電子自旋共振波譜儀ESR

1、MiniScope MT400提 綱Wolfgang Pauli (1900-1958)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) (1945年) Yevgeny Zavoisky (1917-1976) 1944年前蘇聯(lián)的扎沃依斯基首次觀察到電子順磁共振現(xiàn)象。隨后電子順磁共振逐步被用于科學(xué)研究。電子的自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自旋磁矩。自旋磁矩與自旋角動(dòng)量之間的關(guān)系為：BJJJgPP BJJJgPP BgPP Bg ：旋磁比 g：朗德因子。P：電子自旋角動(dòng)量B ：玻爾磁子，2eem當(dāng)電子磁矩處于外恒定磁場(chǎng)B（假設(shè)沿Z軸）中時(shí)，電子磁矩與外磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，相互作用能為：ZBEBBmgB m：磁量子數(shù)，對(duì)于自由電子，m取1/2、-1/

2、2?？梢?jiàn)，外磁場(chǎng)導(dǎo)致原來(lái)簡(jiǎn)并的原子態(tài)發(fā)生塞曼能級(jí)分裂，相鄰能級(jí)能量間隔為 。BEgBB 磁矩在磁場(chǎng)中的磁矩在磁場(chǎng)中的塞曼塞曼能級(jí)分裂能級(jí)分裂相鄰能級(jí)能量間隔與外磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。此時(shí)若沿垂直垂直磁場(chǎng)方向施加一交變的磁場(chǎng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)的能量子 時(shí)，原子在相鄰塞曼能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷，對(duì)入射的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，此即為電子自旋共振。通過(guò)測(cè)量共振頻率和對(duì)應(yīng)的外磁場(chǎng)B，可計(jì)算原子的g因子： 0EB BEBgB /BgB 原子磁矩完全由電子自旋磁矩貢獻(xiàn)：g=2原子磁矩完全由電子的軌道磁矩所貢獻(xiàn)：g=1由原子物理可知：通過(guò)g因子的測(cè)量可以判斷電子運(yùn)動(dòng)的情況，進(jìn)而可以得知關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的信息。微波源頻率固

3、定(9.37GHz)，連續(xù)改變外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)滿足共振條件時(shí)發(fā)生電子自旋共振。為滿足共振條件 可采用兩種方法：掃場(chǎng)掃場(chǎng)法法、掃頻法掃頻法，本實(shí)驗(yàn)采用掃場(chǎng)法。EB 9.37G微波輻射掃場(chǎng)法檢測(cè)共振信號(hào) 通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈的直流電流，改變恒定磁場(chǎng)的大小，當(dāng)恒定磁場(chǎng)B02/時(shí)，共振吸收信號(hào)等間距排列。此時(shí)對(duì)應(yīng)的恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度即為共振條件方程中所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。利用特斯拉計(jì)測(cè)量該磁感應(yīng)強(qiáng)度代入共振方程可得g因子的值。B=B0+BsintttBBVV20ms20ms10msB0掃場(chǎng)法測(cè)g因子BESR 和和NMR 的區(qū)別：的區(qū)別：1. ESR 是研究電子磁矩與外磁場(chǎng)的相互作用，即通常認(rèn)為的電子塞曼效應(yīng)

4、引起的，而NMR 是研究核磁矩在外磁場(chǎng)中核塞曼能級(jí)間的躍遷。換言之，ESR 和NMR 是分別研究電子磁矩和核磁矩在外磁場(chǎng)中重新取向所需的能量。2. ESR 的共振頻率在微波波段。（9.37GHz） NMR 的共振頻率在射頻波段。（23MHz）3. ESR的靈敏度比NMR 的靈敏度高，ESR檢出所需自由基的絕對(duì)濃度約在10-8M數(shù)量級(jí)。DPPH分子結(jié)構(gòu)圖本實(shí)驗(yàn)采用的樣品為DPPH（二苯基苦酸基聯(lián)氨 ），它的第二個(gè)氮原子上存在一個(gè)未成對(duì)的電子，我們觀察到的共振信號(hào)就是源于這類電子。 NNNO2O2NO2N.實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)驗(yàn)樣品 FD-ESR-II電子順磁共振儀構(gòu)成圖電磁鐵掃描線圈164325繼續(xù)1、微

5、波源：、微波源：體效應(yīng)管變?nèi)荻O管電源輸入端+12V頻率調(diào)節(jié)微波源由體效應(yīng)管、變?nèi)荻O管、頻率調(diào)節(jié)組成。用于輸出頻率為9.37GHz的微波。2、隔離器：、隔離器：特點(diǎn)：具有單向傳輸功能，減少反射波對(duì)微波源的干擾。 1輸入，2輸出 基本無(wú)衰減 2輸入，1輸出 有極大的衰減 123、環(huán)形器、環(huán)形器 環(huán)形器具有定向傳輸功能。1輸入，2輸出無(wú)衰減，3輸出衰減30db2輸入，3輸出無(wú)衰減，1輸出衰減30db3輸入，1輸出無(wú)衰減，2輸出衰減30db1324、晶體檢波器、晶體檢波器 調(diào)節(jié)螺絲Q9輸出頭檢波二極管短路活塞測(cè)量時(shí)要反復(fù)調(diào)節(jié)波導(dǎo)終端的短路活塞的位置以及輸入前端三個(gè)螺釘?shù)拇┥於?，使檢波電流達(dá)到最大值

6、，以獲得較高的測(cè)量靈敏度。 金屬金屬絲半導(dǎo)體瓷殼金屬檢波晶體上的電壓V與微波中的電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。為獲得最大的檢波信號(hào)輸出，調(diào)節(jié)短路活塞位置，使它與晶體的距離約為/4,使晶體處于電場(chǎng)最大（駐波波腹）處。檢波晶體管結(jié)構(gòu)圖5、阻抗調(diào)配器、阻抗調(diào)配器 它的主要作用是改變微波系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)。在本實(shí)驗(yàn)中主要作用是觀察吸收、色散信號(hào)。 吸收曲線色散曲線6、諧振腔：、諧振腔：AB諧振腔耦合膜片 可變短路調(diào)節(jié)器 樣品通過(guò)調(diào)節(jié)可變短路調(diào)節(jié)器的位置，使微波在諧振腔內(nèi)形成駐波，得到最強(qiáng)的電子順磁共振信號(hào)。電子順磁共振儀電子順磁共振儀 電源直流調(diào)節(jié)掃描調(diào)節(jié)掃頻開(kāi)關(guān)X 軸幅度X軸相位直流輸出+-掃描輸出X-out信號(hào)i

7、noutonoff電子順磁共振儀前面板 直流輸出：此輸出端將會(huì)輸出0600mA的電流，通過(guò)直流調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變輸出電流的大小，使用時(shí)連接到一組線圈的接線柱上。掃描輸出：此輸出端將會(huì)輸出01000mA的交流電流，其大小由掃描調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變，使用時(shí)連接到一組線圈的接線柱上。掃頻開(kāi)關(guān)：用來(lái)改變掃描信號(hào)的頻率IN與OUT：此兩個(gè)接頭是一組放大器的輸入和輸出端，放大倍數(shù)為10倍，IN端為放大器的輸入端，OUT端為放大器的輸出端X-out：此輸出端為一組正玄波的輸出端，X軸幅度為正玄波的幅度調(diào)節(jié)電位器，X軸相位為正玄波的相位調(diào)節(jié)電位器各部分的功能各部分的功能儀器調(diào)節(jié)儀器調(diào)節(jié) 將微波源上的連接線連到主機(jī)后

8、面板上的5芯插座上 將微波源與隔離器相接（按箭頭方向連接） 將隔離器的另一端與環(huán)型器中的（I）端相連 將扭波導(dǎo)與環(huán)型器中的（II）端相接 將環(huán)型器中的（III）端與檢波器相接 將扭波導(dǎo)的另一端與直波導(dǎo)的一端連接 將直波導(dǎo)的另一端與短路活塞相接微波系統(tǒng)的連接：微波系統(tǒng)的連接：1微波源2隔離器3環(huán)型器4 扭波導(dǎo)5直波導(dǎo)6樣品 7短路活塞 8檢波器微波系統(tǒng)裝配圖連線方法連線方法： 通過(guò)連接線將主機(jī)上的掃描輸出端接到磁鐵的一端 將主機(jī)上的直流輸出端連接在磁鐵的另一端 通過(guò)Q9連接線將檢波器的輸出連到示波器上1. 將微波源與主機(jī)相連直流輸出掃描輸出CH2示波器微波源檢波器主機(jī)電磁鐵微波電源系統(tǒng)連線圖DP

9、PH順磁共振譜線的觀測(cè)1、將裝有DPPH樣品的試管放入微波系統(tǒng)的樣品插孔中 ；2、按照系統(tǒng)電路連接圖連接系統(tǒng)個(gè)組成部分之間的通信電纜和電源線。7、將主機(jī)的X-out利用Q9連接線連接至示波器的CH1通道，將示波器的XY按鈕按下，即可觀察到里薩如圖形，調(diào)節(jié)主機(jī)的X軸幅度和X軸相位旋鈕以及阻抗調(diào)配器的旋鈕，觀察圖形的變化。3、打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)短路活塞，直流輸出，調(diào)出共振吸收波 形。4、調(diào)節(jié)直流調(diào)節(jié)電位器，使得共振吸收信號(hào)等間距。 5、然后調(diào)節(jié)阻抗調(diào)配器上的旋鈕觀察吸收波形和色散波形。 6、用特斯拉計(jì)測(cè)定磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度B，反復(fù)測(cè)量三次取平均值，根據(jù)共振頻率和B計(jì)算DPPH的g因子。 在用特斯拉計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)之間先將其調(diào)零。利用計(jì)算機(jī)記錄DPPH的吸收曲線 7、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完后，可對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及圖形進(jìn)行保存或打印。1、檢波器的輸出接到示波器上；2、連接在主機(jī)掃描輸出上的信號(hào)線換到鎖相放大器上的電流輸出端；3、鎖相放大器上的調(diào)制輸出接在高頻線圈（在諧振腔的兩側(cè)）的輸入端；4、調(diào)節(jié)鎖相放大器上調(diào)制幅度為最大，輸入輸入/手調(diào)手調(diào)開(kāi)關(guān)打在手調(diào)上，通過(guò)改變主機(jī)上的直流輸出的大小，觀察示波器，可以看到幅度為1-2mV左右的正弦波；5、在示波器上出現(xiàn)正弦波后，將此信號(hào)送到鎖相放大器上的IN端把靈敏度開(kāi)關(guān)打到最靈敏檔（5mV）上,