微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)的研究

摘 要：研究電子自旋共振實(shí)驗(yàn)儀在不同頻率、樣品位置情況下樣品DPPH的電子自旋共振信號(hào)，通過測(cè)量電子自旋共振吸收信號(hào)強(qiáng)度和半高寬，記錄并分析這些改變帶來的共振吸收信號(hào)的變化。

關(guān)鍵詞：電子自旋共振；頻率；樣品位置；半高寬

電子自旋共振技術(shù)是一項(xiàng)檢測(cè)具有未成對(duì)電子樣品的波譜方法，它能獲得有意義的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息和動(dòng)態(tài)信息，在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電子自旋共振技術(shù)最初是物理學(xué)家用來研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、原子偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題[1]。通過測(cè)量樣品的未成對(duì)電子的朗德因子和電子自旋共振波譜可以獲得所測(cè)試元素原子所處的環(huán)境及電子狀態(tài)。文章將深入研究電子自旋共振實(shí)驗(yàn)，改變微波源的頻率、樣品的位置，來測(cè)量這些改變帶來的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）準(zhǔn)備工作。先開啟測(cè)量系統(tǒng)中各儀器的電源，預(yù)熱15分鐘。固體信號(hào)源處于等幅工作狀態(tài)，將磁場(chǎng)逆時(shí)針調(diào)到最低，掃場(chǎng)逆時(shí)針調(diào)到最低，處在檢波狀態(tài)，將樣品置于90mm處。將單螺調(diào)配器的探針逆時(shí)針旋至“0”刻度，信號(hào)源工作于等幅工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)可變衰減器使調(diào)諧電表有指示，然后將“檢波靈敏度”旋鈕指示最大控制磁共振實(shí)驗(yàn)儀的調(diào)諧指示占滿度的2/3左右。用波長(zhǎng)表法[2]測(cè)定微波信號(hào)的頻率。調(diào)節(jié)樣品諧振腔末端的終端活塞，使檢波電流處于極小值，此時(shí)樣品樣品諧振腔諧振，調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器使魔T的2臂和3臂的負(fù)載接近對(duì)稱，檢波電流接近于零，加上掃場(chǎng)并調(diào)節(jié)穩(wěn)恒磁場(chǎng)，觀察示波器上DPPH自由基的電子共振信號(hào)[3]。

（2）改變微波源頻率。調(diào)節(jié)微波信號(hào)源頻率，將樣品置于90mm處，共用波長(zhǎng)表法測(cè)量10組不同頻率微波信號(hào)，當(dāng)魔T兩端對(duì)稱時(shí)，檢波電流接近于零，加上掃場(chǎng)并調(diào)節(jié)穩(wěn)恒磁場(chǎng)觀察電子共振信號(hào)，分別用數(shù)字示波器光標(biāo)法測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度和半高寬[4]。

（3）改變樣品位置。調(diào)節(jié)微波頻率為9370MHZ，改變樣品位置，分別從76mm-98mm每間隔2mm移動(dòng)樣品，相應(yīng)地調(diào)節(jié)魔T兩端對(duì)稱后，檢波電流接近于零，加上掃場(chǎng)并調(diào)節(jié)穩(wěn)恒磁場(chǎng)觀察電子共振信號(hào)，用數(shù)字示波器測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度和半高寬。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改變微波源頻率

微波信號(hào)源的頻率通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器深度進(jìn)行控制，改變微波信號(hào)源的頻率，記錄電子自旋共振信號(hào)的幅度、半高寬，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1。外磁場(chǎng)的作用和弛豫過程是相互獨(dú)立，發(fā)生自旋共振時(shí)，可用著名的布洛赫方程[5]描述：

為了更準(zhǔn)確地看出電子自旋共振信號(hào)強(qiáng)度度與微波頻率的關(guān)系，origin8.0將表1中的測(cè)量數(shù)據(jù)作出共振吸收信號(hào)強(qiáng)度I與微波頻率的變化關(guān)系圖，如圖1所示。

根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，由于測(cè)量的時(shí)間是有限的，導(dǎo)致測(cè)得的能量存在能級(jí)寬度，由表1可知，能級(jí)寬度變化幅度不大，基本穩(wěn)定在左右；由圖1可知，電子自旋共振吸收信號(hào)幅度隨著微波源的頻率增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這里我們只做定性的分析，由式（4）可知諧振腔內(nèi)磁場(chǎng)的幅度B1隨著吸收共振信號(hào)I變化而變化，理論上，微波在諧振腔內(nèi)傳播時(shí)是一種正弦波，改變改變微波的頻率后，樣品處于90mm的微波磁場(chǎng)幅度是頻率改變的，這樣當(dāng)改變微波頻率時(shí)，電子自旋共振吸收信號(hào)幅度也就會(huì)改變。

2.2 改變樣品位置

采用控制變量法，改變DPPH樣品的位置，并始終保持微波的頻率為9370MHZ，從而探究共振吸收信號(hào)與樣品位置的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2。

為了更準(zhǔn)確地看出電子自旋共振吸收信號(hào)幅度與微波頻率的關(guān)系，用origin8.0將表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)作出共振吸收信號(hào)幅度I與微波頻率的變化關(guān)系擬合圖，如圖2所示。

γ2B1T1T2稱為飽和因子，一般選取γ2B1T1T2<<1，由（4）式可得共振吸收信號(hào)的強(qiáng)度即對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)的強(qiáng)度，由圖2可知，我們改變樣品的位置，共振吸收信號(hào)的強(qiáng)度擬合成一條正弦曲線，由此我們可以得出微波磁場(chǎng)在諧振腔內(nèi)是正弦波，改變樣品位置即改變樣品所處的磁場(chǎng)幅度，從而改變樣品的吸收信號(hào)強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

文章利用微波電子自旋共振研究了自旋共振吸收信號(hào)與微波頻率、樣品位置的關(guān)系，根據(jù)定性分析可得通過改變微波的頻率，改變樣品處于90mm位置處的微波磁場(chǎng)幅度，因此共振信號(hào)吸收強(qiáng)度隨微波頻率而發(fā)生改變；并由共振吸收信號(hào)強(qiáng)度與樣品位置的關(guān)系圖可以看出微波在諧振腔內(nèi)是以正弦波的形式進(jìn)行傳播。

參考文獻(xiàn)

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[2]何光龍.在體電子自旋共振（EPR）波譜和成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（英文）[J].波譜學(xué)雜志，2010，01：1-21.

[3]蒲天舒.微波電子自旋共振譜儀的調(diào)試[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2002，15（4）：4-5.

[4]孫桂芳，趙曉林，牟娟，等.微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)波形分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（6）：21-23.

[5]張仲禮，周輝.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].吉林東北師范大學(xué)出版社，1992.

作者簡(jiǎn)介：王杰（1994-），男，安徽六安人，本科生，主要研究液體表面張力的電法測(cè)量。