近代物理實驗報告

實驗名稱：鐵磁共振指導(dǎo)教師：鮑德松專業(yè)：物理班級：求是物理班1401姓名：朱勁翔學(xué)號：3140105747實驗日期：2016.10.19實驗?zāi)康模撼醪秸莆沼梦⒉ㄖC振腔方法觀察鐵磁共振現(xiàn)象。掌握鐵磁共振的基本原理和實驗方法。測量鐵氧體材料的共振磁場氣，共振線寬通，旋磁比丫以及g因子和弛豫時間T。實驗原理：根據(jù)磁學(xué)理論可知，物質(zhì)的鐵磁性主要來源于原子或離子的未滿殼層中存在的非成對電子自旋磁矩。一塊宏觀的鐵磁體包含有許多磁疇區(qū)域，在每一個區(qū)域中，自旋磁矩在交換作用的耦合下彼此平行排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，但各個磁疇之間的取向并不完全一致，只有在外磁場的作用下，鐵磁體內(nèi)部的所有自旋磁矩才保持同一方向，并圍繞著外磁場方向作進動。當(dāng)鐵磁物質(zhì)同時受到兩個相互垂直的磁場即恒磁場B0和微波磁場B1的作用后，磁矩的進動情況將發(fā)生重要的變化。一方面，恒磁場B0使鐵磁場物質(zhì)被磁化到飽和狀態(tài)，當(dāng)磁矩M原來平衡方向與B有夾角9時，B使磁矩繞它的00方向作進動，頻率為vh=光％；另一方面，微波磁場￡強迫進動的磁矩M隨著B1的作用而改變進動狀態(tài)，M的進動頻率再不是vh了，而是以某一頻率繞著恒磁場也作進動，同時由于進動過程中，磁矩受到阻尼作用，進動振幅逐漸衰減，如圖（8—1）所示，微波磁場對進動的磁矩起到不斷的補充能量的作用。當(dāng)維持微波磁場作用時，且微波頻率V=vH時，耦合到M的能量剛好與M進動時受到阻尼消耗的能量平衡時，磁矩就維持穩(wěn)定的進動，如圖（8—2）所示。鐵磁共振的原理圖如圖（8—3）所示。在恒磁場B（即方°）和微波磁場B1（即？）的作用下，其進動方程可寫為：成=-y（MxH）+T（8-1）dt上式中『=g三為旋磁比，g為朗德因子，B（即片）為恒磁場B°（即T?o）和微波e磁場B1（即？）合成的總磁場，尹為阻尼力矩，此系統(tǒng)從微波磁場B1中所吸收的全部能量，恰好補充鐵磁樣品通過某機制所損耗的能量。阻尼的大小還意味著進動角度。減少的快慢，o減少得快，趨于平衡態(tài)的時間就短，反之亦然。因此這種阻尼可用弛豫時間t來表示，t的定義是進動振幅減小到原來最大振幅的1..e所需要的時間。圖（8—1）進動振幅逐漸衰減 圖（8—2）微波磁場作用抵消阻尼，趨于平衡圖（8—3）鐵磁共振原理圖根據(jù)磁學(xué)理論可知，磁導(dǎo)率日與磁化率x之間有如下關(guān)系：日=1+4nx（8-2）在交變磁場B作用下，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對磁矩M的運動有阻尼作用，所以磁性材1料中的磁場月（即呂）的變化落后于交變磁場B的變化，日要用復(fù)數(shù)表示：日=日'+盤”，1其中實部日'決定磁性材料磁能的貯存，虛部日''反映交變磁能在磁性材料中的損耗。當(dāng)改變恒磁場B°（即方°）或微波頻率V時，我們總能發(fā)現(xiàn)在某一條件下，鐵磁體會出現(xiàn)一個最大的磁損耗，即日''出現(xiàn)最大值，也就是進動的磁矩會對微波能量產(chǎn)生一個強烈的吸收，以補充由此引起的能量損耗，這就是鐵磁共振現(xiàn)象。2.1鐵磁共振條件由于鐵磁物質(zhì)的磁化理論很復(fù)雜，因此，我們實驗中采用鐵氧體小球樣品作實驗。其退磁因子各向同性，退磁場作抵消，對進動不產(chǎn)生影響。最簡單的情況，小球形樣品滿足磁共振的基本原理公式：hv=guB（8-3）gg^2,v為進動頻率，其頻段估算在微波范圍內(nèi)，因此選擇在此頻段進行實驗。2.2鐵磁共振吸收譜線和線寬AB八匚1V1l-L^ALL^JHJ乂 l-JL-lHAAJ^/|'Li//J^kV<7ULJL_|/|、曰J|<J_L/J|L/IJ。 /IJ-L^k/kHAAVM刀XJ火|不用日''來說明，而用鐵磁共振吸收線寬AB來表示。固定微波頻率不變，鐵氧體在恒磁場Bo和微波磁場8的共同作用下，四”隨B°的變化曲線稱為鐵磁共振吸收譜線，如圖（8—4）所示。在共振時日''有最大值日二，令四”二日''m/2處的磁場分別為B1和B2，則AB=B1-B2就是鐵磁共振線寬。一般AB愈窄，磁損耗愈低。AB值的大小反映了磁損耗的大小，測量AB對于研究鐵磁質(zhì)的機理和提高微波鐵氧體器件十分重要。圖（8—4）鐵磁共振吸收譜線和線寬AB 圖（8—5）P—B曲線在實驗中往往不是直接測量日''與B0的關(guān)系來確定AB值，而是測量微波功率通過諧振腔后的功率變化來確定AB值的，通過諧振腔后的功率P隨B0的變化見圖（8—5）所示。圖中P*是遠離鐵磁共振區(qū)時諧振腔的輸出功率，P,是鐵磁共振時輸出功率，P.2是半功率點（即相當(dāng)于日''=日'm/2處的輸出功率）。一般情況下，正確的考慮了頻散效應(yīng)的影響，P2點由下式確定:P=A（8-4）12P+P根據(jù)（8—4）式得％，可由P—B曲線求出AB值。弛豫時間T根據(jù)磁學(xué)理論可知，AB與t之間有如下關(guān)系:t=— （8-5）yAB實驗內(nèi)容與步驟：首先用特斯拉計測出樣品所在的磁鐵中心磁場B和電磁鐵激勵電流/的關(guān)系。（可不做）實驗裝置如圖（8—6）所示，是一種較簡便，應(yīng)用較廣的鐵磁共振實驗裝置。由速調(diào)管產(chǎn)生微波信號，經(jīng)隔離器和波長表后到達通過式諧振腔。待測樣品放在腔中微波磁場強度最大（為什么？）處，電磁鐵產(chǎn)生的恒磁場與微波磁場垂直。通過諧振腔輸出的微波信號經(jīng)晶體檢波器和檢流計進行測量。只要微波二極管遵循平方律檢波關(guān)系，則其檢波電流與微波功率成正比，因此檢流計檢到的電流（即檢流計偏轉(zhuǎn)的刻度格數(shù)）就是通過諧振腔后的相對微波功率P。實驗前必須熟悉各微波元件的性能及使用方法。注意：傳輸式諧振腔兩端都必須加上帶耦合孔的銅片，接入隔離器時要注意其方向。在插入待測鐵磁體小球到諧振腔之后，調(diào)節(jié)微波信號頻率，使通過諧振腔后， ”UJL>^jy|=l"4，L/\/L2i、， LJO調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，使檢流計G中觀察到輸出最大，然后適當(dāng)選定衰減器位置作為P的參考點。3開啟磁場電源，調(diào)節(jié)磁場電流，進行逐點測量P和/關(guān)系，根據(jù)B—I關(guān)系，畫出P—B關(guān)系曲線求出共振線寬AB，共振磁場B,旋磁比y以及g因子和弛豫時間T。實驗器材及注意事項實驗器材：鐵磁共振儀、速調(diào)管、示波器、檢流計、高斯計等圖（8—6）鐵磁共振儀實驗裝置注意事項：數(shù)據(jù)處理處理及實驗結(jié)果：單晶體共振圖片:多晶體共振圖片:實驗數(shù)據(jù)處理:實驗公式與結(jié)果多晶體結(jié)果v=8.944MHzB=317.3mT;rv=g四BB0由H尸可得：g=2.01；旋磁比y=g二，y=1.77x10iiC/Kg；2meP=80,巴=25,F]=2M=38.12P8+Pr?B=20.8mT=5.4X10=5.4X10-10s.gDB單晶體結(jié)果v=8.944MHzB=320.0mT;rv=g^BB0由H尸可得：g=2.00；

,y=1.76Xiu,y=1.76Xiuii"g；2meP=87,P=3,P=2P^pr=5.88r2P-+Pr?B=0.8mT弛豫時間t二—=1.42X10-8s.gDB數(shù)據(jù)表格數(shù)據(jù)表格見PDF文件誤差分析：1、1、2、3、4、5、測定微波頻率時的誤差；檢波電流表的讀數(shù)誤差；高斯計測量磁場時引入的誤差；測定電流和磁場的數(shù)學(xué)關(guān)系時引入的誤差;思考題與解答：1.2.1.2.3.4.5.6.7.8.9.測量磁共振線寬AB要保證哪些條件？它的物理意義是什么？本實驗中傳輸式諧振腔〃為什么取偶數(shù)？樣品磁導(dǎo)率的四'和H''分別反映什么？樣品磁導(dǎo)率的四'會在實驗中造成什么影響？本實驗是怎樣測量磁損耗的？如何精確消除頻散效應(yīng)？實驗中是如何處理頻散效應(yīng)的？答:1、答:1、都是由于原子的自旋磁矩與外磁場相互作用而產(chǎn)生的塞曼能級分裂，當(dāng)在與外磁場方向垂直的方向上再加上一個某一頻率的電磁波，當(dāng)電磁波的能量與塞曼能級間距相匹配時，就會發(fā)生物質(zhì)從電磁波吸收能量的共振現(xiàn)象。反應(yīng)的原理均為hv=gB。不同點：與外磁場相互作用的原子的自旋磁矩的主要來源不同。電子自旋共振中原子的自旋磁矩的主要來源是順磁質(zhì)中未成對的電子自旋磁矩；核磁共振中原子的自旋磁矩的主要來源是核自旋磁矩。；k/WZKK刀IVI?"J、Jl-IU|=|必二UJ二EL女/、好人二 火IPJ1=1必CUZK^l二。因此，其主要區(qū)別就在于其共振時的電磁波的頻率范圍以及靈敏度不同。核磁矩比電子磁矩約小三個數(shù)量級，故核磁共振的頻率范圍和靈敏度都比電子磁共振的低得多。2、 要保證P-B曲線在共振頻率兩邊基本對稱。一般也愈窄，磁損耗愈低。AB值的大小反映了磁損耗的大小3、 使得微波在諧振腔內(nèi)發(fā)生諧振，從而在檢波電流處得到最小的電流。4、 樣品磁導(dǎo)率的^'和P''分別反映在鐵磁質(zhì)中的磁場貯能以及損耗能。5、 P'會使諧振腔的諧振頻率發(fā)生偏移，即頻散效應(yīng)。P'的大小還決定了磁場在鐵磁質(zhì)中貯能的大小，^'越大，貯能越大，損耗能越小，P-B曲線的谷越窄。6、 通過計算AB來表征磁損耗。7、 要得到準確