微波铁磁共振

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1、中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：应物09--5姓名：郭启凯同组者：王建飞教师：周丽霞微波铁磁共振铁磁共振是指铁磁介质的电子自旋共振，观察的对象是铁磁介质中的未成对电子。它利用磁性物质从微波磁场中吸收能量的现象，与核磁共振、顺磁共振一样在磁学和固体物理学研究中占有重要地位。通过铁磁共振能测量铁磁介质的共振线宽、张量磁化率、饱和磁化强度、居里点等重要参数。【实验目的】1．了解铁磁共振的基本原理和实验方法，观测铁磁共振现象；2．掌握用谐振腔法测量共振线宽及朗德因子；3．了解微波基本知识，了解有关的微波测量技术。【实验原理】1、微波铁磁共振的基本原理由磁学理论可知，物质的铁

2、磁性主要来源于原子或离子在未满壳层中存在的未成对电子自旋磁矩。一块宏观的铁磁体包括许多磁畴，在每一个磁畴中，自旋磁矩平行排列产生自发磁化，但各个磁畴之间的取向并不完全一致，只有在外加磁场B的作用下，铁磁体内部的所有自旋磁矩才趋向同一方向，并围绕着外磁场方向作进动，这时的总磁矩或磁化强度可用M表示。其进动方程和进动频率可分别写为：(1)式中为旋磁比，g为电子的朗德因子，理论上g＝2。图1磁化强度矢量绕外磁场的进动上述情况未考虑阻尼作用。在外加恒磁场B作用下，磁矩M绕B进动不会很久，因为铁磁物质的自旋磁矩与晶格或邻近的磁矩存在着耦合作用，即与周围环境之间存在着能量的交换。由于铁磁介

3、质内部有损耗存在，使磁化强度矢量M的进动受到阻力，绕着外磁场B进动的幅角θ会逐渐减小。则M最终趋近磁场方向，这个过程就是磁化过程，磁性介质所以能被磁化，就说明其内部有损耗，如果要维持其进动，必须另外提供能量。因此一般来说外加磁场由两部分组成：一是外加恒磁场B,二是交变磁场Hm（即微波磁场）。此时铁磁物质从微波磁场吸收的全部能量恰好补充铁磁样品所损耗的能量。这正是铁磁共振可以用来研究铁磁材料的宏观性能和微观机制之间关系的物理基础。当外加微波磁场Hm的角频率0与磁化强度矢量M进动的角频率6/6相等时，铁磁物质吸收外界微波的能量用以克服阻尼并维持进动，这就发生了共振吸收现象。由（1）

4、式可知，发生铁磁共振时的恒磁场B0与微波角频率0满足(2)从量子力学观点看来，当电磁场的量子ћω0刚好等于系统M的两个相邻塞曼能级间的能量差DE时，就会发生共振现象。此时或(3)其中，，为波尔磁子。2、磁性材料的磁导率和铁磁共振线宽磁学中通常用磁导率μ来表示磁性材料被磁化的难易程度。在恒定磁场下，μ可用实数表示；在交变磁场下，μ要用复数表示：(4)其中实部为铁磁介质在恒定磁场中的磁导率，它决定磁性材料中储存的磁能，虚部反映交变磁场时磁性材料的磁能损耗。图2铁磁共振曲线当发生铁磁共振时，铁磁体会出现一个最大的磁能损耗，磁导率的虚部与恒定磁场B的关系曲线上出现共振峰，如图2所示。的

5、最大值对应的磁场B0称为共振磁场。1/2两点对应的磁场间隔（B2－B1）称为铁磁共振线宽ΔB。ΔB是铁磁材料的一个重要参量，它的大小标志着磁损耗的大小，一般ΔB越窄，磁能损耗越低。测量ΔB对于研究铁磁共振的机理和提高微波器件的性能是十分重要的。3、微波铁磁共振实验装置图3铁磁共振实验装置框图6/6实验装置框图见图3。本实验采用波长λ为3cm左右的微波场。微波源输出的微波信号，经隔离器、衰减器和波长表等进入谐振腔。谐振腔由两端带耦合孔的金属片（耦合片）的一段矩形波导组成，腔内放置样品。当发生铁磁共振时，样品因发生铁磁共振产生铁磁共振损耗，使微波输出功率降低，从而可测出谐振腔的输出

6、功率P与外加恒定磁场B的关系，并找到共振点。外部恒定磁场由电磁铁提供，分为直流稳恒磁场和扫描磁场（扫场）两部分。有关微波系统部件的功能请参见近代物理实验教材上的“微波技术”部分。3.1微波（样品）谐振腔截面为a×b(a>b)，长为l的一段波导管，两端用金属片封闭，为了微波的进入和少量泄露（以便检测），这两片金属片或其中的一片开有小孔（耦合孔）。改变腔长或调节微波的频率，腔内会发生谐振，形成驻波。传输式谐振腔两端都有耦合孔，一端进入电磁波，另一端泄露少量电磁波，以便检测。如果腔内是真空或空气介质时，当（5）时，发生谐振。其中（6）称为波导波长，是微波在自由空间的波长，是截止或临界

7、波长。对于不放样品的空腔，当谐振腔谐振时，谐振频率f0与微波频率相等。除了谐振频率以外，谐振腔的另一个重要参数是品质因数Q，（7）其中ω0是谐振角频率，W0是腔内总储能，Wl是每秒耗能。一个含有样品的谐振腔，其品质因数用QL表示。根据谐振腔的微扰理论，如果在腔内放置一个很小的样品，把样品放到腔内微波磁场最大处，将会引起谐振腔的谐振频率f0和品质因数QL的变化。（8）f0、f’分别为放置样品前后腔的谐振频率，A为与腔的谐振模式和体积有关的常数。此时，腔的输出功率为（9）式中Qe1、Qe2为腔的