微波实验

四、实验仪器
DH1121型三厘米固态信号发生器，DH926型微波分光仪，微安表， DH1121型三厘米固态信号发生器，DH926型微波分光仪，微安表，模拟晶体 型三厘米固态信号发生器 型微波分光仪 实验装置见图。在固定臂 上装有微波 实验装置见图。在固定臂3上装有微波 信号发生器1和发射喇叭 活动臂16 和发射喇叭2， 信号发生器 和发射喇叭 ，活动臂 上装有接收喇叭15，衰减器14， 上装有接收喇叭 ，衰减器 ，检波 及调谐短路活塞12。微安表11与 器13及调谐短路活塞 。微安表 与 及调谐短路活塞 检波器13相连作指示器用 分光玻璃6 相连作指示器用。 检波器 相连作指示器用。分光玻璃 插在微波分光仪刻度盘10中心孔中 中心孔中， 插在微波分光仪刻度盘 中心孔中， 其与固定臂的夹角可通过转动刻度盘 上的载物台加以调节， 上的载物台加以调节，并由刻度盘读 取角度值。固定金属板5插在固定插孔 取角度值。固定金属板 插在固定插孔 可动金属板7插在读数机构 插在读数机构8的插 中，可动金属板 插在读数机构 的插 孔中。 孔中。转动读数机构手轮可移动金属 的位置并读出其所在位置的读数。 板7的位置并读出其所在位置的读数。 的位置并读出其所在位置的读数
微波实验
南京理工大学 物理实验中心
提纲
一、背景介绍 二、实验目的 三、实验原理 四、实验仪器 五、实验内容与步骤 六、注意事项 七、思考题
－－概念 一、背景介绍 －－概念
微波的定义 微波是指波长在1mm~1m范围内，相 范围内， 微波是指波长在 范围内 应频率在300~300000MHz之间的电磁波。 应频率在 之间的电磁波。 之间的电磁波 微波的特点 波长短 频率高，周期短 量子特性 某 频率高， 些波段的微波能畅通无阻地穿过电离层。 些波段的微波能畅通无阻地穿过电离层。 微波的产生 可用反射式速调管。 可用反射式速调管。实验中还用一种产生 微波振荡的半导体器件，即体效应二极管。 微波振荡的半导体器件，即体效应二极管。 在该管两端加电压， 在该管两端加电压，当管内电场略大于阈 值时， 值时，会出现电流的不均匀涨落而形成微波振 荡。
2.布喇格衍射 2.布喇格衍射 ①调整仪器，将模拟晶体放到载物台上； 调整仪器，将模拟晶体放到载物台上； ②用(100)晶面验证布喇格定律，转动晶体， (100)晶面验证布喇格定律，转动晶体， 晶面验证布喇格定律 使晶面的法线与发射喇叭，接收喇叭轴线垂直， 使晶面的法线与发射喇叭，接收喇叭轴线垂直， 调节衰减器和短路活塞，使微安表指向最大值； 调节衰减器和短路活塞，使微安表指向最大值； ③测量不同的掠射角θ，来寻找一级和二级掠 测量不同的掠射角θ 射角； 射角； ④计算，验证布喇格定律； 计算，验证布喇格定律； ⑤已知波长，用(110)和(100)晶面测立方晶体 已知波长， (110)和(100)晶面测立方晶体 的晶格常数
∆ = (2k + 1)λ (k = 0,±1,±2,...)
时，显示电流极小。沿微波传输 方向移 显示电流极小。 动B，第一次电流极大时记录金属板 ，第一次电流极大时记录金属板B 的位置，继续移动B，观察到第n个极大 的位置，继续移动 ，观察到第 个极大 值时记录位置， 值时记录位置，光程差
∆ = 2(l n − l1 ) = (n − 1)λ ∴λ = 2(l n − l1 ) n −1
二、实验目的
用迈克尔逊干涉法测定微波波长； 加深对微波具有类似光线直线传播性质 的理解； 用模拟晶格观察微波的布拉格衍射； 学习X 学习X射线分析晶体结构的基本知识。
µJ = −g
µB
h
PJ = γ PJ
三、实验原理
1.测微波波长： 测微波波长： 测微波波长 微波麦克尔逊干涉仪的原理与光学麦克尔逊干涉仪的原理基本相同。 微波麦克尔逊干涉仪的原理与光麦克尔逊干涉仪的原理基本相同。 图中A为固定金属板， 为可移动金属板 为可移动金属板A 图中 为固定金属板，B为可移动金属板 为固定金属板 互相垂直， 与B互相垂直，分光玻璃 互相垂直 分光玻璃MM’与A和B均 与 和 均 度角。 成45度角。两束微波在接受喇叭处相遇， 度角 两束微波在接受喇叭处相遇， 波程差 ∆ = kλ (k = 0,±1,±2,...) 时，显示电流极大；当波程差 显示电流极大；
2.布喇格衍射 布喇格衍射 固态物质可以分为晶体和非晶体两种。原子或离子， ①固态物质可以分为晶体和非晶体两种。原子或离子，分子在三维空间内 按一定周期有规则地排列的晶体的骨架称为晶格。晶格可作为X射线的衍 按一定周期有规则地排列的晶体的骨架称为晶格。晶格可作为 射线的衍 射光栅，最简单的晶格式立方体结构，边长a为晶格常数 为晶格常数。 射光栅，最简单的晶格式立方体结构，边长 为晶格常数。 晶格的结点可看成分布在互相平行，距离相等的平面平面族上。 ②晶格的结点可看成分布在互相平行，距离相等的平面平面族上。每一组 这样的平面族称为一组晶面。以晶面与xyz三坐标轴截距的倒数比乘以其 这样的平面族称为一组晶面。以晶面与 三坐标轴截距的倒数比乘以其 分母的最小公倍数得密勒指数hkl， 分母的最小公倍数得密勒指数 ，晶面间距
数据处理
测微波波长： 测微波波长：
极大值位 置(mm)
l1
l2
l3
l4
l5
波长λ 波长λ
1 2 3 平均
布喇格衍射 晶面 100 110 120 θ左 θ右 θ平均 2dsinθ n E
六、注意事项
在接通微波信号发生器电源之前，必须 在接通微波信号发生器电源之前， 先将衰减器调整到中值5附近， 先将衰减器调整到中值5附近，其它仪器 状态不要随意调节。 状态不要随意调节。 在实验过程中，由于晶格的不对称， 在实验过程中，由于晶格的不对称，造 成数据(掠射角)的的左右不一致。 成数据(掠射角)的的左右不一致。为了 减小实验误差， 减小实验误差，采用左右平均方法可得 到较好的结果。 到较好的结果。
d hkl = a h2 + k 2 + l 2 , d100 = a, d110 = a 2 , d120 = a 5
波长为λ的单色 射线以掠射角 入射， 波长为 的单色X射线以掠射角 入射，按 的单色 射线以掠射角θ入射 掠射角的反射角方向进行观察， 与 的光 掠射角的反射角方向进行观察，C与D的光 程差δ=2dsinθ，当δ＝nλ时产生干涉极大值， 时产生干涉极大值， 程差 ， ＝ 时产生干涉极大值 这就是布喇格定律 ③本实验采用模拟晶格和微波来观察和研 究布喇格衍射。 究布喇格衍射。
微波的传输 微波的传输线有同轴传输线， 微波的传输线有同轴传输线，微带线和金属 波导管等。用得最多的是矩形波导管。 波导管等。用得最多的是矩形波导管。 谐振腔 谐振腔是一个封闭的金属导体空腔， 谐振腔是一个封闭的金属导体空腔，通过其与 波导的公共壁上的小孔实现与波导的耦合。 波导的公共壁上的小孔实现与波导的耦合。它可有效地 防止电磁波辐射，使电磁场局限在空腔内部。 防止电磁波辐射，使电磁场局限在空腔内部。 微波的接受 微波接受装置如图。 微波接受装置如图。接受喇叭收到信号后先经衰减器再经检波二极 管后接到微安表上。 管后接到微安表上。
五、实验内容与步骤
1.测定微波波长 1.测定微波波长 ①先将活动臂与固定臂调成直线状态，调整喇叭； 先将活动臂与固定臂调成直线状态，调整喇叭； ②搭麦克尔逊干涉线路； 搭麦克尔逊干涉线路； ③调节衰减器，然后调节短路活塞，使微安表指针 调节衰减器，然后调节短路活塞， 达到极大值； 达到极大值； ④转动读数机构手轮，测第一个极大值；测出第n 转动读数机构手轮，测第一个极大值；测出第n 个极大值，记录读数； 个极大值，记录读数； ⑤计算波长，求不确定度。 计算波长，求不确定度。
七、思考题
1、ESR的基本原理是怎样的？ ESR的基本原理是怎样的？ 2、样品应位于什么位置？为什么？ 3、扫场电压的作用是什么？ 3、在微波段ESR实验中，应怎样调节微波系统 、在微波段ESR实验中，应怎样调节微波系统 才能搜索到共振信号? 才能搜索到共振信号?为什么？