铁磁共振_2完整版.doc

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 铁磁共振实验 【实验目的】 1、了解微波谐振腔的工作原理，学习微波装置调整技术。 2、通过观测铁磁共振，进一步认识磁共振的一般特性和实验方法。 3、学会测量微波铁氧体的铁磁共振线宽和g 因子的测量。 【实验原理】 微波铁磁共振的基本原理 由磁学理论可知，物质的铁磁性主要来源于原子或离子在未满壳层中存在的未成对电子自旋磁矩。。其进动方程和进动频率可分别写为： (B6-1) 图B6-1 磁化强度矢量绕外磁场的进动式中为旋磁比，g为电子的朗德因子，理论上g＝2。 图B6-1 磁化强度矢量绕外磁场的进动 上述情况未考虑阻尼作用。当外加微波磁场Hm的角频率 QUOTE 0与磁化强度矢量M进动的角频率 QUOTE 相等时，铁磁物质吸收外界微波的能量用以克服阻尼并维持进动，这就发生了共振吸收现象。由（B6-1）式可知，发生铁磁共振时的恒磁场B0与微波角频率 QUOTE 0满足 (B6-2) 从量子力学观点看来，当电磁场的量子? ω0 刚好等于系统M 的两个相邻塞曼能级间的能量差?E时，就会发生共振现象。此时 或 (B6-3) 其中，，为波尔磁子。 图B6-2 铁磁共振曲线二. 磁性材料的磁导率和铁磁共振线宽 图B6-2 铁磁共振曲线 磁学中通常用磁导率μ来表示磁性材料被磁化的难易程度。在恒定磁场下，μ可用实数表示；在交变磁场下，μ要用复数表示： (B6-4) 其中实部为铁磁介质在恒定磁场中的磁导率，它决定磁性材料中储存的磁能，虚部反映交变磁场时磁性材料的磁能损耗。 三. 微波（样品）谐振腔 截面为a×b (ab)，长为l的一段波导管，两端用金属片封闭，为了微波的进入和少量泄露（以便检测），这两片金属片或其中的一片开有小孔（耦合孔）。改变腔长或调节微波的频率，腔内会发生谐振，形成驻波。传输式谐振腔两端都有耦合孔，一端进入电磁波，另一端泄露少量电磁波，以便检测。 如果腔内是真空或空气介质时，当 （B6-5） 时，发生谐振。其中 （B6-6） 称为波导波长，是微波在自由空间的波长，是截止或临界波长。对于不放样品的空腔，当谐振腔谐振时，谐振频率f0与微波频率相等。 除了谐振频率以外，谐振腔的另一个重要参数是品质因数Q， （B6-7） 其中ω0是谐振角频率，W0是腔内总储能，Wl是每秒耗能。一个含有样品的谐振腔，其品质因数用QL表示。 在腔内放置一个很小的样品，把样品放到腔内微波磁场最大处，引起谐振腔的谐振频率f0和品质因数QL的变化。 （B6-8） f0、f’分别为放置样品前后腔的谐振频率，A为与腔的谐振模式和体积有关的常数。此时，腔的输出功率为 （B6-9） 式中Qe1、Qe2为腔的外界品质因数，在保证腔的输入功率P? (f0) 不变时，腔的输出功率P(f’)∝ 。 四. 铁磁共振线宽的测量方法 图B6-4 谐振腔输出功率P与恒定磁场B关系曲线由图B6-2、（B6-8）式和（B6-9）式可知，要测量铁磁共振线宽，就要测出值的变化，即要测量QL值的变化，而QL值的变化可通过测量P 的变化反映出来，即P→QL→→。把恒定磁场B由零开始逐渐增大，对应每一个B测出一个P。就能得到图B6-4所示的P—B关系曲线。图B6-4中，P0为远离共振区时的谐振腔输出功率，Pr为共振区时的输出功率，P1/2 为半共振点的输出功率。在共振区域由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低。半共振点的输出功率P1/2（相当于=1/2点）与共振时的输出功率Pr 和远离共振区时的输出功率P0有如下关系： 图B6-4 谐振腔输出功率P与恒定磁场B关系曲线 (B6-10) 与对应的外加恒磁场之差即为共振线宽ΔB。但在进行共振曲线实测时，必须考虑样品的会引起谐振频率的偏离（频散效应）。这在实验中很难做到，但频散效应又不能忽略。