微波電子自旋共振的微分測(cè)量

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

實(shí)驗(yàn)講壇

微波電子自旋共振的微分測(cè)量

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器性能優(yōu)化更有利于教與學(xué)的課堂交流，但缺乏日常教研討論可能導(dǎo)致物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)技能教學(xué). 特別對(duì)于近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，掌握實(shí)驗(yàn)原理有助于理解科研專業(yè)設(shè)備的工作原理. 可以認(rèn)為，理解基于調(diào)制場(chǎng)作用的鎖相技術(shù)是掌握電子自旋共振吸收微分測(cè)量的關(guān)鍵. 為此，教學(xué)實(shí)施中通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)分解，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性. 在利用原有教學(xué)裝置主體器件的基礎(chǔ)上，采用通用儀器組建微分測(cè)量實(shí)驗(yàn). 教學(xué)實(shí)踐表明:微分測(cè)量實(shí)驗(yàn)既幫助學(xué)生更好地理解電子自旋共振譜分析的實(shí)驗(yàn)原理，又展示了近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性及其連接物理實(shí)驗(yàn)研究的橋梁作用.

電子自旋共振；鎖相技術(shù)；微分測(cè)量；頻響特性

在微波段電子自旋共振吸收實(shí)驗(yàn)中，通常固定微波頻率而采用低頻掃場(chǎng)觀測(cè)方法. 可調(diào)穩(wěn)定外磁場(chǎng)是由永磁體磁場(chǎng)和施加勵(lì)磁電流的電磁鐵所產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)2部分疊加而成. 實(shí)驗(yàn)過程中通過改變電磁鐵的勵(lì)磁電流即可改變外磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而達(dá)到電子自旋共振吸收的目的. 要求掃場(chǎng)強(qiáng)度足以覆蓋共振吸收全范圍，且產(chǎn)生重復(fù)再現(xiàn)的完整共振吸收信號(hào)以便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)；同時(shí)也要求掃場(chǎng)頻率足夠低，以便使共振吸收測(cè)量處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程. 如果以交變掃場(chǎng)電流(電壓)的正比分量作為示波器同步信號(hào)，而晶體檢波二極管的檢波電流(電壓)為另一通道輸入信號(hào)，那么示波器的李薩如圖即可定性地顯示隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的電子自旋共振吸收峰形[1-4]. 對(duì)于(半)定量峰形分析，需要對(duì)吸收信號(hào)強(qiáng)度和外磁場(chǎng)強(qiáng)度都給予準(zhǔn)確標(biāo)定.

當(dāng)掃場(chǎng)強(qiáng)度比較微小時(shí)，它僅僅對(duì)某一確定外磁場(chǎng)強(qiáng)度處電子自旋共振吸收信號(hào)的微擾，此時(shí)共振信號(hào)變化反映了對(duì)外磁場(chǎng)強(qiáng)度微小變化的響應(yīng)，即共振吸收的微分測(cè)量. 此時(shí)，微小交變掃場(chǎng)起著調(diào)制作用，且電子自旋共振譜儀通常使用1 kHz(甚至100 kHz)調(diào)制頻率. 為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，采用鎖相技術(shù)[5-7]或取樣積分[8]是簡(jiǎn)單有效的辦法. 事實(shí)上，鎖相技術(shù)已廣泛應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的物理測(cè)量[9-11]. 多數(shù)科研用(微波)電子自旋共振譜專業(yè)設(shè)備的工作原理正是基于微分測(cè)量技術(shù)，且由位于樣品處波導(dǎo)管兩外側(cè)對(duì)稱串接的高頻線圈提供微小調(diào)制磁場(chǎng). 雖然少數(shù)教學(xué)設(shè)備提供了這一實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)[12]，但由于物理專業(yè)學(xué)生普遍對(duì)鎖相技術(shù)缺乏了解，微分測(cè)量方法難以獲得較好的教學(xué)效果.

為解決這一教學(xué)問題，利用原教學(xué)裝置的微波系統(tǒng)和磁場(chǎng)裝置等主體設(shè)備，結(jié)合使用恒流源、信號(hào)源和鎖相放大器等通用儀器組建了電子自旋共振吸收微分測(cè)量實(shí)驗(yàn). 不僅幫助學(xué)生理解微分測(cè)量和鎖相技術(shù)原理，也使學(xué)生更好地掌握(科研設(shè)備)電子自旋共振吸收譜的測(cè)量原理. 通常，電子自旋共振譜儀采用在波導(dǎo)管外側(cè)加配調(diào)制磁場(chǎng)線圈(例如，F(xiàn)D-TX-ESR-II微波段電子順磁共振儀)，但為便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)推廣和交流，在教學(xué)實(shí)施中選用原掃場(chǎng)(改變工作參量)作為微分測(cè)量所需的調(diào)制磁場(chǎng).

1 微分測(cè)量技術(shù)原理

實(shí)驗(yàn)使用復(fù)旦天欣FD-TX-ESR-II或FD-ESR-C微波段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)儀的微波系統(tǒng)和磁場(chǎng)裝置等主體設(shè)備. 磁場(chǎng)由永磁體磁場(chǎng)、直流勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)和交變勵(lì)磁電流所提供的調(diào)制磁場(chǎng)等組成. 前兩者共同確定了共振吸收磁場(chǎng)強(qiáng)度. Rigol DP831A直流電源和DG4162信號(hào)源分別提供穩(wěn)恒場(chǎng)和調(diào)制場(chǎng)的勵(lì)磁電流. 中大科儀OE1022鎖相放大器用于測(cè)量晶體檢波器的檢波電流(電壓). 所有儀器通過USB接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測(cè)控，其中OE1022鎖相放大器采用內(nèi)部RS232轉(zhuǎn)USB連接方式. 圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備連接原理圖. 早期實(shí)驗(yàn)使用Motech LPS305直流電源、Stanford Research Systems DS306信號(hào)源和SR830鎖相放大器.

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備連接原理圖

文獻(xiàn)[9]介紹了鎖相放大器工作原理. 當(dāng)僅考慮微小擾動(dòng)的線性近似，基頻鎖相測(cè)量反映了被測(cè)對(duì)象對(duì)調(diào)制作用的響應(yīng). 圖2簡(jiǎn)單說明了微分測(cè)量的基本原理[12].

圖2 微分測(cè)量原理

對(duì)于等量的磁場(chǎng)微小變化ΔB，材料電子自旋共振吸收變化量ΔI(I為檢波電流)則隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化. 鎖相放大器所獲得的測(cè)量值體現(xiàn)了ΔI/ΔB變化，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)于微小磁場(chǎng)作用時(shí)材料響應(yīng)的微分測(cè)量. 由于實(shí)驗(yàn)過程ΔB保持(近似)等量，所以ΔI即可代表微分測(cè)量結(jié)果. 從圖2可見，不僅在不同外磁場(chǎng)處電子自旋共振信號(hào)變化量ΔI幅值不同，而且相對(duì)于調(diào)制磁場(chǎng)同步信號(hào)的相位差也隨之發(fā)生變化.

為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，使用同惠TH2826 LCR表測(cè)量調(diào)制場(chǎng)勵(lì)磁線圈的頻響特性，并由測(cè)量結(jié)果選定調(diào)制頻率為314 Hz且Vpp為0.60 V.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先參照低頻強(qiáng)掃場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法，包括調(diào)節(jié)短路活塞和阻抗調(diào)節(jié)器，同時(shí)適當(dāng)微調(diào)樣品位置和方向，可以選用李薩如圖觀測(cè)并且確定系統(tǒng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件. 維持微波源正常工作和樣品位置不變，按圖1連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備. 預(yù)先設(shè)定設(shè)備的工作參量，以免損壞儀器. 特別是要求合理設(shè)置鎖相放大器的量程，以防過載. 關(guān)鍵儀器參量包括：Rigol DG4162信號(hào)源輸出頻率為314 Hz且Vpp為0.60 V的正弦(或余弦)信號(hào)；DP831A直流電源電流輸出范圍為0.00～2.00 A(根據(jù)具體需要而定)，電流增量為0.005 A；OE1022鎖相放大器選用R(模量)和θ(相對(duì)于調(diào)制磁場(chǎng)同步信號(hào)的相位差)電壓測(cè)量模式.

圖3為DPPH樣品的直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

(a)微分響應(yīng)的模量(代表微分幅值的絕對(duì)值)

(b)相對(duì)于調(diào)制勵(lì)磁電流(電壓)同步信號(hào)的相位差圖3 鎖相放大器測(cè)量的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)于等量的磁場(chǎng)微小變化ΔB，采用檢波電流在負(fù)載上由鎖相放大器所獲得的壓降變化量代表微分測(cè)量值ΔV. 當(dāng)外磁場(chǎng)遠(yuǎn)離共振吸收區(qū)域時(shí)，只有隨機(jī)的噪聲信號(hào)，不僅模量微弱且相位不確定而出現(xiàn)明顯波動(dòng). 隨著外磁場(chǎng)逐漸滿足共振吸收條件，模量也隨之增大且相位信息也逐漸清晰. 當(dāng)達(dá)到共振峰附近，吸收信號(hào)達(dá)到極值，微分測(cè)量值也相應(yīng)發(fā)生快速下降并趨于零. 隨后，模量以相對(duì)于極值點(diǎn)為對(duì)稱，且近似以左側(cè)逆過程隨外磁場(chǎng)變化，顯然相位也隨之發(fā)生反相變化.

由原始數(shù)據(jù)可以得到圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 根據(jù)上述對(duì)模量和相位信息的分析，微分測(cè)量值如圖4(a)所示，這也是科研用微波電子自旋共振譜儀通常采用的測(cè)量結(jié)果顯示方式. 由于圖3(a)采用壓降變化量ΔV代表微分測(cè)量值，所以對(duì)圖4(a)進(jìn)行數(shù)值積分也僅需要對(duì)ΔV累加，無需考慮ΔB因子. 由此可得圖4(b)，這就是低頻強(qiáng)掃場(chǎng)的間接實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果. 可以看出，由于采用鎖相技術(shù)消除了隨機(jī)噪聲影響，圖4(b)比低頻強(qiáng)掃場(chǎng)直接實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果更精確.

(a)微分測(cè)量值

(b)積分結(jié)果圖4 間接測(cè)量分析結(jié)果

經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的分解和分析，利用簡(jiǎn)單通用儀器實(shí)施微波電子自旋共振吸收微分測(cè)量，學(xué)生不僅掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)原理，同時(shí)也理解科研用譜儀的工作原理及測(cè)量結(jié)果的物理含意.

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)啟示

2003年暑假，作者所在實(shí)驗(yàn)室購置了復(fù)旦天欣FD-TX-ESR-II微波段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)儀. 該設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能是在FD-TX-ESR-I基礎(chǔ)上，增加了FD-TX-PLL鎖相放大器，且通過計(jì)算機(jī)測(cè)控實(shí)現(xiàn)微分測(cè)量. 在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，由于FD-TX-PLL微分測(cè)量結(jié)果與低頻強(qiáng)掃場(chǎng)的色散信號(hào)線形相似，學(xué)生普遍混淆了它們之間的關(guān)系. 理論上，部分由于色散與微分在共振吸收物理原理上有關(guān)聯(lián)，也更進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的疑惑. 技術(shù)上，不僅由于學(xué)生不了解鎖相放大的技術(shù)原理，而且因?yàn)镕D-TX-PLL的“封裝”模式，更使學(xué)生難以理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 當(dāng)時(shí)的處理辦法是，選取FD-TX-ESR-I實(shí)驗(yàn)功能用于常規(guī)課堂教學(xué)，而加配的FD-TX-PLL鎖相測(cè)量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只針對(duì)部分學(xué)生的課余實(shí)驗(yàn)拓展. 隨之深入的教學(xué)實(shí)踐和交流，明白了學(xué)生的疑惑所在，從而找到了解決這一教學(xué)問題的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案. 利用實(shí)驗(yàn)室(當(dāng)時(shí))的“貴重”設(shè)備，包括Motech LPS305直流電源、Stanford Research Systems DS306信號(hào)源和SR830鎖相放大器搭建了微分測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置. 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分解，幫助學(xué)生理解微分測(cè)量的技術(shù)原理. 事實(shí)上，微分測(cè)量技術(shù)也正是科研用(微波)電子自旋共振譜專業(yè)設(shè)備的工作原理. 由于勵(lì)磁電流的熱效應(yīng)引起磁場(chǎng)變化，同條件反復(fù)多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于勵(lì)磁電流并不完全重復(fù)[13].

由于深度參與和深入思考物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也一直很關(guān)注國內(nèi)教學(xué)設(shè)備(技術(shù))更新和國外教學(xué)儀器的發(fā)展. 一方面，隨著設(shè)備性能穩(wěn)定、功能齊備和操作簡(jiǎn)易，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以更注重于實(shí)驗(yàn)原理和教學(xué)內(nèi)容的課堂討論. 另一方面，由于缺乏以教研室為單位的日常教學(xué)交流，很可能使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成為實(shí)驗(yàn)操作的技能教學(xué). 根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本文僅以微波電子自旋共振的微分測(cè)量為例，探討對(duì)復(fù)雜或“封裝”的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分解和分析，并且通過更直觀的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法解決學(xué)生的疑惑. 事實(shí)上，以目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件條件，只要加強(qiáng)課堂教學(xué)交流和實(shí)踐，通過分解實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法幫助學(xué)生理解復(fù)雜(或者不直觀)的物理實(shí)驗(yàn)原理是一種有意義的教學(xué)嘗試，且可作為鎖相放大技術(shù)應(yīng)用的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)例子.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Differential measurement of microwave electron spin resonance

LI Chao-rui

(School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

The optimization of experimental instrument was more conducive to the interaction between teacher and students in teaching process, but the insufficiency of regular discussion in the teaching group might lead the experimental physics teaching to experimental skill training. Especially for modern physics experiment, apprehending the principle of experiment was helpful for students to comprehend the working principle of scientific research equipment. It was believed that the understanding of the phase-locked technique based on modulation field was the key to mastering the differential measurement of electron spin resonance. To this end, the implementations of teaching through the decomposition of experimental techniques improved the teaching operability. Using the main components of the original equipment, the differential measurement experiment was built up with some other general purpose instruments. The teaching practice showed that it not only helped students to comprehend the principle of electron spin resonance spectrum, but also demonstrated the teaching flexibility and the bridge role of modern physics experiment.

electron spin resonance; lock-in technology; differential measurement; frequency response characteristic

2017-02-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.J1210034，No.J1103211)

李潮銳(1962-)，男，廣東汕頭人，中山大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士，主要從事凝聚態(tài)電磁性質(zhì)研究.

O4-33；O562

A

1005-4642(2017)03-0021-04