YYVIP易游射频电子顺磁共振实验仪

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　　本文研制的射频段电子顺磁共振实验仪相比于微波段电子顺磁共振实验仪频率小，因此所需磁场小，仅用简单的亥姆霍兹线圈就可以满足实验的需求，可以测量g因子和共振线宽，还可以测量地磁场矢量。本实验仪结构简单、安全、经济实用，用示波器可以观察到共振信号，由此，学生对电子顺磁共振现象具有直观、准确的认识。

　　电子顺磁共振（EPR）是未成对电子在磁场中吸收电磁辐射能量，从低能级跃迁到高能级的现象，电子顺磁共振现象最早是在1944年苏联物理学家E.K.Zacoisky发现的［1 ］。目前，电子顺磁共振技术已广泛应用于物理学、化学、生物学和医学等众多科学领域［2,3 ］。然而，目前研究工作中使用的电子顺磁共振实验仪均为在微波波段工作，结构和操作都很复杂，而且价格昂贵，有微波泄露等安全隐患。本文研制的射频段电子顺磁共振实验仪相比于微波段电子顺磁共振实验仪频率小，相应地对磁场的要求也降低了很多，亥姆霍兹线圈就足够满足实验中对磁场的需求。该实验仪结构简单、安全、经济实用，用示波器可以观察到共振曲线，还能测量地磁场矢量。由此，学生对电子顺磁共振现象具有直观、准确的认识，电子顺磁共振实验也能进入到本科生课堂，有助于加深学生对电子顺磁共振基本理论、实验现象以及电磁学中诸多相关知识的理解。

　　顺磁性物质在外加静磁场中，由于塞曼效应使未偶电子的能级发生分裂，低能级和高能级间能量差为ΔE=gμBB0，其中ｇ为电子的朗德因子，μB为玻尔磁子，B0为外加磁场强度。若在垂直于外加磁场B0的方向上施加频率为ν0的交变磁场，当磁感应强度B0与频率ν0之间满足共振条件

　　满足共振条件有两种方法，一种是固定频率改变磁场，这种方法称为扫场法。另一种为固定磁场改变频率，这种方法称为扫频法。本实验中我们采用的是扫场法。

　　当共振条件得到满足而发生磁共振现象时，共振曲线应该是一条无限窄的谱线。但由于弛豫过程的存在，实际情况是共振曲线会出现一定的宽度，而且对不同的样品共振线宽可能会有很大的差别。实验测得的共振曲线，实际上是由许多无限窄的谱线通过非相干叠加而产生的，因此产生一定的展宽。对于实验中使用的DPPH样品，其谱线宽度主要由自旋自旋弛豫过程决定。

　　我们还可以通过射频电子顺磁共振实验仪测量地磁场，用指南针确定正北方向，建立空间直角坐标系。控制亥姆霍兹线圈的中心不动，分别旋转线圈的轴线方向与x、y、z方向平行。地磁场各分量的测量采用电流换向法，分别求出地磁场的三个分量Bx、By 、Bz ，因此，地磁场强度为B地=(B2x+B2y+B2z)1/2。

　　按电路图连接系统，将装样品的顺磁共振探头置于亥姆霍兹线圈磁场正中央。我们的顺磁共振探头使用边限振荡器产生射频振荡，当振荡频率满足共振条件时，样品吸收射频场能量使振荡幅度明显下降，产生一个共振吸收信号。经检波放大后在示波器上可以观察到各峰等间距的共振曲线。选一个合适的扫场电流值，调节亥姆霍兹线圈上的直流电流值来改变外加磁场值，观察示波器上的信号变化过程，如图4所示。

　　直流电流从0开始，一边增大直流， 一边减小交流，从示波器上可以看到EPR信号，有些相互离开，有些相互靠近，甚至合一，最后消失。将信号调到峰分开且等距，此时，改变交流电流的大小，信号间距不变，直流电流的数值就是产生共振磁场所需的电流。

　　由于一点的地磁场方向大小固定不变，可以通过改变静磁场方向测两组共振条件下的电流方向的方法消除地磁场的影响。当静磁场与地磁场同方向时，调节静磁场对应的直流电流至I1，使示波器信号等距，此时共振磁场B1=B01+B地⊥；改变直流电流方向，即改变静磁场方向，调节静磁场对应的电流至I2，使示波器信号等距，此时共振磁场B2=B02-B地⊥。由共振条件，当频率固定不变时B1=B2。因此可以算出g因子为

　　是玻尔磁子，线×10-34J·s。N为亥姆霍兹线匝，R为亥姆霍兹线m。可见g因子的测量精度决定于射频波频率和共振磁场的准确测量，其中射频波频率由频率计测得。因此主要与磁场有关。

　　如图3所示，在不同射频频率下g因子的测量值稍有差别，但是在频率为25MHz的时候，g因子的测量值显示出最大值，所以在本实验中我们采用扫场法，固定频率为25MHz，改变直流电流，改变磁场来获得共振曲线 共振线宽的测量

　　重新调好等间距共振信号，调节示波器为X-Y李萨如图形输出模式，可观察到两个形状近似对称的信号波形。

　　读李萨如图（图5），其中半高宽对应的格数Δn与信号底部宽度n的比值对应于共振线中对应的Bm的比值，由此算出共振线 地磁场的测量

　　本文研制的射频段电子顺磁共振实验仪相比于微波段电子顺磁共振实验仪频率小，因此所需磁场小，仅用简单的亥姆霍兹线圈就可以满足实验的需求。结构简单、安全、经济实用，并用示波器可以观察到共振信号，使学生对电子顺磁共振现象具有直观、准确的认识。当固定射频场频率为25MHz时，g因子、共振线宽、地磁场测量值分别为1.86Gs、2.63Gs、0.56Gs，都在误差允许范围之内。

　　吴国祯教授：我的国外研究生经历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学堂班10年纪念活动”而写