用于射频段电子自旋共振实验的磁场装置

汪柏年, 郭枳讯, 王建华

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳　110044)



用于射频段电子自旋共振实验的磁场装置

汪柏年, 郭枳讯, 王建华

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳110044)

摘要:通过对线圈的设计、制作、供电和对应磁场的检测等, 研制了用于射频段电子自旋共振实验的磁场装置.用制作完成的该磁场装置与共振实验仪匹配,完成了射频段ESR信号的观察.

关键词:电子自旋共振实验; 稳恒磁场; 扫描磁场; 射频磁场

电子自旋共振实验是重要的近代物理实验之一,磁场装置对磁共振实验是必不可少的.设计制作出用于在射频段观测电子自旋共振实验的磁场装置,可以利用该磁场装置配合实验仪主机观测到电子自旋共振信号并完成相关测量.

1设计思想

连续波吸收法磁共振实验中所需的磁场有三个:稳恒磁场磁感应强度为B0、调制磁场磁感应强度为Bm、射频磁场磁感应强度为B1;稳恒磁场与调制磁场的叠加值B=B0+Bm满足共振条件ω=γB0[1]时,一般就会发生磁共振现象.磁共振实验仪提供的可调共振频率范围为11~18 MHz,对S=1/2的自由电子有共振频率f=ω/2π=2.802 4×1010B0,取f=15 MHz(RF频段),估算B约为5×10-4T,依据电磁理论,这样的弱磁场通常由螺线管或亥姆霍兹线圈产生[2].理论上能够实现稳恒磁场和扫描磁场叠加的组合线圈,可以有三种:

(1) 稳恒磁场由螺线管线圈产生,调制磁场由亥姆霍兹线圈产生.

(2) 稳恒磁场由螺线管线圈产生,调制磁场由螺线管线圈产生.

(3) 稳恒磁场由亥姆霍兹线圈产生,调制磁场由亥姆霍兹线圈产生.

从产生磁场的均匀性角度,在线圈制作工艺相同条件下,螺线管线圈的均匀性优于亥姆霍兹线圈.

由于稳恒磁场用于分裂电子的塞曼能级,又考虑到实验对磁场均匀性的要求较高,因此选用螺线管线圈来产生稳恒磁场.

稳恒磁场线圈确定后,对于调制磁场的产生,有上述(1)、(2)两个方案.磁共振仪主机扫场电源提供的交流电压有效值为12 V,而适用于本实验的螺线管线圈的常温电阻一般只有几个欧姆,若将螺线管线圈直接与扫场电源连接,将由于电流过大产生安全问题；亥姆霍兹线圈的常温电阻一般为几十欧姆将其与扫场电源连接产生的电流处于安全范围,因此选用方案(1).

2装置制作

2.1　稳恒磁场线圈

为保证实验对磁场均匀性的要求,产生稳恒磁场的螺线管线圈尽量使l/d>5,l、d分别为线圈的长度和直径;又为保证连有样品管的探头能够自如地伸入到管内,实验使用了一根长为0.30 m,直径50 mm,壁厚2 mm的硬塑圆管作为骨架.又出于安全性考虑,采用φ=0.6 mm的绝缘铜导线来绕制线圈,这样线圈的理论直径d=52.6 mm.

图1　稳恒磁场线圈

这对线圈用直径0.3 mm的漆包铜线绕制,串联使用.每个线圈的几何尺寸如图2所示,l=3.0 mm,L1=27.3 mm,L2=33.3 mm.绝缘嵌套在螺线管线圈外,以样品所在位置为中心,两线圈相距z=40 mm.

按厚壁线圈在其轴线上产生的场强公式[4]

并考虑到使Bm略小于B0=5×10-4T,确定了每个线圈的匝数为N=800匝.制作完成的调制磁场线圈如图3所示.

图2　调制磁场线圈规格

图3　调制磁场线圈实物图

2.3　射频磁场线圈

射频磁场振荡产生线性振动的射频场B1,振荡线圈既是发射线圈又是接收线圈,绕在样品管外.本实验所选样品管高17 mm,直径7.2 mm,经反复实验发现:使用0.6 mm铜线在样品管上绕17匝左右能满足共振频率11~18 MHz的匹配要求.

3检测与应用

利用霍尔元件[5]对螺线管线圈进行通电检测,发现当通入螺线管线圈的直流电流I=0.25~0.30 A时,测得的B=0.50~0.57 mT,与理论结果大致符合,可满足实验要求.

对亥姆霍兹线圈经检测串联总电阻约为48 Ω,在扫描电流达到200 mA时,即可完整扫出DPPH样品的共振信号.

用自制的磁场装置匹配磁共振仪完成了ESR实验,使用的样品是DPPH.

图4为DPPH的ESR信号.实验条件为:共振频率15.53 MHz,示波器扫描时间5 ms,扫场电流250 mA,稳恒磁场电压1.97 V.上述结果表明,研制的磁场装置可以较好地满足射频段ESR实验的要求.

图4　DPPH的ESR信号

利用该信号,可测量DPPH的g因子、地磁场的垂直分量以及共振线宽和弛豫时间,射频段ESR实验可在核磁共振实验后作为设计性实验开出.

参考文献:

[1] 吴思诚,王祖铨. 近代物理实验[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2005:303.

(Wu Sicheng, Wang Zuquan. Modern Physic Experiment[M]. 3rd Edition. Beijing: Higher Education Press, 2005:303.)

[2] 赵凯华,陈熙谋. 电磁学[M]. 北京:人民教育出版社, 1979:285-292.

(Zhao Kaihua, Chen Ximou. Electromagnetism[M]. Beijing: People’s Education Press, 1979:285-292.)

[3] 刘春光. 近代物理实验[M]. 长春:东北师范大学出版社, 2008:146.

(Liu Chunguang. Modern Physics Experiment[M]. Changchun: Northeast Normal University Press, 2008:146.)

[4] 张宝裕,刘恒基. 磁场的产生[M]. 北京:机械工业出版社, 1987:107.

(Zhang Baoyu, Liu Hengji. The Generation of Magnetic Field[M]. Beijing: China Machine Press, 1987:107.)

[5] 韩笑,肖鸿飞,林欣悦. 物理实验教程[M]. 北京:科学技术文献出版社, 2009:109-113.

【责任编辑: 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

中图分类号:O 482.5

文献标志码:A

作者简介:汪柏年(1962-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学副教授.

基金项目:辽宁省大学生创新创业计划训练基金资助项目(201411035000037).

文章编号:2095-5456(2015)02-0170-03