磁共振技术实验报告
【摘要】
磁共振指磁矩不为零的物质处于恒定磁场中，由于射频或微波电磁场引起磁能级之间的共振跃迁现象。本实验主要涉及到磁共振技术中的三个实验，分别为顺磁共振、核磁共振、光磁共振实验，讨论影响实验信号的因素，并分析三种共振实验的特点。通过顺磁实验主要了解微波顺磁共振的概念和原理，使用微波进行电子顺磁共振实验，计算出原子的g因子；通过核磁共振实验测定有关物理量，认识磁共振的一般特性。观测核磁共振的测量原理和实验方法；通过光磁共振实验了解掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对超精细结构，光跃迁及磁共振的理解，测定铷87及铷85的g因子，地磁场垂直和水平分量。尽管这些这些磁共振各有特点，但有着共同的原理和方法，因此本实验还有一主要目的是找到他们的发展特点并引发思考技术的未来发展方向。
【关键字】
顺磁共振 核磁共振 光磁共振 g 因子
【引言】
磁共振是指磁矩不为零的原子或原子核在稳恒磁场作用下对电磁辐射能的共振吸收现象。如果共振是由原子核磁矩引起的, 则该粒子系统产生的磁共振现象称核磁共振(简写作NMR)；如果磁共振是由物质原子中的电子自旋磁矩提供的,则称电子自旋共振(简写ESR),亦称顺磁共振(写作EPR)。此外，还有以其他物理特征为标志的共振现象，建立在光抽运基础上的光泵磁共振。尽管这些磁共振各有特点，但有着共同的原理和方法。
【正文】
磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术发展的基础上被发现的。1945年首先在顺磁性Mn盐的水溶液中观测到顺磁共振，第二年，又分别用吸收和感应的方 法发现了石蜡和水中质子的核磁共振；用波导谐振腔方法发现了Fe、Co和Ni薄片的铁磁共振。1950年在室温附近观测到固体Cr2O3的反铁磁共振。1953年在半导体硅和锗中观测到电子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后从理论上预言和实验上观测到亚铁磁共振。随后又发现了磁有序系统中高次模式的静磁型共振(1957)和自旋波共振(1958)。1956年开始研究两种磁共振耦合的磁双共振现象。这些磁共振被发现后，便在物理、化学、生物等基础学科和微波技术、量子电子学等新技术中得到了广泛的应用。例如顺磁固体量子放大器,各种铁氧体微波器件,核磁共振谱分析技术和核磁共振成像技术及利用磁共振方法对顺磁晶体的晶场和能级结构、半导体的能带结构和生物分子结构等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩参数的测定也是以各种磁共振原理为基础发展起来的。
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一、磁共振基本原理
磁共振(回旋共振除处)其经典唯象描述是：原子、电子及核都具有角动量,其磁矩与相应的角动量之比称为磁旋比γ。磁矩M 在磁场B中受到转矩MBsinθ(θ为M与B间夹角)的作用。此转矩使磁矩绕磁场作进动运动,进动的角频率ω=γB,ωo称为拉莫尔频率。由于阻尼作用,这一进动运动会很快衰减掉，即M达到与B平行，进动就停止。但是,若在磁场B的垂直方向再加一高频磁场b(ω)（角频率为ω）,则b(ω)作用产生的转矩使M离开B,与阻尼的作用相反。如果高频磁场的角频率与磁矩进动的拉莫尔（角）频率相等ω =ωo,则b(ω)的作用最强，磁矩M的进动角（M与B角的夹角）也最大。这一现象即为磁共振。 磁共振也可用量子力学描述:恒定磁场B使磁自旋系统的基态能级劈裂，劈裂的能级称为塞曼能级（见塞曼效应），当自旋量子数S=1/2时，其裂距墹E＝gμBB,g为朗德因子, 为玻尔磁子，e和me为电子的电荷和质量。外加垂直于B的高频磁场b(ω)时,其光量子能量为啚ω。如果等于塞曼能级裂距,啚ω＝gμBB＝啚γB，即ω=γB（啚=h/2π，h为普朗克常数）,则自旋系统将吸收这能量从低能级状态跃迁到高能级状态（激发态），这称为磁塞曼能级间的共振跃迁。量子描述的磁共振条件ω＝γB，与唯象描述的结果相同。
当M是顺磁体中的原子(离子) 磁矩时,这种磁共振就是顺磁共振。当M是铁磁体中的磁化强度（单位体积中的磁矩）时,这种磁共振就是铁磁共振。当M=Mi是亚铁磁体或反铁磁体中第i个磁亚点阵的磁化强度时,这种磁共振就是由 i个耦合的磁亚点阵系统产生的亚铁磁共振或反铁磁共振。当M是物质中的核磁矩时,就是核磁共振。
这几种磁共振都是由自旋磁矩产生的，可以统一地用经典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ［相应的矢量方程为d M/dt=γ( M×B］来描述。
二、磁共振基本实验方法
通常，当外加恒定磁场Be在0.1～1.0T(材料的内磁场BBe)时，各种与电子有关的磁共振频率都在微波频段，而核磁共振频率则在射频频段。这是因为原子核质量与电子质量之比约为10倍的缘故。
虽然观测这两类磁共振分别应用微波技术和无线电射频技术，但其实验装置的组成与测量原理却是类似的。磁共振实验装置由微波（或射频）源、共振系统、磁场系统和检测系统组成。微波(或射频)源产生一定角频率ω（或频率扫描）的电磁振荡, 送到装有样品的共振系统（共振腔或共振线圈），共振系统中的高频磁场bω［回旋共振时为电场E(ω)］与磁场系统产生的恒定磁场B 垂直, 当保持源的频率不变而改变恒定磁场强度（磁场扫描），或保持恒定磁场强度不变而改变源的频率（频率扫描），达到共振条件ω=γH 时,检测系统便可测得样品对高频电磁能量的吸收Pa与磁场B（或频率ω）的关系,即共振吸收曲线。在共振信号微弱（例如核磁共振或顺磁共振）的情况下，可以采用调制技术，测量共振吸收微分曲线，以提高检测灵敏度。磁共振的重要参数是发生最大共振吸收的共振磁场Bo、共振线宽（相应于最大共振吸收一半的磁场间隔）ΔB、共振吸收强度（最大吸收P或共振曲线面积）和共振曲线形状（包括对称性和精细结构等）。当共振曲线为洛伦兹线型时，共振微分曲线的极值间隔ΔBpp与共振线宽ΔB具有简单的关系。
在采用频率扫描代替磁场扫描时,相应的共振曲线和参数中的磁场B都换为角频率ω,如共振频率ωo，共振线宽Δω等。
在特殊情况下，还可以采用脉冲源、傅里叶变换、多次累积等技术来提高灵敏度或分辨率等。
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三、实验涉及的磁共振技术 （一）核磁共振
核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。
电子顺磁共振共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。
一、发展过程
核磁共振的物理基础是原子核的自旋。泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年在实验上得到证实。1932年人们发现中子，从此对原子核自旋有了新的认识：原子核的自旋是质子和中子自旋之和，只有质子数和中子数两者或者其中之一为奇数时，原子核具有自旋角动量和磁矩。这类原子核称为磁性核，只有磁性核才能产生核磁共振。磁性核是核磁共振技术的研究对象。1945年12月，美国哈佛大学帕塞尔等人，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号；1946年1月，美国斯坦福大学布洛赫等人，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共振。因此，1945年发现核磁共振现象的美国科学家珀塞耳（Purcell）和布珞赫（Bloch）1952年获得诺贝尔化学奖。以后，许多物理学家进入了这个领域，取得了丰硕的成果。目前，核磁共振已经广泛地应用到许多学科领域，是物理、化学、生物、临床诊断、计量科学和石油分析与勘探等研究中的一项重要实验技术。
电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功.Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。EPR现象首先是由苏联物理学家E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。以后化学家根据EPR测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。美国的B．康芒纳等人于1954年首次将EPR技术引入生物学的领域之中，他们在一些植物与动物材料中观察到有自由基存在。60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，EPR技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,例如发现过渡族元素的离子；研究半导体中的杂质和缺陷；离子晶体的结构；金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以,ESR也是一种重要的近代物理实验技术。
实验装置
（一）核磁共振实验装置
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（二）顺磁共振实验装置
由电磁铁系统，微波系统和电子检测系统等组成。 1．微波系统：
①三厘米固态信号源②隔离器③可变衰减器④波长计⑤调配器⑥检波器⑦谐振腔 2．魔T：
魔 T是一个具有与低频电桥相类似特征的微波元器件，如图所示。它有四个臂，相当于一个E～T和一个H～T组成，故又称双T，是一种互易无损耗四端口网络，具有“双臂隔离，旁臂平分”的特性。利用四端口S矩阵可证明，只要1，4臂同时调到匹配，则2，3
臂也自动获得匹配；反之亦然。E臂和H臂之间固有隔离，反向臂2，3之间彼此隔离，即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出，只能从旁臂输出。信号从H臂输入，同相等分给2，3臂；E臂输入则反相等分给2，3臂。由于互易性原理，若信号从反向臂2，3同相输入，则E臂得到它们的差信号，H臂得到它们的和信号；反之，若2，3臂反相输入，则E臂得到和信号，H臂得到差信号。 当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔 T的H臂，同相等分给2，3臂，而不能进入E臂。3臂接单螺调
魔T示意图 配器和终端负载；2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔，
样品DPPH在腔内的位置可调整。E臂接隔离器和晶体检波器；2，3臂的反射信号只能等分给E，H臂，当3臂匹配时，E臂上微波功率仅取自于2臂的反射。 3. 样品腔
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样品腔结构，是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节活塞位置，使腔长度等于半个波导波长的整数倍时，谐振腔谐振。当谐振腔谐振时，电磁场沿谐振腔长L方向出现P个长度驻立半波。腔内闭合磁力线平行于波导宽壁，且同一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反。在相邻两驻立半波空间交界处，微波磁场强度最大，微波电场最
H弱。满足样品磁共振吸收强，非共振的介质损耗小的要求，所以，是放置样品最理想的位置。
z4. 磁场系统
由电磁铁，励磁电源和调场电源组成，用于产生外磁场B= BD +BAcosωt。励磁电源接到电磁铁直流绕组，产生BD通过调整励磁电流改变BD。调场电源接到电磁铁交流绕组，产生BAcosωt，并经过相移电路接到示波器X轴输入端。 5．电子仪器：
微安表、示波器、特斯拉计
谐振腔示意图 微波磁场线电场线样品位置标尺腔长标尺微波样品活塞
三、实验设计
（一）核磁共振实验步骤设计 1. 校准永久磁铁中心的磁场Bo
把样品为水（掺有三氟化铁）的探头下端的样品盒插入到磁铁中心，并使电路盒水平放置在磁铁上方的机座上，左右移动电路盒使它大致处于机座的中间位置，将电路盒背面的“频率测试”和“共振信号”分别与频率计和示波器连接，把示波器的扫描速度旋钮放在5ms/格位置，纵向放大旋钮放在0.1V/格或0.2V/格位置，打开频率计，示波器和边限振荡器的电源开关，这时频率计应有读数，接通可调变阻器电流到中间位置，缓慢调节边限振荡器的频率旋钮，改变振荡频率（由小到大或由大到小）同时监视示波器，搜索共振信号。水的共振信号将出现尾波振荡，而且磁场越均匀尾波中的振荡次数越多。因此一旦观察到共振信号以后，应进一步仔细调节电路盒在木座上的左右位置，使尾波中振荡的次数最多，即使探头处在磁铁中磁场最均匀的位置，并利用木座上的标尺记下此时电路盒边缘的位置。 作为定量测量，我们除了要求出待测量的数值外，还关心如何减小测量误差并力图对误差的大小作出定量估计从而确定测量结果的有效数字，从图可以看出，一旦观察到共振信号，B0的误差不会超过扫场的幅度B'。
现象观察：适当增大B'，观察到尽可能多的尾波振荡，然后向左（或向右）逐渐移动电路盒在木座上的左右位置，使下端的探头从磁铁中心逐渐移动到边缘，同时观察移动过程中共振信号波形的变化并加以解释。 2. 测量F19的g因子
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