2025年微波頻段電子自旋共振實驗研究報告

微波段電子自旋共振Resonance),是1944年由扎伏伊斯基首先觀測到的，它是磁共振波譜學(xué)的一種分支。在探索物質(zhì)中量過程中不破壞樣品構(gòu)造的長處。目前它在化學(xué)，物理，生物2.通過有機自由基DPPH的g值和EPR譜線共振線寬并Bs,與特斯拉計測量的磁場對比。4.學(xué)習(xí)運用鎖相放大器進行小信號測量的試驗原理電子自旋共振研究的對象是有未偶電子(即未成對電子)的物質(zhì)，如具有奇數(shù)個電子的原子和分的形狀、線寬及g銀子，可以估算出缺陷的密度，理解缺陷的種類，缺陷上電子與電子的互相作用，振(NMR)一般發(fā)生在射頻范圍。在外磁場的作用下的能級發(fā)生分裂，一般認為是塞曼效應(yīng)所引起的。電子自旋磁偶極矩H和自旋磁矩m的關(guān)系是H=Hom。其自旋磁Y,其體現(xiàn)式為因此，電子自旋磁偶極矩沿磁場H方向的分量應(yīng)當(dāng)寫為E=gμgHms2.電子自旋磁偶極矩H在磁場H中的運動電子自旋磁矩繞磁場H的進動方程為Hx=acoswot,Hy=asinwot,Hz=constantμ μ假如在垂直于恒定磁場H的平面內(nèi)加進一種旋轉(zhuǎn)磁場h,若此旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向和進動方向相3.電子自旋的量子力學(xué)描述He=-gμBS△E=gμBH4.弛豫過程、線寬共振吸取的另一種必要條件是在平衡態(tài)下，低能態(tài)E?的粒子數(shù)N,比高能態(tài)E?的粒子數(shù)N?多，這樣才能顯示出宏觀(總體)共振吸取。即由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的粒子數(shù)目比由高能吸取躍遷(E?→E1)占優(yōu)勢，然而隨時間推移及Ez→E1過程的充足進行，勢必使N?與Ni之差趨于減少，甚至也許反轉(zhuǎn)，于是吸取效應(yīng)會減少甚至停止。但實際并非如此，由于包括大量原子或離子的順磁體系中，自旋而互換能量，同步自旋磁矩又與其周圍的其他質(zhì)點(晶格)互相作用而互換能量，這使處在高能態(tài)的電子自旋有機會把它的能量傳遞出去而回到低能態(tài)，這個過程稱弛豫過程導(dǎo)致粒子處在每個能級上的壽命δT縮短，而量子力學(xué)中的“測不準(zhǔn)關(guān)系”指出寬度所示。這樣對于確定的微波頻頻率可以引起共振吸取的磁場強度B的數(shù)值便容許有一個范圍△B,即共振吸取線有一定的寬度又稱譜線半高寬度，簡稱線寬(下圖).馳豫過程越快，B式中△B是實際觀測到的譜線寬度，理論證明EE山E?(N?)PoBoB不核磁共振試驗裝置原理圖整個核磁共振試驗裝置由固定磁場(電磁鐵)及其電源，調(diào)場線圈及其電源，邊限振蕩器，探頭(包括樣品)示波器，頻率計等構(gòu)成。 核磁共振探頭首先提供一種射頻磁場B?.另一方通過電子線路對B?中的能量變化加以檢測，以便觀測核磁共振現(xiàn)象。下圖是本試驗所采用低頻低頻高頻邊限示波器L核磁共振探頭的方框圖,圖中邊限振蕩器產(chǎn)生射頻振蕩，其諧振頻率由樣品線圈和并聯(lián)電容所決定。將邊限振蕩器的振蕩線圈L放置在x方向，振蕩時將產(chǎn)生一種沿線圈軸線x方向的交變磁場(角頻率等于進動頻率)。所謂邊限振蕩器是指振蕩器被調(diào)整在臨界工作狀態(tài)，這樣不僅可以防止核磁共振信號的飽和，而且，當(dāng)樣品有微小能量吸取時，可以引起振蕩器的振幅有較大的相對變化，提高了檢測核磁共振信號的敏捷度。在未發(fā)生共振時，振蕩器產(chǎn)生等幅振蕩，經(jīng)檢波輸出的是直流信號；當(dāng)?shù)竭_共振條件則發(fā)生共振，樣品吸取射頻場的能量，使振蕩器的振幅變小。因此射頻信號的包絡(luò)變成由共振吸取信號調(diào)制的調(diào)幅波，經(jīng)檢波放大后，就可以把這個反應(yīng)振蕩器振蕩幅度大小變化的共振吸取信號檢測出來。因此，試驗中規(guī)定射頻場B?很弱，以保持樣品的非飽和狀態(tài)。3.掃場：觀測核磁共振吸取信號可有兩種措施：一種是磁場Bo的頻率w持續(xù)變化，通過共振區(qū)域，當(dāng)w=Wo=γBo時出現(xiàn)共振峰，稱為掃頻，另一種措施是交變射頻場的頻率w固定，而讓磁場Bo持續(xù)變化，通過共振區(qū)域，稱為掃場，兩者顯示的都是共振吸取與頻率差(w-wo)之間的關(guān)系曲線，本試驗用的是掃場措施。根據(jù)前面的討論，為了得到布洛赫方程的穩(wěn)態(tài)解，通過共振區(qū)所需要的時間要較縱向馳豫時間T?和橫向馳豫時間T?長得多。假如掃場速度太快，不能保證通過各點時都抵達穩(wěn)定平衡，就會觀測到不穩(wěn)定的瞬間現(xiàn)象，而很難觀測到共振現(xiàn)象。4.調(diào)場線圈 調(diào)場線圈用來產(chǎn)生一種弱的低頻交變磁場B,迭加到恒定磁場B上夫，到達掃場的目的，以便于觀測和調(diào)整共振現(xiàn)象。振現(xiàn)象，而在幾十兆赫范圍內(nèi)尋找這一頻率是及其困難的。為了便于觀測共振吸取信號， 一般在穩(wěn)恒磁場方向上迭一種弱的低頻交變磁場B.也就是說恒定磁場Bo被一低頻交變磁場B。所調(diào)制(上圖為Bo和B迭加后隨時間變化的狀況，下圖是射頻場B1振蕩電壓幅值隨時間變化的狀況，圖中的Do為某一射頻在處外加的實際磁場為B?±B.由于調(diào)制磁場的幅值不大，磁場的方向保持不變，因此。在調(diào)制場的作用下，只是磁場的幅值隨調(diào)制磁場周期性的變化，則該磁矩的拉莫爾 旋進角頻率@0也對應(yīng)的在一定范圍內(nèi)發(fā)生周期性的變化，即%的變化范圍之內(nèi)，同步調(diào)制場的峰——峰值不小于共振場的范圍，便能用示波器觀測到共振吸取信號。由于只有與@'對應(yīng)的磁場范圍被磁場B?±B掃過才能發(fā)生核磁共振，才能觀測到共振吸取信號，而其他狀況不滿足共振條件，沒有共振吸取信號，觀測不到核磁共振現(xiàn)象。在核磁共振條件下，磁場變化曲線在一種周期內(nèi)與B:兩次相交，因此在一種周期內(nèi)能觀測到兩個共振吸取信號。若在示波器上出現(xiàn)間隔不相等的共振吸取信號，這是由于和發(fā)生共振的射頻頻率相對應(yīng)的磁場B:的值不等于穩(wěn)恒磁場B。的值。這時假如變化穩(wěn)恒磁場Bo的大小或變化射頻場B?的頻率，都能使共振吸取信號的相對位置發(fā)生變化，出現(xiàn) “相對走動”的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)間隔相等的共振吸取信號時，則其相對位置與調(diào)制磁場 的幅值無關(guān)，并隨幅值的減小信號變低變寬，此時表明B6的值與Bo相等。5.邊限振蕩器工作狀態(tài)的調(diào)整。當(dāng)接通電源后，若數(shù)字頻率計有穩(wěn)定的頻率指示，這表明振蕩器已起振。若指示為“0”或指示不穩(wěn)定，則可轉(zhuǎn)動“邊振調(diào)整”或頻率調(diào)整旋鈕，直至有穩(wěn)定的頻率指示。然后，通過“頻率調(diào)整”旋鈕，緩慢變化振蕩頻率，待示波器上出現(xiàn)共振信號后，再細調(diào)“邊振調(diào)整”,是共振信號到達最強，這時表明振蕩器處在臨界工作狀態(tài)。當(dāng)改換樣品或改變振蕩頻率時，應(yīng)通過“邊振調(diào)整”重調(diào)其工作狀態(tài)。6.穩(wěn)恒磁場強度調(diào)整。本裝置有兩個調(diào)場旋柄，其中調(diào)場旋柄(I)是通過變化磁極柱上的調(diào)場套管位置來實現(xiàn)小范圍場強變化。調(diào)場旋柄(Ⅱ)是通過變化極間距來實現(xiàn)較大范圍場強變化。但當(dāng)極間距變化后，要重調(diào)磁場均勻性，故一般不使用此7.磁場均勻性調(diào)整重要是通過所示的勻場旋柄和勻場頂絲來調(diào)整勻場均勻度，此項調(diào)整技術(shù)難度較大。裝置中磁鐵的勻場頂絲、勻場旋柄均已調(diào)好，請不要輕易扭動。試驗時只需通過三維調(diào)整架將樣品線圈移至磁極間磁場較均勻的位置，即將樣品線圈移至極靴上做有最佳勻場區(qū)標(biāo)識的位置附近。待觀測到共振信號后，再仔細微調(diào)樣品線圈位置，直至出現(xiàn)很好的共振信號波形，極表已尋找到磁場最佳均勻區(qū)。8.調(diào)場的調(diào)整。本裝置配用的調(diào)場電源是和射頻探頭組裝在同一機體內(nèi)，機體背面板上標(biāo)有“調(diào)制線圈”和“示波器X軸”字樣的插口即為調(diào)場電源的輸出，它們分別與磁鐵的調(diào)制線圈插口和示波器的X軸輸入插口相連接。調(diào)場強度和位相可分別通過前面板上“掃場調(diào)整”和“移相調(diào)整”兩個旋鈕來實現(xiàn)。面板上電流表用于指示通過調(diào)場線圈的電流大小。試驗內(nèi)容B調(diào)制信號由上圖a可以看出相似幅度相位小調(diào)制信號，在不一樣直流場條件下輸出波形，其中V1輸出很小幅度，靠近特性曲線斜率較大的地方輸出信號幅度也較大。當(dāng)小調(diào)制信號不不小于線寬AB的10時，輸出信號的幅度近似等于共振線型的微分的絕對值。其中，V3與Y2輸出幅度相等相位差180°。圖b為檢波器輸出信號波形。圖c為檢波器輸出信號通過鎖相放大器相敏檢波和低通濾波后的輸出波形。有機自由基DPPH它的第二個氮原子上有一種未成對電子。它非?？拷杂呻娮拥膅值。其8s=2.0036,EPR譜線半寬度(線寬)AB=2.7×10-4T。若能測出DPPH的共振頻率fs則共振磁場Bs為B?=0.3569×10-6f?(mT)B?=0.3569×10-6f?(mT)_mI00350050由已知s=9.37GHz則Bs=334.4mT與特斯拉計測得的333mT相差不多。思索題1.測g值時，為何要使共振信號等間距?怎樣使信號等間距?當(dāng)共振信號非等間距時，由于hu=△E=gμBH,共振點處Hv使共振信號等間距，共振點處則可以懂得H的值。進而可以測出g值。2.Bo,B怎樣產(chǎn)生?作用是什么?Bo是由電源勵磁電流通過電磁鐵產(chǎn)生。用來提供穩(wěn)定的靜磁場。高辨別率檢測需要愈加穩(wěn)B是由微波源產(chǎn)生。由于能級差是一種精確的量，交變電磁場能量很難固定在這