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(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)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(duì)線圈的設(shè)計(jì)、制作、供電和對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)的檢測(cè)等, 研制了用于射頻段電子自旋共振實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)裝置.用制作完成的該磁場(chǎng)裝置與共振實(shí)驗(yàn)儀匹配,完成了射頻段ESR信號(hào)的觀察.

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

電子自旋共振實(shí)驗(yàn)是重要的近代物理實(shí)驗(yàn)之一,磁場(chǎng)裝置對(duì)磁共振實(shí)驗(yàn)是必不可少的.設(shè)計(jì)制作出用于在射頻段觀測(cè)電子自旋共振實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)裝置,可以利用該磁場(chǎng)裝置配合實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)觀測(cè)到電子自旋共振信號(hào)并完成相關(guān)測(cè)量.

1設(shè)計(jì)思想

連續(xù)波吸收法磁共振實(shí)驗(yàn)中所需的磁場(chǎng)有三個(gè):穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0、調(diào)制磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm、射頻磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1;穩(wěn)恒磁場(chǎng)與調(diào)制磁場(chǎng)的疊加值B=B0+Bm滿足共振條件ω=γB0[1]時(shí),一般就會(huì)發(fā)生磁共振現(xiàn)象.磁共振實(shí)驗(yàn)儀提供的可調(diào)共振頻率范圍為11~18 MHz,對(duì)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(chǎng)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(chǎng)和掃描磁場(chǎng)疊加的組合線圈,可以有三種:

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

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

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

從產(chǎn)生磁場(chǎng)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(chǎng)用于分裂電子的塞曼能級(jí),又考慮到實(shí)驗(yàn)對(duì)磁場(chǎng)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(chǎng).

穩(wěn)恒磁場(chǎng)線圈確定后,對(duì)于調(diào)制磁場(chǎng)的產(chǎn)生,有上述(1)、(2)兩個(gè)方案.磁共振儀主機(jī)掃場(chǎng)電源提供的交流電壓有效值為12 V,而適用于本實(shí)驗(yàn)的螺線管線圈的常溫電阻一般只有幾個(gè)歐姆,若將螺線管線圈直接與掃場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)線圈

為保證實(shí)驗(yàn)對(duì)磁場(chǎng)均勻性的要求,產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)的螺線管線圈盡量使l/d>5,l、d分別為線圈的長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)使用了一根長(zhǎng)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(chǎng)線圈

這對(duì)線圈用直徑0.3 mm的漆包銅線繞制,串聯(lián)使用.每個(gè)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(chǎng)強(qiáng)公式[4]

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

圖2　調(diào)制磁場(chǎng)線圈規(guī)格

圖3　調(diào)制磁場(chǎng)線圈實(shí)物圖

2.3　射頻磁場(chǎng)線圈

射頻磁場(chǎng)振蕩產(chǎn)生線性振動(dòng)的射頻場(chǎng)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(shí)驗(yàn)所選樣品管高17 mm,直徑7.2 mm,經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(cè)與應(yīng)用

利用霍爾元件[5]對(duì)螺線管線圈進(jìn)行通電檢測(cè),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(shí),測(cè)得的B=0.50~0.57 mT,與理論結(jié)果大致符合,可滿足實(shí)驗(yàn)要求.

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

用自制的磁場(chǎng)裝置匹配磁共振儀完成了ESR實(shí)驗(yàn),使用的樣品是DPPH.

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

圖4　DPPH的ESR信號(hào)

利用該信號(hào),可測(cè)量DPPH的g因子、地磁場(chǎng)的垂直分量以及共振線寬和弛豫時(shí)間,射頻段ESR實(shí)驗(yàn)可在核磁共振實(shí)驗(yàn)后作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)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(hào):O 482.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:汪柏年(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)副教授.

基金項(xiàng)目:遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目(201411035000037).

文章編號(hào):2095-5456(2015)02-0170-03