ＤＨ８１１Ａ型
微波铁磁共振实验系统
说明书
北京大华无线电仪器厂
目 录
1. 概述
2 . 系统的工作原理
3 . 系统的使用和操作
4 . 系统的成套性
5 . 质量保证
1.概述
微波铁磁共振实验系统是根据高等院校近代物理实验教学大纲而设计的一套简单的教学仪器，它适用于物理等专业的学生在微波频段做铁磁材料共振实验。
本仪器可以完成下列实验任务:
１．可观察铁磁材料的共振现象；
２．可测量微波铁氧体的铁磁共振线宽ΔH；
３．测量微波铁氧体的朗德因子ｇ值；
４．培养学生掌握微波实验系统的调试和测试方法；
微波铁磁共振实验系统工作时的照片
2.系统的工作原理
本实验系统采用扫场法进行微波铁磁材料的共振实验。即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定关系时，可发生射频磁场的能量被吸收的铁磁共振现象。
微波铁磁共振实验系统的工作框图如图一。
该实验系统是在三厘米微波频段做铁磁共振实验。信号源输出的微波信号经隔离器﹑衰减器﹑波长表等元件进入谐振腔。谐振腔由两端带耦合片的一段矩形直波导构成。当被测铁氧体样品放入谐振腔内微波磁场最大处时，将会引起谐振腔的谐振频率和品质因数变化。当改变外磁场进入铁磁共振区域时，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低，从而可测出谐振腔输出功率P与外加恒磁场H的关系曲线如图二。
图二中，P0为远离铁磁共振区时谐振腔的输出功率。Pr为出现铁磁共振时谐振腔的输出功率，此时对应的外磁场为Hr,称为共振磁场。而相应的张量导磁率‖μ‖对角元虚部
达最大值为
，根据铁氧体理论，半共振点是指张量导磁率对角元虚部的=1/2
，
其此处的谐振腔输出功率P1/2与P0，Pr有如下关系：
图 一 微波铁磁共振实验系统框图
与P1/2对应的外加磁场之差（H2-H1）即为铁磁共振线宽ΔH。因此可以根据实验作出的图二曲线和上述P1/2的公式求出共振线宽ΔH 。
另外，由铁磁共振条件ωr=γHr和γ=ge/2mc，根据外加磁场Hr和微波频率，可求得g因子。
应该注意的是，在进行铁磁共振线宽测量时，必须注意样品的 μ′会使谐振腔的谐振频率发生偏移（频散效应）。要得到准确的共振曲线和线宽，必须在测量时消除频散，使装有样品的谐振腔频率始终与输出谐振腔的微波频率相同（调谐）。因此在逐点测绘铁磁共振曲线，相当于每一个外加的恒磁场都要稍微改变谐振腔的谐振频率，使它与微波频率调谐。
如果在测量时不逐点调谐，样品的频散效应又不能忽略（特别是在窄ΔH的情况下），在正确地考虑了频散的影响后，也可以用修正公式从测量的P —— H曲线定出ΔH。（修正公式详见教材，本说明书略）
3.系统的使用和操作
3.1 按图一连接测试系统，先不接两耦合片，将可变衰减器的衰减量
置到最大，磁共振实验仪的磁场调节钮反时针旋到底。（即不加磁场电流）。
3.2 打开微波信号源及磁共振实验仪的电源开关，按要求进行预热20分钟。
3.3 调节微波频率：将磁共振实验仪按键开关按在的“检波”位置，
调节可变衰减器的衰减量，使电表有适当的指示，用波长表测试
此时的微波信号频率。（方法是：旋转波长表的测微头，找到电表
跌落点，读出测微头读数，查波长表频率刻度表即可确定振荡频
率），当信号频率与样品谐振腔上所标谐振频率不一致时，则应调
节微波信号源的信号振荡频率。使之与样品谐振腔上所标谐振频
率相同。测定完频率后，须将波长表刻度旋开谐振点，避免波长表的吸收对实验造成干扰。
3.4 将耦合片按图一接入系统，微调信号振荡频率，使调谐电表指示最大。
3.5 利用示波器直接观察铁磁共振信号按以下步骤进行。
3.5.1 将白色外壳的单晶样品装到谐振腔内，将扫场接线与电磁铁扫场接线柱相连，将“扫场”选钮旋到正时针最大。
3.5.2磁共振实验仪的X轴与Y轴输出接到示波器的X、Y轴上，磁共振实验仪按键按在“扫场”位置，示波器选到X—Y工作方式。
3.5.3 调节示波器X轴输入灵敏度，使荧光屏的X轴的扫描有适当显示，Y轴输入放置20mV位置。
3.5.4调节磁场电流在1.7A左右时，在示波器上即可观察到磁共振谐振信号，如图三。若波形幅度太大，可改变Y轴输入的灵敏度。
3.5.5 如两个共振信号幅度相差较大，可移动样品谐振腔在磁场中的位置，同时观察磁共振谐振信号的变化，使之满意为止。
3.5.6 如两个共振信号出现图三图形，应微微调节微波信号源的频率，使谐振图形的上翘部分下压，调节“相位”旋钮，可使两个共振信号移动到合适的位置，使之满意为止。
图三
3.6 铁磁共振曲线的制作：
3.6.1 将半透明外壳的多晶样品放入谐振腔内，并将谐振腔放到磁场中心位置（如果做此项目前进3.5.5项目，不要动谐振腔在磁场中的位置）。去掉扫场接线。磁共振实验仪的按键按到“检波”位置，缓缓顺时针转动磁共振实验仪的磁场调节钮，加大磁场电流，当电表指示最小的时，即铁磁共振吸收点。
3.6.1 传输式谐振腔的输出功率可以用晶体检波器作相对指示，这是因为本系统微波信号源功率较小，晶体检波器的检波律符合平方律，即检波电流与输入功率成正比，故检波指示可作为铁磁共振曲线的纵坐标。
3.6.2 磁共振实验仪的磁场钮是调节外加磁场大小用的，它通过改变磁场线圈中的电流来达到这个要求。而这个电流的大小与磁场成正比，所以，铁磁共振曲线的横坐标可以用磁共振实验仪的电流指示来代表磁场的大小。
3.6.3 从电流1.2Aqi 起，逐点记录磁共振实验仪的磁场电流表读数与检波指示的对应关系，在坐标纸上描绘出连续的曲线，即可得到铁磁共振曲线。按图二所示的样子，从求得数据所画的曲线上找出共振磁场Hr和线宽ΔH。操作熟练后，在只要求共振磁场Hr和线宽ΔH时，就不必逐点测量，由P1处可知Hr;由P0和P1求出P1/2，找出与P1/2对应的二个H，即可求出线宽ΔH。
3.6.4 如有条件，检波输出可接直流数字电压表。可以使铁磁共振曲线的纵坐标P0提高显示精度。
注：本系统附带的铁氧体小球样品ΔH约200～250 oe, 外磁场强度。
最大4500 oe。
4． 系统的成套性
5．质量保证
自发货之日起十八个月内,如用户遵守运输、贮存和使用规则，而产品质量低于技术条件的规定,本厂负责免费修理。
第二篇：铁磁共振实验
铁磁共振实验
邱正明
一. 基本原理
铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。
基本原理：
自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为:
（1）
其中：γ为旋磁比，
为约化普朗可常数，B0为稳恒外磁场。
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为:
（2）
其中：ν为交变电磁场的频率。
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：
（3）
2πν=γB0 （4）
低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。
二. 实验设备
图一
a. 样品为铁氧体，提供实验用的铁原子。
b. 电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂。
c. 微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级。
d. 波导，单方向传导微波，使其通过样品。
e. 波长表，测量微波的波长。
f. 谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品即放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直。
g. 固体微波信号源，产生9GHZ左右的微波信号。
h. 隔离器，使微波只能单方向传播。
i. 衰减器，控制微波能量的大小。
j. 输出端，含有微波检波二极管，其输出电流与输入的微波功率成正比。
k. 直流磁场电压源，给电磁铁提供励磁电流，改变输出电压的大小即可改变磁场的大小。
l. 微安表，指示检波电流的大小。
m. 微波电源，为固体微波信号源提供电源。
三. 实验原理
铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振，在相同的外磁场中电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍。所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量hν大的多，因此我们用微波（约ν=9GHZ）来提供电子跃迁所需的能量。
在实验中微波的频率ν是固定的，其在谐振腔中样品处的能量hν也是固定的。要产生磁共振电子能级间的能量差
必须等于该值，我们改变励磁电流值，使外磁场磁感应强度B变化，因而使电子能级间的能量差随之改变，当其接近于微波能量值时，电子就要吸收微波磁场的能量，产生铁磁共振，表现为检波二极管的输出电流减小，电流最小值对应的外磁场Br为谐振时的磁感应强度值，此时等式
成立，Br由实验所测得的共振吸收曲线（图三）求得，ν由波长表测出，γ即可求出。
为什么说波导输出电流最小值对应的磁场强度B为磁共振时的磁场强度值Br？由图二
图二
检波二极管输出的电流正比与其输入微波功率，改变外磁场B实际上改变粒子两能级间的能量差
，当它不等于粒子处微波能量时，粒子不吸收微波能量，微波可完全越过粒子到达二极管，使其输出一个较大的电流。继续调节B，当粒子两能级间的能量差等于粒子处微波能量时，粒子吸收微波能量使输出电流减小，其最小值对应的外磁场Br即为磁共振时的磁场强度值。
为什么共振曲线有宽度?可从粒子能级有宽度解释，见书中说明。
《大学物理实验第三册》第131页。
铁 磁 共 振 实 验 要 求 和 实 验 指 导
1． 用波长表测微波频率ν。
a． 打开三厘米固态信号发生器电源预热半小时。
b． 将微波谐振腔的信号输出端接入微安表。
c． 调节波导上的衰减器，使微安表有一定的读数（一般50μA）。
d． 调节波长表使微安表读数达最小值，读取波长表的刻度值，由刻度值和频率对照表求得微波频率。
e． 波长表调离谐振点，使微安表读数回到原来近似值。
2． 用非逐点调谐法测出I---B曲线：（用多晶样品）
a．将谐振腔有样品的部分放入磁场中心位置。
b．将线圈的“磁场”接线端接入磁共振实验仪的“磁场”端。
c．调节磁共振实验仪“磁场”旋钮改变励磁电流的大小（0—最大,约2.5A），每改变一次，记下一组励磁电流（A）和波导输出电流（μA）的值，测一条曲线。查表将励磁电流值（A）转换为对应的磁感应强度B（mT）。（中间点可用插值法估算）。测量过程中不要改变衰减量和波长表。
d．反过来调节励磁电流由高到低（最大—0），测出另一条曲线。
e．在同一坐标纸上画出两条I(μA)---B(mT)曲线，由两条曲线分别求
B及g因子。最后求出B及g因子平均值。（
,γ=g
/
）,,查教材后《物理学常量表》 。
图三
3． 用示波器观察共振波形
a．将微波谐振腔的信号输出端接入磁共振实验仪的“检波输入”端。
b．将线圈的“扫场”接线端接入试验仪的“扫场”端。
c．按下实验仪的“扫描/检波”按钮。
d．按下示波器的“X-Y” 按钮。
e．调节磁场电流达共振点（极小值）处，观察示波器的波形。