微波段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)

1、.PAGE ：.；PAGE - 14 -微波段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 了解和掌握各個(gè)微波波導(dǎo)器件的功能和調(diào)理方法。2. 了解電子自旋共振的根本原理，比較電子自旋共振與核磁共振各自的特點(diǎn)。3察看在微波段電子自旋共振景象，丈量DPPH樣品自在基中電子的朗德因子。4. 了解諧振腔中TE10波構(gòu)成駐波的情況，調(diào)理樣品腔長(zhǎng)，丈量不同的共振點(diǎn)，確定波導(dǎo)波長(zhǎng)。5根據(jù)DPPH樣品的譜線寬度，估算樣品的橫向弛豫時(shí)間。【實(shí)驗(yàn)儀器】FD-ESR-C型微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)儀，雙蹤示波器【實(shí)驗(yàn)原理】概述:電子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年，S.A.Goudsmit和G.Uhlenbe

2、ck用它來(lái)解釋某種元素的光譜精細(xì)構(gòu)造獲得勝利。Stern和Ger1aok也以實(shí)驗(yàn)直接證明了電子自旋磁矩的存在。電子自旋共振(Electron Spin Resonance)縮寫(xiě)為ESR，又稱順磁共振(縮寫(xiě)為EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指處于恒定磁場(chǎng)中的電子自旋磁矩在射頻電磁場(chǎng)作用下發(fā)生的一種磁能級(jí)間的共振躍遷景象。這種共振躍遷景象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁資料中，稱為電子順磁共振。1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振(NMR)景象非常類似，所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR實(shí)驗(yàn)技術(shù)后來(lái)也被

3、用來(lái)觀測(cè)ESR景象。ESR己勝利地被運(yùn)用于順磁物質(zhì)的研討,目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了極其廣泛的運(yùn)用。例如發(fā)現(xiàn)過(guò)渡族元素的離子、研討半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷、離子晶體的構(gòu)造、金屬和半導(dǎo)體中電子交換的速度以及導(dǎo)電電子的性質(zhì)等。所以，ESR是一種重要的近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)。ESR的研討對(duì)象是具有不成對(duì)電子的物質(zhì)，如(1)具有奇數(shù)個(gè)電子的原子，象氫原子；(2)內(nèi)電子殼層未被充溢的離子，如過(guò)渡族元素的離子；(3)具有奇數(shù)個(gè)電子的分子，如NO； (4)某些雖不含奇數(shù)個(gè)電子，但總角動(dòng)量不為零的分子，如O2 ；(5)在反響過(guò)程中或物質(zhì)因受輻射作用產(chǎn)生的自在基；(6)金屬半導(dǎo)體中的未成對(duì)電子等等，經(jīng)

4、過(guò)對(duì)電子自旋共振波譜的研討，即可得到有關(guān)分子、原子或離子中未偶電子的形狀及其周圍環(huán)境方面的信息，從而得到有關(guān)的物理構(gòu)造和化學(xué)鍵方面的知識(shí)。用電子自旋共振方法研討未成對(duì)的電子，可以獲得其它方法不能得到或不能準(zhǔn)確得到的數(shù)據(jù)。如電子所在的位置，游離基所占的百分?jǐn)?shù)等等。一、儀器簡(jiǎn)介FD-ESR-C型微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)安裝主要由四部分組成：磁鐵系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)主機(jī)系統(tǒng)。它主要用來(lái)丈量DPPH樣品的ESR吸收譜線，丈量g因子，并分析微波系統(tǒng)的特性。如圖1所示。圖1 FD-ESR-C型微波段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)儀FD-ESR-C型微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)儀技術(shù)目的：1短路活塞 調(diào)理范圍 065mm2樣品管外徑

5、 4.8mm3微波頻率計(jì) 丈量范圍 8.2GHz-12.4GHz 分辨率 0.005GHz4數(shù)字式高斯計(jì) 丈量范圍 02T 分辨率 0.0001T5.波導(dǎo)規(guī)格：BJ-100(波導(dǎo)內(nèi)尺寸：22.86mm10.16mm)二、本卷須知1.磁極間隙在儀器出廠前曾經(jīng)調(diào)整好，實(shí)驗(yàn)時(shí)最好不要自行調(diào)理，以免偏離共振磁場(chǎng)過(guò)大。2.維護(hù)好高斯計(jì)探頭，防止彎折、擠壓。3.勵(lì)磁電流要緩慢調(diào)整，同時(shí)仔細(xì)留意波形變化，才干識(shí)別出共振吸收峰。三、實(shí)驗(yàn)原理1實(shí)驗(yàn)樣品本實(shí)驗(yàn)丈量的規(guī)范樣品為含有自在基的有機(jī)物DPPHDi-phenyl-picryl-Hydrazyl，稱為二苯基苦酸基聯(lián)氨，分子式為，構(gòu)造式如圖2所示。圖2 DPP

6、H的分子構(gòu)造式它的第二個(gè)N原子少了一個(gè)共價(jià)鍵，有一個(gè)未偶電子，或者說(shuō)一個(gè)未配對(duì)的“自在電子，是一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)自在基。對(duì)于這種自在電子，它只需自旋角動(dòng)量而沒(méi)有軌道角動(dòng)量?；蛘哒f(shuō)它的軌道角動(dòng)量完全猝滅了。所以在實(shí)驗(yàn)中可以容易地察看到電子自旋共振景象。由于DPPH中的“自在電子并不是完全自在的，其g因子規(guī)范值為2.0036，規(guī)范線寬為2.710-4T。2電子自旋共振ESR與核磁共振NMR的比較。電子自旋共振ESR和核磁共振NMR分別研討未偶電子和磁性核塞曼能級(jí)間的共振躍遷，根本原理和實(shí)驗(yàn)方法上有許多共同之處，如共振與共振條件的經(jīng)典處置，量子力學(xué)描畫(huà)、弛豫實(shí)際及描畫(huà)宏觀磁化矢量的唯象布洛赫方程等。由于

7、玻爾磁子和核磁子之比等于質(zhì)子質(zhì)量和電子質(zhì)量之比1836.152710371986年國(guó)際引薦值，因此，在一樣磁場(chǎng)下核塞曼能級(jí)裂距較電子塞曼能級(jí)裂距小三個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣在通常磁場(chǎng)條件下ESR的頻率范圍落在了電磁波譜的微波段，所以在弱磁場(chǎng)的情況下，可以察看電子自旋共振景象。根據(jù)玻爾茲曼分布規(guī)律，能級(jí)裂距大，上、下能級(jí)間粒子數(shù)的差值也大，因此ESR的靈敏度較NMR高，可以檢測(cè)低至10-4mol的樣品，例如半導(dǎo)體中微量的特殊雜質(zhì)。此外，由于電子磁矩較核磁矩大三個(gè)數(shù)量級(jí)，電子的順磁弛豫相互作用較核弛豫相互作用強(qiáng)很多，縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2普通都很短，因此除自在基外，ESR譜線普通都較寬。ESR只

8、能調(diào)查與未偶電子相關(guān)的幾個(gè)原子范圍內(nèi)的部分構(gòu)造信息，對(duì)有機(jī)化合物的分析遠(yuǎn)不如NMR優(yōu)越；但是ESR能方便的用于研討固體。ESR的最大特點(diǎn)，在于它是檢測(cè)物質(zhì)中未偶電子唯不斷接的方法，只需資料中有順磁中心，就可以進(jìn)展研討。即使樣品中本來(lái)不存在未偶電子，也可以用吸附、電解、熱解、高能輻射、氧化復(fù)原等化學(xué)反響和人工方法產(chǎn)生順磁中心。3電子自旋共振條件由原子物理學(xué)可知，原子中電子的軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量會(huì)引起相應(yīng)的軌道磁矩和自旋磁矩，而和的總角動(dòng)量引起相應(yīng)的電子總磁矩為 1式中為電子質(zhì)量，為電子電荷，負(fù)號(hào)表示電子總磁矩方向與總角動(dòng)量方向相反，是一個(gè)無(wú)量綱的常數(shù)，稱為朗德因子。按照量子實(shí)際，電子的L-S耦

9、合結(jié)果，朗德因子為 2式中,分別為對(duì)原子角動(dòng)量有奉獻(xiàn)的各電子所合成的總軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量量子數(shù)。由上式可見(jiàn)，假設(shè)原子的磁矩完全由電子自旋所奉獻(xiàn)，那么，反之，假設(shè)磁矩完全由電子的軌道磁矩所奉獻(xiàn)，那么。假設(shè)兩者都有奉獻(xiàn)，那么的值在1與2之間。因此，與原子的詳細(xì)構(gòu)造有關(guān)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定的數(shù)值可以判別電子運(yùn)動(dòng)形狀的影響，從而有助于了解原子的構(gòu)造。通常原子磁矩的單位用波爾磁子表示，這樣原子中的電子的磁矩可以寫(xiě)成 3式中稱為旋磁比 4由量子力學(xué)可知，在外磁場(chǎng)中角動(dòng)量和磁矩在空間的取向是量子化的。在外磁場(chǎng)方向Z軸的投影 5 6式中為磁量子數(shù)，。當(dāng)原子磁矩不為零的順磁物質(zhì)置于恒定外磁場(chǎng)中時(shí)，其相互作用能

10、也是不延續(xù)的，其相應(yīng)的能量為 7不同磁量子數(shù)所對(duì)應(yīng)的形狀上的電子具有不同的能量。各磁能及是等距分裂的，兩相鄰磁能級(jí)之間的能量差為 8假設(shè)在垂直于恒定外磁場(chǎng)方向上加一交變電磁場(chǎng)，其頻率滿足 9當(dāng)時(shí)，電子在相鄰能級(jí)間就有躍遷。這種在交變磁場(chǎng)作用下，電子自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的能級(jí)間的共振吸收和輻射景象，稱為電子自旋共振ESR。式9即為共振條件，可以寫(xiě)成 10或者 11對(duì)于樣品DPPH來(lái)說(shuō)，朗德因子參考值為，將，和值帶入上式可得這里取， 12在此的單位為高斯1Gs=T，的單位為兆赫茲MHz，假照實(shí)驗(yàn)時(shí)用波段的微波，頻率為9370MHz，那么共振時(shí)相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度要求到達(dá)3342Gs。共振吸收

11、的另一個(gè)必要條件是在平衡形狀下，低能態(tài)的粒子數(shù)比高能態(tài)的粒子數(shù)多，這樣才可以顯示出宏觀總體共振吸收，由于熱平衡時(shí)粒子數(shù)分布服從玻爾茲曼分布 13由13式可知，由于，顯然有，即吸收躍遷占優(yōu)勢(shì)，然而隨著時(shí)間推移以及過(guò)程的充分進(jìn)展，勢(shì)必使與之差趨于減小，甚至能夠反轉(zhuǎn)，于是吸收效應(yīng)會(huì)減少甚至停頓，但實(shí)踐并非如此，由于包含大量原子或離子的順磁體系中，自旋磁矩之間隨時(shí)都在相互作用而交換能量，同時(shí)自旋磁矩又與周圍的其他質(zhì)點(diǎn)晶格相互作用而交換能量，這使處在高能態(tài)的電子自旋有時(shí)機(jī)把它的能量傳送出去而回到低能態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為弛豫過(guò)程，正是弛豫過(guò)程的存在，才干維持著延續(xù)不斷的磁共振吸收效應(yīng)。弛豫過(guò)程所需的時(shí)間稱為弛

12、豫時(shí)間，實(shí)際證明 14稱為“自旋晶格弛豫時(shí)間，也稱為“縱向弛豫時(shí)間，稱為“自旋晶格弛豫時(shí)間，也稱為“橫向弛豫時(shí)間。4譜線寬度與光譜線一樣，ESR譜線也有一定的寬度。假設(shè)頻寬用表示，那么，相應(yīng)有一個(gè)能級(jí)差的不確定量，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，為能級(jí)壽命，于是有 15這就意味著粒子在上能級(jí)上的壽命的縮短將導(dǎo)致譜線加寬。導(dǎo)致粒子能級(jí)壽命縮短的根本緣由是自旋晶格相互作用和自旋自旋相互作用。對(duì)于大部分自在基來(lái)說(shuō)，起主要作用的是自旋自旋相互作用。這種相互作用包括了未偶電子與相鄰原子核自旋之間以及兩個(gè)分子的未偶電子之間的相互作用。因此譜線寬度反映了粒子間相互作用的信息，是電子自旋共振譜的一個(gè)重要參數(shù)。用移相器信號(hào)作為

13、示波器掃描信號(hào)，可以得到如圖3所示的圖形，測(cè)定吸收峰的半高寬或者稱譜線寬度，假設(shè)譜線為洛倫茲型，那么有 16其中旋磁比，這樣即可以計(jì)算出共振樣品的橫向弛豫時(shí)間。圖3 根據(jù)樣品吸收譜線的半高寬計(jì)算橫向弛豫時(shí)間微波根底知識(shí)與微波器件1微涉及其傳輸由于微波的波長(zhǎng)短，頻率高，它曾經(jīng)成為一種電磁輻射，所以傳輸微波就不能用普通的金屬導(dǎo)線。常用的微波傳輸器件有同軸線、波導(dǎo)管、帶狀線和微帶線等，引導(dǎo)電磁波傳播的空心金屬管稱為波導(dǎo)管。常見(jiàn)的波導(dǎo)管有矩形波導(dǎo)管和圓柱形波導(dǎo)管兩種。從電磁場(chǎng)實(shí)際知道，在自在空間傳播的電磁波是橫波，簡(jiǎn)寫(xiě)為TEM波，實(shí)際分析闡明，在波導(dǎo)中只能存在以下兩種電磁波：波，即橫電波，它的電場(chǎng)只需

14、橫向分量而磁場(chǎng)有縱向分量；波，即橫磁波，它的磁場(chǎng)只需橫向分量而電場(chǎng)存在縱橫分量，在實(shí)踐運(yùn)用中，總是把波導(dǎo)設(shè)計(jì)成只能傳輸單一波形。波是矩形波導(dǎo)中最簡(jiǎn)單和最常運(yùn)用的一種波型，也稱為主波型。圖4 矩形波導(dǎo)管普通截面為的、均勻的、無(wú)限長(zhǎng)的矩形波導(dǎo)如圖4所示，管壁為理想導(dǎo)體，管內(nèi)充以介電常數(shù)為，磁導(dǎo)率為的介質(zhì)，那么沿方向傳播的波的各分量為 17 18 19 20其中為電磁波的角頻率，稱為相位常數(shù)， 21稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)，為截止或臨界波長(zhǎng)對(duì)微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為電磁波在自在空間的波長(zhǎng)。波具有以下特性：a存在一個(gè)截止波長(zhǎng)，只需波長(zhǎng)的電磁波才干在波導(dǎo)管中傳播。b波長(zhǎng)為的電磁波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，波長(zhǎng)變?yōu)?。c電

15、場(chǎng)矢量垂直于波導(dǎo)寬壁只需，沿方向兩邊為0，中間最強(qiáng)，沿方向是均勻的。磁場(chǎng)矢量在波導(dǎo)寬壁的平面內(nèi)只需、，的含義是TE表示電場(chǎng)只需橫向分量。1表示場(chǎng)沿寬邊方向有一個(gè)最大值，0表示場(chǎng)沿窄邊方向沒(méi)有變化例如，表示場(chǎng)沿寬邊和窄邊分別有和個(gè)最大值。 實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，波導(dǎo)不是無(wú)限長(zhǎng)的，它的終端普通接有負(fù)載，當(dāng)入射電磁波沒(méi)有被負(fù)載全部吸收時(shí)，波導(dǎo)中就存在反射波而構(gòu)成駐波，為此引入反射系數(shù)和駐波比來(lái)描畫(huà)這種形狀。 22 23、分別是某橫截面處電場(chǎng)反射波和電場(chǎng)入射波，是它們之間的相位差。和分別是波導(dǎo)中駐波電場(chǎng)最大值和最小值。和的關(guān)系為 24當(dāng)微波功率全部被負(fù)載吸收而沒(méi)有反射時(shí)，此形狀稱為匹配形狀，此時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)是行波形

16、狀。當(dāng)終端為理想導(dǎo)體時(shí)，構(gòu)成全反射，那么，稱為全駐波形狀。當(dāng)終端為恣意負(fù)載時(shí)，有部分反射，此時(shí)為行駐波形狀混波形狀。2微波器件1固態(tài)微波信號(hào)源教學(xué)儀器中常用的微波振蕩器有兩種，一種是反射式速調(diào)管振蕩器，另外一種是耿式Gunn二極管振蕩器，也稱為體效應(yīng)二極管振蕩器，或者稱為固態(tài)源。耿式二極管振蕩器的中心是耿式二極管。耿式二極管主要是基于n型砷化鎵的導(dǎo)帶雙谷高能谷和低能谷構(gòu)造。1963年耿式在實(shí)驗(yàn)中察看到，在n型砷化鎵樣品的兩端加上直流電壓，當(dāng)電壓較小時(shí)樣品電流隨電壓的增高而增大；當(dāng)電壓超越某一臨界值后，隨著電壓的增高電流反而減小，這種隨著電場(chǎng)的添加電流下降的景象稱為負(fù)阻效應(yīng)，電壓繼續(xù)增大，那么電

17、流趨向于飽和，如圖5所示，這闡明n型砷化鎵樣品具有負(fù)阻特性。圖5 耿式二極管的電流電壓特性砷化鎵的負(fù)阻特性可以用半導(dǎo)體能帶實(shí)際解釋，如圖6所示，砷化鎵是一種多能谷資料，其中具有最低能量的主谷和能量較高的臨近子谷具有不同的性質(zhì)，當(dāng)電子處于主谷時(shí)有效質(zhì)量較小，那么遷移率較高；當(dāng)電子處于子谷時(shí)有效質(zhì)量較大，那么遷移率較低。在常溫且無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，大部分電子處于電子遷移率高而有效質(zhì)量低的主谷，隨著外加磁場(chǎng)的增大，電子平均漂移速度也增大；當(dāng)外加電場(chǎng)大到足夠使主谷的電子能量添加至0.36eV時(shí)，部分電子轉(zhuǎn)移到子谷，在那里遷移率低而有效質(zhì)量較大，其結(jié)果是隨著外加電壓的增大，電子的平均漂移速度反而減小。圖6 砷

18、化鎵的能帶構(gòu)造 圖7 耿式管中疇的構(gòu)成、傳播和消逝過(guò)程圖7所示為一耿式二極管表示圖。在管兩端加電壓，當(dāng)管內(nèi)電場(chǎng)略大于為負(fù)阻效應(yīng)起始電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，由于管內(nèi)部分電量的不均勻漲落通常在陰極附近，在陰極端開(kāi)場(chǎng)生成電荷的偶極疇，偶極疇的構(gòu)成使疇內(nèi)電場(chǎng)增大而使疇外電場(chǎng)下降，從而進(jìn)一步使疇內(nèi)的電子轉(zhuǎn)入高能谷，直至疇內(nèi)電子全部進(jìn)入高能谷，疇不再長(zhǎng)大。以后，偶極疇在外電場(chǎng)作用下以飽和漂移速度向陽(yáng)極挪動(dòng)直至消逝。而后整個(gè)電場(chǎng)重新上升，再次反復(fù)一樣的過(guò)程，周而復(fù)始的產(chǎn)生疇的建立、挪動(dòng)和消逝，構(gòu)成電流的周期性振蕩，構(gòu)成一連串很窄的電流，這就是耿式二極管道振蕩原理。耿式二極管的任務(wù)頻率主要由偶極疇的渡越時(shí)間決議，實(shí)踐運(yùn)用

19、中，普通將耿式二極管裝在金屬諧振腔中做成振蕩器，經(jīng)過(guò)改動(dòng)腔體內(nèi)的機(jī)械調(diào)諧安裝可以在一定范圍內(nèi)改動(dòng)耿式二極管的任務(wù)頻率。2隔離器隔離器是一種不可逆的衰減器，在正方向或者需求傳輸?shù)姆较蛏纤乃p量很小，約0.1dB左右，反方向的衰減量那么很大，到達(dá)幾十dB，；兩個(gè)方向的衰減量之比為隔離度。假設(shè)在微波源后面加隔離器，它對(duì)輸出功率的衰減量很小，但對(duì)于負(fù)載反射回來(lái)的反射波衰減量很大。這樣，可以防止因負(fù)載變化使微波源的頻率及輸出功率發(fā)生變化，即在微波源和負(fù)載之間起到隔離的作用。3環(huán)行器環(huán)行器是一種多端口定向傳輸電磁波的微波器件，其中運(yùn)用最多的是三端口和四端口環(huán)形器。以下以三端口結(jié)型波導(dǎo)環(huán)行器為例來(lái)闡明其特

20、性。圖8 環(huán)行器構(gòu)造由于三個(gè)分支波導(dǎo)交于一個(gè)微波結(jié)上，所以稱為“結(jié)型。這里分支傳輸線為波導(dǎo)，但也可以由同軸線或微帶線等構(gòu)成。該環(huán)形器內(nèi)裝有一個(gè)圓柱形鐵氧體柱，為了使電磁波產(chǎn)生場(chǎng)移效應(yīng)，通常在鐵氧體柱上沿軸向施加恒磁場(chǎng)，根據(jù)場(chǎng)移效應(yīng)原理，被磁化的鐵氧體將對(duì)經(jīng)過(guò)的電磁波產(chǎn)生場(chǎng)移，如圖8所示，當(dāng)電磁波由臂1饋入時(shí)，由于場(chǎng)移效應(yīng)，它將向臂2方向，同樣道理由臂2饋入的電磁波也只向臂3方向偏移而不饋入臂1，依此類推，該環(huán)行器將具有向右定向傳輸?shù)奶匦?。鐵氧體環(huán)行器經(jīng)常運(yùn)用于微波源與微波腔體之間，特別是在反響環(huán)境非常惡劣的情況下可以維護(hù)發(fā)生電源與磁控管的平安。4晶體檢波器微波檢波系統(tǒng)采用半導(dǎo)體點(diǎn)接觸二極管又稱

21、微波二極管，外殼為高頻鋁瓷管，如圖9所示，晶體檢波器就是一段波導(dǎo)和裝在其中的微波二極管，將微波二極管插入波導(dǎo)寬臂中，使它對(duì)波導(dǎo)兩寬臂間的感應(yīng)電壓與該處的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比進(jìn)展檢波。 圖9晶體檢波器構(gòu)造5雙T調(diào)配器調(diào)配器是用來(lái)使它后面的微波部件調(diào)成匹配，匹配就是使微波可以完全進(jìn)入而一點(diǎn)也不能反射回來(lái)。微波段電子自旋共振運(yùn)用的是雙T調(diào)配器，其構(gòu)造如圖10所示，圖10 雙T接頭調(diào)配器它是由雙T接頭構(gòu)成，在接頭的H臂和E臂內(nèi)各接有可以活動(dòng)的短路活塞，改動(dòng)短路活塞在臂中的位置，便可以使得系統(tǒng)匹配。由于這種匹配器無(wú)妨害系統(tǒng)的功率傳輸和構(gòu)造上具有某些機(jī)械的對(duì)稱性，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：a)可以運(yùn)用在高功率傳輸系統(tǒng)，

22、尤其是在毫米波波段；b有較寬的頻帶；c)有很寬的駐波匹配范圍。雙T調(diào)配器調(diào)理方法：在駐波不太大的情況下，先調(diào)諧E臂活塞，使駐波減至最小，然后再調(diào)諧H臂活塞，就可以得到近似的匹配駐波比s1.10，假設(shè)駐波較大，那么需求反復(fù)調(diào)諧E臂和H臂活塞，才干使駐波比降低到很小的程度駐波比s1.02。6頻率計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器中運(yùn)用較多的是“吸收式諧振頻率計(jì)，諧振式頻率計(jì)包含一個(gè)裝有調(diào)諧柱塞的圓柱形空腔，腔外有GHz的數(shù)字讀出器，空腔經(jīng)過(guò)隙孔耦合到一段直波導(dǎo)管上，諧振式頻率計(jì)的腔體經(jīng)過(guò)耦合元件與待測(cè)微波信號(hào)的傳輸波導(dǎo)相銜接，構(gòu)成波導(dǎo)的分支，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)它不吸收微波功率，也根本上不

23、影響波導(dǎo)中波的傳輸，呼應(yīng)的系統(tǒng)終端輸出端的信號(hào)檢測(cè)器上所指示的為一恒定大小的信號(hào)輸出，丈量頻率時(shí)，調(diào)理頻率計(jì)上的調(diào)諧機(jī)構(gòu)，將腔體調(diào)理至諧振，此時(shí)波導(dǎo)中的電磁場(chǎng)就有部分功率進(jìn)入腔內(nèi)，使得到達(dá)終端信號(hào)檢測(cè)器的微波功率明顯減少，只需讀出對(duì)應(yīng)系統(tǒng)輸出為最小值時(shí)調(diào)諧機(jī)構(gòu)上的讀數(shù)，就得到所丈量的微波頻率。7扭波導(dǎo)改動(dòng)波導(dǎo)中電磁波的偏振方向?qū)﹄姶挪o(wú)衰減，主要作用便于機(jī)械安裝由于磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)方向?yàn)槌潭确较颍盆F產(chǎn)生磁場(chǎng)必需垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，而前面的微波源、雙T調(diào)配器以及頻率計(jì)的寬邊均為程度方向。8矩形諧振腔矩形諧振腔是由一段矩形波導(dǎo)，一端用金屬片封鎖而成，封鎖片上開(kāi)一小孔，讓微波功率進(jìn)入，另一端接短路

24、活塞，組成反射式諧振腔，腔內(nèi)的電磁波構(gòu)成駐波，因此諧振腔內(nèi)各點(diǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅有一定的分布，實(shí)驗(yàn)時(shí)被測(cè)樣品放在交變磁場(chǎng)最大處，而穩(wěn)恒磁場(chǎng)垂至于波導(dǎo)寬邊這也是前面引見(jiàn)的扭波導(dǎo)的作用表達(dá)，由于穩(wěn)恒磁場(chǎng)處于程度方向比較容易，這樣可以保證穩(wěn)恒磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)相互垂直。9短路活塞短路活塞是接在傳輸系統(tǒng)終端的單臂微波元件，如圖11所示，它接在終端對(duì)入射微波功率幾乎全部反射而不吸收，從而在傳輸系統(tǒng)中構(gòu)成純駐波形狀。它是一個(gè)可挪動(dòng)金屬短路面的矩形波導(dǎo)，也可稱可變短路器。其短路面的位置可經(jīng)過(guò)螺旋來(lái)調(diào)理并可直接讀數(shù)。在微波段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中短路活塞與矩形諧振腔組成一個(gè)可調(diào)式的矩形諧振腔。圖11 短路活塞安裝圖

25、整套微波系統(tǒng)安裝完好后如圖12所示，從左至右依次為微波源、隔離器、環(huán)行器另一邊有檢波器、雙T調(diào)配器、頻率計(jì)、扭波導(dǎo)、諧振腔、短路活塞。圖12 微波段電子自旋共振微波系統(tǒng)完好安裝安裝圖【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】1將實(shí)驗(yàn)主機(jī)與微波系統(tǒng)、電磁鐵以及示波器銜接，詳細(xì)方法為：高斯計(jì)探頭與實(shí)驗(yàn)主機(jī)上的五芯航空座相連，并將探頭固定在諧振腔邊上磁場(chǎng)空隙處與樣檔次置大致平行，用同軸線將主機(jī)“DC12V輸出與微波源相連，用兩根帶紅黑手槍插頭銜接線將勵(lì)磁電源與電磁鐵相連，用Q9線將主機(jī)“掃面電源與磁鐵掃描線圈相連，用Q9線將檢波器與示波器相連，放入樣品，開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)主機(jī)和示波器的電源,預(yù)熱20分鐘。2調(diào)理主機(jī)“電磁鐵勵(lì)磁電源調(diào)理電位

26、器，改動(dòng)勵(lì)磁電流，察看數(shù)字式高斯計(jì)表頭讀數(shù)，假設(shè)隨著勵(lì)磁電流表頭顯示為電壓，由于線圈發(fā)熱很小，電壓與勵(lì)磁電流成線性關(guān)系添加，高斯計(jì)讀數(shù)增大闡明勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)與永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)方向一致，反之，那么兩者方向相反，此時(shí)只需將紅黑插頭交換遺下即可，由小至大改動(dòng)勵(lì)磁電流，記錄電壓讀數(shù)與高斯計(jì)讀數(shù)，做電壓磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系圖，找出關(guān)系式，在后面的丈量中可以不用高斯計(jì)，而經(jīng)過(guò)擬合關(guān)系式計(jì)算得出中心磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值。3調(diào)理雙T調(diào)配器的兩臂上的短路活塞，察看示波器上信號(hào)線能否有跳動(dòng)，假設(shè)有跳動(dòng)闡明微波系統(tǒng)任務(wù)，如無(wú)跳動(dòng)，檢查12V電源能否正常。調(diào)理勵(lì)磁電源使共振磁場(chǎng)在3300高斯左右，調(diào)理短路活塞，察看示波器能否有共振吸收信號(hào)出現(xiàn)，調(diào)理到一定位置出現(xiàn)吸收信號(hào)時(shí)，再調(diào)理雙T調(diào)配器使信號(hào)最大，如圖13 中b圖左側(cè)所示,此時(shí)再細(xì)調(diào)勵(lì)磁電源，使信號(hào)均勻出現(xiàn)，如圖13 中c圖左側(cè)所示。圖13中右側(cè)圖為經(jīng)過(guò)移相器察看到的吸收信號(hào)的李薩如圖。圖13