铁磁共振实验研究

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1、铁磁共振实验研究铁磁共振【摘要】本实验利用调速管产生微波，探索了谐振腔的谐振性质，并进一步利用谐振腔研究了单品和多品样甜的铁磁共振性质，得到了每种样品的共振线宽，旋磁比，朗德因子以及弛豫时间。【关键字L速调管铁磁共振单晶多晶【引言】铁磁共振是于20世纪40年代发展起来的一种研究物质宏观性能和微观结构的重要实验手段，是指铁磁体材料在受到相互垂直的稳恒磁场和交变磁场的共同作用时发生的共振现象。利用铁磁共振现象可以测量体磁体材料的g因子、共振线宽、弛豫时间等性质。该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方面冇着重要的应用价值。通过本实验，熟悉微波传输中

2、常用的元件及其作用，掌握传输式谐振腔的工作特性，了解谐振腔观察铁磁共振的基本原理和实验条件。【实验原理】1•铁磁共振当铁磁体材料同时受到两个相互垂直的磁场，即恒定磁场H0和微波交变磁场h,在H0的作用下，铁磁体的磁化强度将围绕H0进动，进动频率为：(1)?0??H0其中?为铁磁体材料的旋磁比，即：??g?Oe2m(2)其中g为朗德因子，？0为真空磁导率，e、m为电子电量和电子质量.1由于阻尼作用，磁化强度将趋向于H0,但是如果当微波频率???0时，进动的磁矩从微波场中吸收的能量刚好抵消阻尼所损耗的能量，则进动会稳定地进行，发生共振吸收现象，即铁

3、磁共振现象.固定微波的频率?0,改变稳恒磁场，当H?Hr发生共振时，磁导率张量对角元?的虚部?11为最大值?r,所对应的磁场Hr为共振磁场；？??r/2所对应的磁场间隔“?H?

4、H1?H2

5、称为铁磁共振线宽，标志着磁损耗的大小.铁磁共振曲线如图1所示.共振线宽与弛豫时间?之间存在关系：??2??H(3)图4铁磁共振曲线图2：谐振腔谐振曲线2.传输式谐振腔本次实验中使用的传输式谐振腔是一段矩形波金属波导管，并在两端加上带耦合孔的短路金属片.(1)谐振腔的谐振条件其中I是谐振腔的长度，入g是波导波长：l?p?g(p?123…)(4)?g?????2

6、a?2,??cf(5)其中，入、f为谐振腔的谐振波长和谐振频率，a为谐振腔宽边长度.(1)品质因数2谐振腔的固有品质因数Q0定义为：Q0??0谐振时总的储能.如果与外电路相耦合，损耗功率称为有载品质因数QL,定义为：(2)谐振曲线111,Qe为谐振腔的外观詁质因数.？?QLQOQe谐振腔的传输系数与频率的关系曲线称为谐振曲线，如图2所示.传输系数T(f)定义如下：T(f)?p出(f)p入(f)・由图，冇载品质因数可表示为：QL?

7、fO

8、fl?f2(6)其中：fO为腔的谐振频率，fl和f2为半功率点所对应的频率.3•用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽

9、的原理(1)谐振腔的微扰公式当样品很小时，如果满足下面两个条件，则可以看成是微扰：1)放入样品后所引起的谐振频率相对变化很小；1)放入样品后只有样甜所在的地方电磁场发牛变化，其他地方变化忽略不计.此时，当样品处于腔内微波磁场最大，微波电场最小处时,微扰计算结果如下：lf?fO)?2A?????A(???1)?(fOQL(7)其中fO、f分别为无样品和有样品时腔的谐振频率，？?、？??为磁导率张量对角元的实部和虚部，A为与腔的振荡模式和休积及样品的体积有关的常数，?(谐振腔的有载甜质因数倒数的变化.(2)用传输式谐振腔测量铁磁共振谐振腔放在均匀的

10、外磁场中，外磁场与微波场垂直.样品体积很小,放在腔内磁场最大处，谐振腔始终保持谐振，微波输入功率保持恒定，经计算有：1)为放进样品前后QLP出(fO)?4P入(fO)2QLQelQe2(8)如果我们测出P出的变化则可以知道QL的变化，由(7)则可以知道???的变化，由图13就可以知道？？・通过测量谐振时输出功率P与恒定磁场H的关系曲线，如图3所示,如果PO、Pr表示远离铁磁共振和共振时的输出功率，P1/2为半共振点的输出功率(相当于???=?r??/2点)，有：P1/274P0(PO/Pr?l)2(9)图3：输出功率P与磁场强度H的关系曲线可以

11、算出P1/2,在曲线上测量出??，但用(9)时一定要逐点注意调谐，即每加入一个共振磁场，都要稍微改变微波的频率使之调谐，测出的?？才正确.如果不逐点调谐，则需要对公式(9)进行修正，结果如下：Pl/2?2prpOpO?pr(10)【实验装置】本次实验使用的仪器主要有微波实验中的各种仪器，另外还有共振仪,电磁铁，单晶和多晶样品，谐振腔(p=8)・其中电磁铁用来产生恒定磁场或产生扫场磁场，共振仪为电磁铁提供电流并为示波器提供输入信号.实验装置如4所示:图4：实验装置图4【实验内容】1.观察谐振腔的谐振性质：由公式(4)、(5)估算谐振频率，用示波器

12、观察速调管的振荡模式，频率处于谐振腔固冇频率附近，与微波实验中观察到的振荡模式进行比较；观察谐振腔的谐振曲线，测量有效品质因数。2.观察铁磁共振：通过