，其大小由電流調(diào)節(jié)電位器來改變(7)調(diào)制輸出：將會輸出1KHz的正玄波，其幅度由調(diào)制幅度電位器來調(diào)節(jié)，相位的變化由調(diào)制相位電位器來調(diào)節(jié)(8)靈敏度：用來控制信號的輸出幅度大小(9)積分時(shí)間：用以控制輸出信號積分時(shí)間的長短，積分時(shí)間越長，輸出信號的寬度就越寬(10)IN端：此端為信號的輸入端(11)X-out端：信號的實(shí)部輸出（備用），以便其它的測量儀器來觀察信號(12)Y-out端：信號的虛部輸出（備用），以便其它的測量儀器來觀察信號儀器后面板如圖（5）：PC機(jī)連接口復(fù)位 圖5(1) PC機(jī)連接口：它是將鎖相放大器的輸出信號送到計(jì)算機(jī)來顯示的接口(2)

14、 復(fù)位：是儀器內(nèi)部電路的復(fù)位端主機(jī)中的波形發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號和參考信號，調(diào)制信號的幅度與相位（相對參考信號的相位）由多圈電位器調(diào)節(jié)，通過Q9接頭輸出，接波導(dǎo)諧振腔的調(diào)制線圈。共振信號由微波晶體檢波器輸出至Q9接頭，由波段開關(guān)選擇靈敏度與積分時(shí)間。信號中與參考信號同步的頻率成分經(jīng)鎖相放大器后才被放大其余頻率成分均被濾除，其中相位與參考信號相同的信號（實(shí)部）由X-out輸出，相位與參考信號相差90度的信號（虛部）由Y-out輸出，其對應(yīng)的電壓由表頭來顯示。七、計(jì)算機(jī)的軟件說明:軟件的安裝：將配置的軟盤放入到計(jì)算機(jī)的A盤上，將軟盤中的可執(zhí)行文件復(fù)制到計(jì)算機(jī)的工作盤中，打開本軟件即可工作界面說明：數(shù)據(jù)

15、記錄工作區(qū)工具欄菜單欄本軟件與FD-TX-ESR-II儀器配套來使用，其詳細(xì)說明如下：一：菜單欄此欄由以上幾個(gè)部分組成，每個(gè)部分都有對應(yīng)的子菜單，上例所顯示的為操作所對應(yīng)的子菜單，其它子菜單如下所示：文件(F)運(yùn)行：開始本軟件對外界數(shù)據(jù)的采樣打開：打開已存的圖形或數(shù)據(jù)保存：對采樣到的數(shù)據(jù)或圖形進(jìn)行保存打?。狠敵霾蓸拥降膱D形退出：關(guān)閉本軟件編輯（E）清除：進(jìn)行工作區(qū)的清除，以便為下次采樣做準(zhǔn)備查看：查看采樣時(shí)的數(shù)據(jù)操作(O)串行口：外部數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)的聯(lián)接方式顯示：顯示采樣到的數(shù)據(jù)暫停：停止正在采樣的數(shù)據(jù)或圖形幫助(H)：對本軟件的使用進(jìn)行詳細(xì)的說明關(guān)于(A)：對本軟件的制作及本公司進(jìn)行說明二：工

16、具欄：此欄由以上幾個(gè)部分組成，按先后順序?yàn)椋呵宄?打開圖形.保存圖形.運(yùn)行.暫停.打開數(shù)據(jù).保存數(shù)據(jù).打印及退出，其使用方法同菜單欄所對應(yīng)三：工作區(qū)：本區(qū)域是顯示采樣到的圖形四：數(shù)據(jù)記錄：是監(jiān)視采樣時(shí)的電壓值與數(shù)據(jù)電壓顯示：顯示的是計(jì)算機(jī)采樣到的電壓值及掃描電壓值數(shù)據(jù)采樣顯示：顯示的是計(jì)算機(jī)采樣到的數(shù)據(jù)和對任意采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也可以根據(jù)采樣到的數(shù)據(jù)來描繪出圖形串行口的選擇如下所示：八、FDTXESR| 電子順磁共振譜儀操作步驟（一）先按照順磁I型的操作步驟，調(diào)出順磁I型的共振信號 （二）鎖相放大器的操作：1. 先用通訊連接線，將鎖相放大器與計(jì)算機(jī)聯(lián)接2. 打開鎖相放大器的電源，將波動(dòng)開關(guān)

17、打在自校上3. 打開儀器的工作軟件，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即進(jìn)行自校采樣，如下所示：4將調(diào)制輸出送到示波器的X通道，調(diào)節(jié)調(diào)制幅度，可以觀察到頻率為1KHz，幅度最大為50mV的正玄波，調(diào)節(jié)調(diào)制相位，可以改變正玄波的相位5用萬用表觀察電流輸出，調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)電位器，看電流是否有變化6以上工作都正常，關(guān)機(jī)連線（三）儀器的總體操作步驟：1 檢波器的輸出接到示波器上2 連接在主機(jī)掃描輸出上的信號線換到鎖相放大器上的電流輸出端3 調(diào)節(jié)鎖相放大器中的電流調(diào)節(jié)電位器，使輸出到線圈上的電流約為80mA左右，將示波器的幅度調(diào)節(jié)在最靈敏檔4 鎖相放大器上的調(diào)制輸出接在高頻線圈（在諧振腔的兩側(cè)）的輸入端，5 調(diào)節(jié)鎖相放大器上

18、調(diào)制幅度為最大，輸入/手調(diào)開關(guān)打在手調(diào)上，通過改變主機(jī)上的直流輸出的大小，觀察示波器，可以看到幅度為1-2mV左右的正玄波，如沒有發(fā)現(xiàn)，可能是鎖相放大器上的電流方向接反了，此調(diào)節(jié)過程需要很細(xì)心的去調(diào)節(jié)6 在示波器上出現(xiàn)正玄波后，將此信號送到鎖相放大器上的IN端，再調(diào)節(jié)主機(jī)上的直流調(diào)節(jié)電位器，可以看到表針在中心點(diǎn)附近來回?cái)[動(dòng)7 把靈敏度開關(guān)打到最靈敏檔（5mV）上,把積分時(shí)間開關(guān)打在最短時(shí)間（10ms）上，指針擺動(dòng)的幅度最大，積分時(shí)間最短，信號看的最明顯8 將鎖相放大器上的輸入/手調(diào)開關(guān)打在輸入上，點(diǎn)擊軟件上的運(yùn)行按鈕，即可看出實(shí)驗(yàn)采樣到的數(shù)據(jù)與圖形9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完后，可對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及圖形進(jìn)行保存或打印九、本儀器操作時(shí)的注意事項(xiàng)： 1 由于儀器的樣品是使用玻璃管封裝，故在放置樣品的時(shí)候，防止玻璃管折短后破碎2 本實(shí)驗(yàn)在操作的過程中，要嚴(yán)格按照說明書上說明的操作步驟去做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的每一步都需要細(xì)心地完成3 實(shí)驗(yàn)完畢后，應(yīng)將儀器上所有電位器都旋到零位，以防止下次開機(jī)時(shí)的沖擊電流將電位器損壞十、性能及指標(biāo)： 1)靈敏度： 1018個(gè)自旋數(shù)(信噪比為5)。 2)頻 率： 9.37GHz(對應(yīng)磁場為0.338T)。 3)掃描頻率：50Hz 4)供電條件：市電220V±10%。 5)樣品空間：5×6mm 6)直流電流調(diào)節(jié)：060