鐵磁共振課件

鐵磁共振鐵磁共振近代物理實(shí)驗(yàn)之鐵磁共振一、背景介紹二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟六、注意事項(xiàng)七、思考題八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格提綱鐵磁共振一、背景介紹

鐵磁共振是于20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一種研究物質(zhì)宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)手段。它利用磁性物質(zhì)從微波磁場中強(qiáng)烈吸收能量的現(xiàn)象，與核磁共振、順磁共振一樣在磁學(xué)和固體物理學(xué)研究中占有重要地位。它能測量微波鐵氧體的共振線寬、張量磁化率、飽和磁化強(qiáng)度、居里點(diǎn)等重要參數(shù)。該項(xiàng)技術(shù)在微波鐵氧體器件的制造、設(shè)計(jì)等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。鐵磁共振二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私忤F磁共振的基本原理，觀察鐵磁共振現(xiàn)象；測量微波鐵氧體的鐵磁共振線寬；測量微波鐵氧體的g因數(shù)注:鐵磁共振研究鐵原子中電子的磁共振現(xiàn)象鐵磁共振三、實(shí)驗(yàn)原理——概念介紹1.磁共振：具有磁矩的物質(zhì)，在恒定磁場作用下對(duì)電磁輻射能的共振吸收現(xiàn)象。磁共振吸收譜在射頻和微波波段范圍內(nèi)，是物質(zhì)的整個(gè)電磁波譜中的長波區(qū)域。2.鐵磁共振：鐵磁物質(zhì)在一定的外加恒定磁場和一定頻率的微波磁場中當(dāng)滿足共振條件時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收共振的現(xiàn)象。3.鐵氧體：鐵、其他金屬物質(zhì)等元素與氧的化合物鐵磁共振——原理概述

鐵磁物質(zhì)總磁矩在穩(wěn)恒磁場作用下,繞作進(jìn)動(dòng),角頻率為,由于內(nèi)部存在阻尼作用,進(jìn)動(dòng)角逐漸減小,當(dāng)進(jìn)動(dòng)角頻率等于外加微波磁場角頻率時(shí),吸收其能量用以維持進(jìn)動(dòng),此時(shí)即發(fā)生鐵磁共振。鐵磁共振——量子解釋

自旋不為零的粒子，如電子和質(zhì)子，具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放入穩(wěn)恒的外磁場中，粒子的磁矩就會(huì)和外磁場相互作用使粒子的能級(jí)產(chǎn)生分裂（塞曼分裂），分裂后兩能級(jí)間的能量差為

(1)

其中：為旋磁比，為約化普朗可常數(shù)，為穩(wěn)恒外磁場。鐵磁共振——經(jīng)典解釋續(xù)

如果此時(shí)再在穩(wěn)恒外磁場的垂直方向加上一個(gè)交變電磁場，該電磁場的能量為

(2)其中：為交變電磁場的頻率。當(dāng)該能量等于粒子分裂后兩能級(jí)間的能量差時(shí)，即：（3）

(4)

低能級(jí)上的粒子就要吸收交變電磁場的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。鐵磁共振共振吸收信號(hào)共振吸收信號(hào)為了滿足共振條件，通常以兩種方式實(shí)現(xiàn)：固定v改變B，這種方法稱為掃場法；固定B改變v，這種方法稱為掃頻法。BvttB(t)B(t)=B0v(t)v(t)=v0掃場法掃頻法磁共振的實(shí)現(xiàn)方法鐵磁共振——各物理量關(guān)系

旋磁比、玻爾磁子、光譜分裂因子之間有如下的關(guān)系：(5)

而玻爾磁子為(6)

鐵磁共振實(shí)際上是鐵原子中電子的自旋順磁共振，因此需用微波（約9GHZ）來提供電子躍遷所需要的能量。

（本實(shí)驗(yàn)中我們固定微波頻率，通過改變外加恒定磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度來改變電子能級(jí)間距，觀察示波器信號(hào)變化來判斷共振點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度）鐵磁共振——共振線寬概念

磁性物體的磁化率定義為磁化強(qiáng)度矢量于其內(nèi)部磁場強(qiáng)度矢量之比。當(dāng)磁性體受到恒磁場與微波磁場共同作用時(shí)，微波磁化率為一張量。對(duì)于橢球形樣品，且恒磁場沿橢球體主軸方向時(shí)，張量磁化率的表達(dá)式為：（7）

與都為復(fù)數(shù)。其中（8）鐵磁共振——共振線寬概念續(xù)

與恒磁場間有如下圖所示的關(guān)系：Fig.1共振線寬用表示鐵磁共振——共振線寬測量

利用傳輸式諧振腔輸出功率隨恒定磁場的變化關(guān)系來確定。如采用非逐點(diǎn)協(xié)調(diào)，利用右圖并根據(jù)

而檢波電流與成正比關(guān)系，所以用代替即可。Fig.2B與P的關(guān)系曲線鐵磁共振四、實(shí)驗(yàn)儀器Fig.3微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)圖鐵磁共振五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟-11.測微波頻率：調(diào)節(jié)固體微波信號(hào)源的頻率，使其與諧振腔共振。調(diào)節(jié)衰減器，使微安表有50μA的指示。旋轉(zhuǎn)波長表的螺旋測微器，微安表電流指示逐漸減小，當(dāng)電流達(dá)最小值時(shí)，讀取螺旋測微器刻度值，對(duì)照刻度值與頻率的關(guān)系對(duì)照表，得微波頻率值。旋轉(zhuǎn)波長表的螺旋測微器，使微安表回到約50μA的指示。

鐵磁共振-2

2.測I—B曲線：旋開諧振腔上的樣品盒旋鈕，小心放入樣品。將波導(dǎo)有樣品的部分放入永磁鐵的中心部分。逐漸加大勵(lì)磁電流，記取勵(lì)磁電流值，同時(shí)讀微安表的讀數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)換表將勵(lì)磁電流值轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度值，作曲線。據(jù)曲線求半高寬，諧振點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度(對(duì)應(yīng)最小值)，和因子。鐵磁共振1.注意測量微波頻率后，應(yīng)將波長表的螺旋測微器旋過一定大小使微安表回到初始大?。?.測量曲線時(shí)，應(yīng)注意在達(dá)到最小時(shí)周圍應(yīng)多記錄幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)鐵磁共振本實(shí)驗(yàn)是怎樣測量磁損耗的？如何精確消除頻散效應(yīng)？實(shí)驗(yàn)中是如何處理頻散效應(yīng)的？七、思考題鐵磁共振八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格1.測微波頻率刻度平均值：2.962mm對(duì)應(yīng)頻率：ν=9006MHz測量次數(shù)1234刻度值（mm）2.9622.9632.9612.962鐵磁共振——2求共振線寬

和g因子I(A)I(μA)B(mT)I(A)I(μA)B(mT)I(A)I(μA)B(mT)053.53.11.4249.9243.91.8157.2322.40.0553.211.81.4549.4251.01.8259.0324.80.1053.420.21.4849.2257.01.8360.2327.20.1553.929.01.5049.0261.01.8461.0329.60.2054.037.51.5348.1269.41.8562.0332.00.2554.146.01.5547.2275.01.8662.8335.40.3054.155.51.5746.6277.41.8763.0334.80.3554.264.01.5845.8278.61.8863.8336.20.4054.372.81.5945.2279.81.8964.0337.60.4554.581.91.6044.8281.01.9064.2339.00.5054.690.91.6144.0283.01.9164.9339.40.5554.798.81.6243.2285.01.9265.0339.80.6054.7106.01.6342.8287.01.9565.0341.00.6554.7115.01.6442.0289.01.9764.9345.00.7054.4125.01.6541.2291.02.0064.8351.00.7554.5135.01.6640.5292.82.0564.1360.00.8054.2145.01.6740.0294.62.1063.9370.00.8554.1150.01.6839.5296.42.1563.5379.00.9054.0159.01.6939.4298.22.2063.2381.00.9554.0175.01.7039.3300.02.2563.0391.01.0053.8175.21.7139.5302.02.3062.8400.01.0553.5184.01.7240.0304.02.3562.7409.01.1053.2194.01.7341.0306.02.4062.7419.01.1552.8201.01.7442.2308.02.4562.8421.01.2052.3210.01.7544.1310.02.5062.6431.01.2552.0217.51.7645.9312.02.5562.5440.01.3051.