王 杰 曹 旭

中国石油大学（华东）理学院应用物理1304班

微波电子自旋共振仪的改装与应用

王 杰 曹 旭

中国石油大学（华东）理学院应用物理1304班

电子自旋共振是通过测量样品的未成对电子的朗德因子和电子自旋共振波谱，可以精确分析这些不成对电子所处的位置及能态等信息，所以电子自旋共振技术是探索物质微观结构和运动状态的重要手段。它在物理、生物、化学、医药等各个领域应用广泛。在生物学中的自旋标记技术，是把某些良好特性的顺磁自由基加接在待测的生物化学分子中，用ESR来探索生物体系的结构和生物反应机制；在化学分析和结构分析方面，利用ESR研究谱线的精细结构和朗德因子的不对称性可鉴别出未知的过渡金属离子或晶格的缺陷，或判别同一离子的几种价态；此外，实际应用方面可以用电子自旋共振来测量地磁场强度、检测杂质和研究辐射损伤等。目前很多高校都将电子自旋共振作为大学近代物理实验中的一个重要实验项目，也是近代物理试验中比较典型的综合性实验，不仅可以培养学生的综合能力，而且还可以提高学生的创新的能力，充分调动学生做实验、探索实验的积极性。

基于原有的微波电子自旋共振仪，重新改装仪器，改装分为两种，一种是将终端匹配负载更换反射铜板，探究微波频率、样品位置改变对共振信号的影响；另一种情况是将终端匹配负载更换为可调电抗器，通过改变可调电抗器的位置，测出出现相同共振信号强度的可调电抗器间距，从而间接算出微波传播的速度。本文主要探索更换可调电抗器带来的影响，并利用可调电抗器与电子自旋共振仪组装测出微波的传播速度。

实验测量原理

原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。具有自旋磁矩的电子，当受到外磁场的作用时，由于塞曼效应使电子的能级发生分裂，两相邻磁能级之间的能量差ΔE 与外磁场B0成正比：

式（1）中，g是朗德因子，µB是玻尔磁子。根据磁共振原理，如果在垂直磁场B0的方向上施加一个频率为ν的交变磁场，当磁场强度B0和微波频率满足下式：

时，电子就会吸收电磁波能量，实现能级间的跃迁，这就是电子自旋共振现象，实验中的交变磁场可以由射频线圈产生，也可以由微波磁场提供。

根据波导波长λg与 中微波波长λ的相互关系：

其中：

式中λc=2a为截止或临界波长，在自由空间中，由自由空间的波长可得微波传播的速度：

式中f为微波频率，λ为自由空间的波长，v为微波传播速度，通过用可调电抗器测出波导波长λg，利用公式（3）间接求出自由空间的波长，从而算得微波传播速度。

实验方法

本实验采用的电子自旋共振实验装置是由北京大华无线电仪器厂生产的微波顺磁共振波谱仪，借助原有的器件改装微波电子自旋共振仪，将终端的匹配负载取下，换上可调电抗器，改装后的微波电子自旋共振仪保持具有合理结构、成本低廉和操作方便的特点，有利于进行创新型和设计型实验。

将固体信号源设置于等幅工作状态，将磁场逆时针调到最低，扫场逆时针调到最低，处在检波状态，将样品置于90mm处，将单螺调配器的探针逆时针旋至“0”刻度，调节可变衰减器使调谐电表有指示，然后将“检波灵敏度”旋钮指示最大控制磁共振实验仪的调谐指示占满度的2/3左右。

用波长表法调节微波频率为9370 MHZ，调节样品谐振腔末端的终端负载活塞使魔T对称，检波电流接近于零，加上扫场并调节稳恒磁场观察示波器DPPH自由基的电子共振信号，改变可调电抗器位置，当出现相同共振信号时，记录此时可调电抗器的位置。

实验结果与分析

将终端的匹配负载取下，换上可调电抗器，并始终保持样品90mm位置和微波频率9370MHZ不变，调节可调电抗器的位置，实验数据记录如表1所示。

表1　改变可调电抗器位置测量的信号强度、半高宽

用直尺测出波导宽边长度为a=24.0 mm，从而得截止波长。由表1可得出现相同共振吸收信号强度时，间距近似相等，用逐差法法求得mm，将λg和λc代入（3）式可得自由空间微波波长λ=30.993 mm。结合微波频率用波长表法测为9370 MHZ，将微波频率和自由空间波长带入公式（5），因此算得微波传播速度，已知微波在真空中的传播速度的标准值为m/s，测得结果与标准值相对误差为3.1%，出现误差的原因有环境温度影响、出现共振信号强度存在偏差等，但主要原因是测出是空气中自由空间电磁波传播速度，并非绝对真空。

结束语

在熟悉并掌握电子自旋共振的基本原理和实验方法的基础上，通过改装微波电子自旋共振仪，利用可调电抗器测出自由空间电磁波传播的速度，用微波电子自旋共振仪测电磁波的传播速度不仅为电磁波传播速度测量提供了一种切实可行的方法，而且丰富了微波电子自旋共振实验内容。