用于射頻段電子自旋共振實驗的磁場裝置

汪柏年, 郭枳訊, 王建華

(沈陽大學(xué) 師范學(xué)院, 遼寧 沈陽　110044)

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用于射頻段電子自旋共振實驗的磁場裝置

汪柏年, 郭枳訊, 王建華

(沈陽大學(xué) 師范學(xué)院, 遼寧 沈陽110044)

摘要:通過對線圈的設(shè)計、制作、供電和對應(yīng)磁場的檢測等, 研制了用于射頻段電子自旋共振實驗的磁場裝置.用制作完成的該磁場裝置與共振實驗儀匹配,完成了射頻段ESR信號的觀察.

關(guān)鍵詞:電子自旋共振實驗; 穩(wěn)恒磁場; 掃描磁場; 射頻磁場

電子自旋共振實驗是重要的近代物理實驗之一,磁場裝置對磁共振實驗是必不可少的.設(shè)計制作出用于在射頻段觀測電子自旋共振實驗的磁場裝置,可以利用該磁場裝置配合實驗儀主機(jī)觀測到電子自旋共振信號并完成相關(guān)測量.

1設(shè)計思想

連續(xù)波吸收法磁共振實驗中所需的磁場有三個:穩(wěn)恒磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0、調(diào)制磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm、射頻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1;穩(wěn)恒磁場與調(diào)制磁場的疊加值B=B0+Bm滿足共振條件ω=γB0[1]時,一般就會發(fā)生磁共振現(xiàn)象.磁共振實驗儀提供的可調(diào)共振頻率范圍為11~18 MHz,對S=1/2的自由電子有共振頻率f=ω/2π=2.802 4×1010B0,取f=15 MHz(RF頻段),估算B約為5×10-4T,依據(jù)電磁理論,這樣的弱磁場通常由螺線管或亥姆霍茲線圈產(chǎn)生[2].理論上能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)恒磁場和掃描磁場疊加的組合線圈,可以有三種:

(1) 穩(wěn)恒磁場由螺線管線圈產(chǎn)生,調(diào)制磁場由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生.

(2) 穩(wěn)恒磁場由螺線管線圈產(chǎn)生,調(diào)制磁場由螺線管線圈產(chǎn)生.

(3) 穩(wěn)恒磁場由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生,調(diào)制磁場由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生.

從產(chǎn)生磁場的均勻性角度,在線圈制作工藝相同條件下,螺線管線圈的均勻性優(yōu)于亥姆霍茲線圈.

由于穩(wěn)恒磁場用于分裂電子的塞曼能級,又考慮到實驗對磁場均勻性的要求較高,因此選用螺線管線圈來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場.

穩(wěn)恒磁場線圈確定后,對于調(diào)制磁場的產(chǎn)生,有上述(1)、(2)兩個方案.磁共振儀主機(jī)掃場電源提供的交流電壓有效值為12 V,而適用于本實驗的螺線管線圈的常溫電阻一般只有幾個歐姆,若將螺線管線圈直接與掃場電源連接,將由于電流過大產(chǎn)生安全問題；亥姆霍茲線圈的常溫電阻一般為幾十歐姆將其與掃場電源連接產(chǎn)生的電流處于安全范圍,因此選用方案(1).

2裝置制作

2.1　穩(wěn)恒磁場線圈

為保證實驗對磁場均勻性的要求,產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場的螺線管線圈盡量使l/d>5,l、d分別為線圈的長度和直徑;又為保證連有樣品管的探頭能夠自如地伸入到管內(nèi),實驗使用了一根長為0.30 m,直徑50 mm,壁厚2 mm的硬塑圓管作為骨架.又出于安全性考慮,采用φ=0.6 mm的絕緣銅導(dǎo)線來繞制線圈,這樣線圈的理論直徑d=52.6 mm.

圖1　穩(wěn)恒磁場線圈

這對線圈用直徑0.3 mm的漆包銅線繞制,串聯(lián)使用.每個線圈的幾何尺寸如圖2所示,l=3.0 mm,L1=27.3 mm,L2=33.3 mm.絕緣嵌套在螺線管線圈外,以樣品所在位置為中心,兩線圈相距z=40 mm.

按厚壁線圈在其軸線上產(chǎn)生的場強(qiáng)公式[4]

并考慮到使Bm略小于B0=5×10-4T,確定了每個線圈的匝數(shù)為N=800匝.制作完成的調(diào)制磁場線圈如圖3所示.

圖2　調(diào)制磁場線圈規(guī)格

圖3　調(diào)制磁場線圈實物圖

2.3　射頻磁場線圈

射頻磁場振蕩產(chǎn)生線性振動的射頻場B1,振蕩線圈既是發(fā)射線圈又是接收線圈,繞在樣品管外.本實驗所選樣品管高17 mm,直徑7.2 mm,經(jīng)反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn):使用0.6 mm銅線在樣品管上繞17匝左右能滿足共振頻率11~18 MHz的匹配要求.

3檢測與應(yīng)用

利用霍爾元件[5]對螺線管線圈進(jìn)行通電檢測,發(fā)現(xiàn)當(dāng)通入螺線管線圈的直流電流I=0.25~0.30 A時,測得的B=0.50~0.57 mT,與理論結(jié)果大致符合,可滿足實驗要求.

對亥姆霍茲線圈經(jīng)檢測串聯(lián)總電阻約為48 Ω,在掃描電流達(dá)到200 mA時,即可完整掃出DPPH樣品的共振信號.

用自制的磁場裝置匹配磁共振儀完成了ESR實驗,使用的樣品是DPPH.

圖4為DPPH的ESR信號.實驗條件為:共振頻率15.53 MHz,示波器掃描時間5 ms,掃場電流250 mA,穩(wěn)恒磁場電壓1.97 V.上述結(jié)果表明,研制的磁場裝置可以較好地滿足射頻段ESR實驗的要求.

圖4　DPPH的ESR信號

利用該信號,可測量DPPH的g因子、地磁場的垂直分量以及共振線寬和弛豫時間,射頻段ESR實驗可在核磁共振實驗后作為設(shè)計性實驗開出.

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【責(zé)任編輯: 肖景魁】

(Han Xiao, Xiao Hongfei, Lin Xinyue. The Course of Physics Experiment[M]. Beijing: Scientific and Technical Documentation Press, 2009:109-113.)

Magnetic Field Experiment Device for Radio Frequency Range Electron Spin Resonance

WangBainian,GuoZhixun,WangJianhua

(Normal School, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:The magnetic field experiment device for radio frequency(RF) range electron spin resonance(ESR)was constructed, including the design and winding of coil, power supply and the corresponding magnetic field detection. The completed device was integrated into resonance experimental apparatus to carry out the RF ESR signal observation.

Key words:electron spin resonance(ESR); steady magnetic field; scanning magnetic field; radio frequency(RF) magnetic field

收稿日期:2014-12-22

中圖分類號:O 482.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡介:汪柏年(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)副教授.

基金項目:遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓(xùn)練基金資助項目(201411035000037).

文章編號:2095-5456(2015)02-0170-03