有关微波电子自旋共振试验仪器调试的学习.PDF

有关微波电子自旋共振实验仪器调试的学习 BY 0530049 BBYY 曹卓（00553300004499） 摘要：结合实验现象调试仪器来了解实验中各仪器的作用，并分析仪器的工作原 理以及实验图像。 关键字：微波技术、波导、电子自旋共振、吸收峰、色散峰。 引言：微波电子自旋共振实验是近代物理中一个很重要的实验，它涉及了微波 技术和物质中电子自旋共振现象这两方面的知识，了解各实验仪器的作用和从原 理上解释所观察到的微波信号对仪器调试是很有帮助的，而通过设置仪器的不同 参数又可以深化对仪器工作原理和吸收信号、色散信号的认识。希望这篇文章能 对以后的实验者起到一定的帮助作用。 正文：实验仪器总的示意如下： 1、微波信号源。本实验要求具有足够功率电平和频率的微波信号，同时要求一 定的功率和频率的稳定度，因此采用了固态微波源。在微波源后加隔离器是为了 减少负载对信号的影响，本实验中隔离器的隔离范围为8.8GHz--9.5GHz，刚好 包含了微波源发射的微波频率，因此起到了减少了负载对微波源的影响的作用。 2、微波的传输。微波的传输主要在波导中进行。波导由空心金属管构成，为减 少内壁损耗，内壁有良好的光洁度，并渡银以提高电导率。本实验采用了长边 a=2.3cm,宽边b=1.0cm的矩形波导管，满足b=(0.4~0.5)a 的关系，因此波导只能 TE 10 传输 波，且波导中只能传输波长小于2a 的电磁波。本实验中的波导相当于一个高通滤 波器，因此才能够实现单模传输。特别对环形器和扭波导做下说明。 环形器：环形输出的微波信号，设计巧妙，微波路径为口1→口2，口2→口3，口3→ 口1。实验中用环形器把微波能量耦合到谐振腔再把反射能量引出。 扭波导：两端对应边相互垂直的S型波导，可以改变传输波形的极化平面而保持波导 的原方向不变。波导弯曲或扭转部分的截面略有形变就会是传播常数与未变形波导有所不 同，从而引起失配，为使失配影响最小，扭波导的长度选为半波长的整数被。  Bz 3、微波与样品的做用。具有未成对电子的物质在静磁场 中由于电子自旋共振与外加磁场  E g B 互相作用导致电子基态塞曼能级分裂有 B ，当垂直磁场方向所加横向电磁波的量    E g B 子能量满足 B ，即满足电子自旋共振条件，此时未成对电子会在塞曼能级 之间跃迁。这里我还想说下关于谐振腔中样品及其位置的确定。理论上，永磁铁磁场的中央 处磁场强度最大，但将谐振腔拆开可以发现样品的位置可能不在谐振腔中央处，因此调节永 磁铁的位置使信号峰最尖、峰半高宽最小为最佳；实验用样品为矩形，垂直微波信号的两个 面用铜片固定，以反射共振信号，实验中曾因为铜片松动而导致检波器探测到的共振信号十 分微弱，因此，这也是实验者在仪器调试中应注意的一个问题。 4、微波探测设备及其调节。实验中使用的微波探测设备为晶体检波器，其核心部分是点接 TE 触微波二极管，其管轴沿 10波最大电场的方向，将微波信号转化成为电信号输出到示波 器上。为使晶体检波器得到较好的测量灵敏度，将它单独进行调试，即采用方波信号发生器 做源，微波探测器输出接示波器，通过对三个螺钉和短路活塞的调节使示波器上的输出信号 幅度最大，此时晶体检波器的工作状态最灵敏。再将晶体检波器于环形器对接。 5、信号的调节。信号的调节操作可以说是整个实验中的一个难点，但结合仪器原理及电子 自旋共振现象逐步进行操作则可以很顺利地解决问题。 首先来看永磁场强度的确定。查说固态微波源明书可知其输出频率为9.360GHz左右；调 节频率计发现在某处有信号的强烈突然跳变，说明此时入射微波频率满足发生电子自旋共振 的频率要求，且频率计仅能通过读书所示频率的微波，而对于其他微波则其阻隔作用，所以