铁磁共振 PPT课件
PB06007126_铁磁共振_200869204138
铁磁共振90姓名：史良文 学号：PB06007126实验名称：铁磁共振实验目的：本实验要求学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象，测量YIG 小球（多晶）的共振线宽和g 因子。
实验原理：原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。
总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为B Mg E B μ=∆ （1） 其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子。
M 可取-I 到+I 之间的值，对于本实验，I 为12。
原来的能级E 分裂为二条：12B E g B μ+、12B E g B μ-。
当外加能量等于11()()22B B B E g B E g B g B μμμ+--=时，能量被吸收。
当微波频率0ω满足0B g B B ωμγ==h h （2），即0B ωγ=时，微波被吸收，频率为其他值时不能被吸收。
实验装置如下：实验中通过改变电磁铁的砺磁电流I 来改变磁声场B 。
输出功率与B 的变化曲线如右：实验时，直接测量的不是功率，而是检波电流I ，为此，必须控制输入功率的大小，使之在测量范围内，微波检波二极管遵从平方律关系，则I 与入射到检波器的微波功率P out 成正比，则rrI I I I I +=002/12 （3）因此，只要测出I-B 曲线，即可算得B ∆和B 。
实验内容：1． 熟悉各微波元件，按图2.3.2-3把各元件安装成一完整的实验系统。
2． 用波长表测微波频率ν。
（具体步骤略，波长表见附） 3． 测出砺磁电流I 与输出电流out I 的曲线。
4．用示波器观察I —out I 的李沙育图形。
实验结果：1．微波频率的测量：由表，8849884988498859884788488848.56f MHz MHz +++++==2．砺磁电流I 与输出电流out I 的曲线。
由磁场B 与输出电流out I 的曲线（上升）图形，01/202220.2067.6131.1120.2067.61r r I I I A A I I μμ⨯⨯===++，相应的10.28988B T =、20.31512B T =，21(0.315120.28988)0.02524B B B T T ∆=-=-=；共振时的磁场00.30180B T =，于是5110228848.5 1.8422100.30180f MHz T MHz BB Tωππγ--⨯====⨯；51122411.842210 6.582102.090.578810B T MHz MeV sg eV Tγμ-----⨯⨯⨯⋅===⨯⋅h 由磁场B 与输出电流out I 的曲线（下降）图形，01/202219.8067.7530.6419.8067.75r r I I I A A I I μμ⨯⨯===++，相应的10.29381B T =、20.31952B T =，21(0.319520.29381)0.02571B B B T T∆=-=-=；共振时的磁场00.30600B T =，于是510228848.5 1.8169100.30600f MHzT MHz B B Tωππγ-⨯====⨯；51122411.816910 6.582102.070.578810BT MHz MeV sgeV Tγμ-----⨯⨯⨯⋅===⨯⋅h砺磁电流I与输出电流outI的曲线（上升）砺磁电流I与输出电流outI的曲线（下降）I的曲线（上升）磁场B与输出电流outI的曲线（下降）磁场B与输出电流outI的李沙育图形（近抛物线，实图见原始数据）3．I—out思考题？为什么？1．能否从实测结果曲线（图2.3.2-5）中，取曲线高度一半处对应的磁场差作为B答：不能。
铁磁共振 (13)
铁磁共振系别:6系姓名: 陈正学号: PB05210465 实验目的：本实验的目的在于学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象，测量YIG小球（多晶）的共振线宽和g因子。
实验原理：铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。
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）ΔE = γhB为稳恒外磁场。
其中：γ为旋磁比，h为约化普朗可常数，B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hν（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：hν = γh B（3）（4）2πν = γ B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。
铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振，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大的多，因此我们用微波（约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，其提供的能量hν也是固定的。
为使铁原子中电子能级间的能量差能等于该值，我们改变直流磁场的电压值，使外磁场磁感应强度B变化，因而使电子能级间的能量差γhB随之改变，使其扫过微波能量值hν，使等式hν = γhBr成立，产生铁磁共振。
Br为谐振点处的磁感应强度值。
实验内容:1．熟悉各微波元件，并按照书上图把各元件安装成一完整的实验系统。
2．调节微波发生器，使谐振腔与发生器输出微波信号调谐，利用仪器的波长表测出谐振频率f。
3．用非逐点调谐测出检波电流I随d的变化曲线，然后根据B-d曲线作I-B 曲线，计算g因子。
实验注意事项：实验时应注意：1，保持谐振腔的输入微波功率和发生器输出信号频率不变；2，在记录示波器上的数据点时应该快速；3，实验时应保证样品在谐振腔微波磁场的最大处。
NMR(核磁共振)PPT课件
式中：ω— 角速度；v — 进动频率（回旋频率）；
γ— 旋磁比（特征性常数）
.
15
由Larmor方程表明，自旋核的进动频率与外加磁场 强度成正比。当外加磁场强度B0 增加时，核的回旋角 速度增大，其回旋频率也增加。对1H核来说，当磁场 强度B0为1.4092T(1T=104)高斯时，所产生的回旋频 率v为60兆赫（γ =26. 753×107 rad·T−1·s−1）；B0 为2.3487T高斯时，所产生的回旋频率v为100兆赫。
.
22
（2）自旋—自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋— 自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转
移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃
迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全 体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表 示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固 定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液 体样品，T2约1s。
.
4
p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
p h I（I1）
2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.4T，这相 应于氢核的共振频率为100MHz。对于200MHz以上高频谱仪 采用超导磁体。由含铌合金丝缠绕的超导线圈完全浸泡在液氦 中间，对超导线圈缓慢地通入电流，当超导线圈中的电流达到 额定值（即产生额定的磁场强度时），使线圈的两接头闭合， 只要液氦始终浸泡线圈，含铌合金在此温度下的超导性则使电 流一直维持下去。使用超导磁体，可获得10~17.5T的磁场， 其相应的氢核共振频率为400~750 MHz。
PB06007134_铁磁共振_2008614162541
PB06007134 胡天祺84铁磁共振实验的目：观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验基本原理和方法，测量H 1和F 19的γ值和g 因子。
实验原理：铁磁共振一般是在微波频率下进行（波长为3cm 左右）。
将铁磁物质置于微波磁场中，它的微波磁感应轻度B m 可表示为B 0μ=m μ⋅ij H m （1） μ0为真空中的磁导率，μij 称为张量磁导率。
μij =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-1000μμjk jk（2） μ、k 称为张量磁导率的元素'''μμμj -= （3）'''jk k k -= （4）当外加稳恒磁场B 时，μ、k 的实部和虚部随B 的变化曲线如图2.3.2-1。
μ’、k ’在γω/0=r B 处数值和符号都剧烈变化，称为色散。
μ’’、k ’’在γω/0=r B 处达到极大值，称为共振吸收，此现象即为铁磁共振。
这里ω0为微波磁场的角频率，γ为铁磁物质的旋磁比。
μ’’决定铁磁物质磁能的损耗，当γω/00==B B 时，磁损耗最大，常用共振吸收线宽B ∆来描述铁磁物质的磁损耗大小。
B ∆的定义如图2.3.2-2，它是μ’’/2处对应的磁场间隔，即半高宽度，它是磁性材料性能的一个重要参数。
研究它，对于研究铁磁共振的机理和磁性材料的性能有重要意义。
铁磁共振的宏观唯象理论的解释是，认为铁磁性物质总磁矩M 在稳恒磁场B 的作用下，绕B 进行，进动角频率B γω=，由于内部存在阻尼作用，M 的进动角会逐渐减小，逐渐趋于平衡方向，即B 的方向而被磁化。
当进动频率等于外加微波磁场H m 的角频率ω0时，M 吸收微波磁场能量，用以克服阻尼并维持进动，此时即发生铁磁共振。
铁磁物质在γω/0=r B 处呈现共振吸收，只适合于球状样品和磁晶各向异性较小的样品。
本实验用传输式谐振腔测量直径约1mm 的多晶铁氧体小球μ’’与B 的关系曲线，计算B ∆和g 因子。
第三章 磁共振物理 PPT
二、磁共振的宏观表现
处在静磁场B0中的样品，其磁化强度矢量M和静磁场矢量B0在同一方向上，而静磁场强度很大，样品磁化强度矢量又很小，它的测量 也就很困难。 在射频电磁波的作用下，样品发生磁共振吸收后，磁化强度矢量会偏离静磁场B0方向（z方向）。检查变得可能。
1、RF波的磁矢量-旋转磁场 假波定的频RF率波和的磁磁性矢核量的B1'旋施进加频在率x轴相，同其。强由度图B31-'7的所变示化，规交律变为磁B场1'B=21，B1可CO以Sω由0t两,式个中半，径ωB10的=ɣ两。个B0方,即向R相F 反的磁场合成。
u I
•L
其中，ɣ=gI/2mpc为比例系数，称为磁旋比；gI称为朗德因子，是一个取决于原子核种类的无量纲数，mp为质子的质
量。则原子的核磁矩为：
I gI
e 2mpc
II 1gIN
II 1
N
e 称为核磁子 2mpc
原子核磁矩的方向与自旋方向处在同一直线上，有时方向相同，有时方向相反。原子核的磁矩与自旋一样，在静磁
有低能级跃迁至高能级（受激吸收），也有高能级跃迁至低能级（受激辐射），统称为受激跃迁。发生的几率是相同的。
1、在热平衡状态下，低能级的氢原子核多于高能级的原子核，总吸收大于总辐射。
2、在热平衡被打破的状态下，由于存在热弛豫跃迁过程，高能状态跃迁到低能状态概率更大。
4-3 微波铁磁共振
4.3微波铁磁共振铁磁共振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，它观察的对象是铁磁介质中的未偶电子，因此它也可以说是铁磁介质中的电子自旋共振。
铁磁共振是研究物质宏观性能和微观结构的重要实验手段，利用铁磁共振现象可以测量铁磁体材料的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、设计等方面有着重要的应用价值。
早在1935年兰道（Landau ）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。
随着超高频技术的发展，1946年格里菲思（Griffiths ）在约9 GHz 和约25 GHz 微波频率下观测到金属Fe 、Co 和Ni 薄膜的铁磁共振。
1947年伯克斯（Birks ）和1948年休伊特（Hewitt ）在微波频段又先后观测到非金属γ-Fe 2O 3和（Mn ，Zn ）Fe 3O 4的铁磁共振。
自此之后，人们开始了铁磁共振技术的应用研究。
一、实验目的（加黑，不是用黑体！）（1）进一步熟悉微波传输中常用的元件及其作用。
（2）了解用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件。
（3）通过观测铁磁共振和测定有关物理量，认识铁磁共振一般特性。
二、实验原理1. 铁磁共振现象物质的磁性来源于原子磁矩，原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和核磁矩三部分。
在铁磁性物质中，核磁矩比电子磁矩小三个数量级可以忽略，同时电子轨道磁矩由于受晶场作用，方向不停变化，不能产生联合磁矩，因此其原子磁矩主要来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩。
铁磁物质由于电子自旋之间存在着强耦合作用，使其内部存在着许多自发磁化的小区域，即磁畴。
没有外磁场作用时，“磁畴”的排列呈无序状态，不显磁性，若外加磁场，铁磁物质将被磁化。
铁磁物质的磁导率在恒磁场中可以简单的实数来表示，而在稳恒磁场B 和交变磁场B' 的同时作用下时，其磁导率μ就要用复数来表示μμμ''+'=j （4.3.1） 实部μ' 为铁磁性物质在恒定磁场B 中的磁导率，它决定磁性材料中贮存的磁能，虚部μ'' 则反映交变磁能在磁性材料中的损耗。
铁磁共振
2πµ B Br h … (2)
所代表的阻尼转矩是一个微观能量转化的过程，阻尼 的大小反应共振系统能量转化为热运动能量的快慢程 度，目前对TD的具体表示式还没有位移正确的写法
2.由于磁导率µ与磁化率χ之间有如下关系：
Χ取复数形式
µ = 1 + 4πχ
（见“磁共振技术基础知识”中“稳定解的讨论”的内容） 所以µ也为复数，称为复数磁导率
1.铁磁性物质的磁化强度矢量 M 在外磁场 B 中运动状态的经典力学运动方程为：
dM = −γ ( M × B) + TD dt …(1)
式中 B = B0 + B1 ，负号表示 M 绕 B0 作右旋进动; T D
为物质内部对 M 产生的阻尼转矩, γ为旋磁比. 对1式求解,可得到MR条件:
µ B 为玻尔磁子, ω 为微波磁场的圆频率，B 称为共振磁场。T 0 r D
µ = µ '+ j µ ''
… (3)
实部µ‘为铁磁性物质在恒定磁场B0中的磁导率，它决定磁性 材料中贮存的磁能（=µ’B02）；虚部µ‘’则反应脚边磁场能在 磁性材料中的损耗。
铁氧体在恒磁场B0和微波磁场B1同时作用下， 当微波频率固定不变时，µ’随H0的变化关系类似 图1a所示的色散曲线（又叫频散曲线），µ’’随 B0变化的关系曲线类似图1b，称为吸收曲线。 Μ’、µ’’随B0变化的实验曲线如图所示。与µ’’ max 相对应的磁场为共振磁场Br，样品谐振腔的频率 （或微波频率）称为共振频率利用2式可计算出 旋磁比γ（或g因子）。
3.共振线宽：定义为µ”降到µ”max的一半 1 （ 2 µ '' = µ '' ）时，相对应的两个磁场值之差
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B 312 278 34 mT
I(A) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90
I(μ A) 53.5 53.2 53.4 53.9 54.0 54.1 54.1 54.2 54.3 54.5 54.6 54.7 54.7 54.7 54.4 54.5 54.2 54.1 54.0 54.0 53.8 53.5 53.2 52.8 52.3 52.0 51.4 50.8 50.4 50.1
为旋磁比，为约化普朗可常数， B 为 其中：
稳恒外磁场。
——经典解释续
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 h (2) 其中： 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） h B (4) 2 B 低能级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。
它能测量微波铁氧体的共振线宽、张量磁化率、
饱和磁化强度、居里点等重要参数。 该项技术在微波铁氧体器件的制造、设计等方 面有着重要的应用价值。
二、实验目的
了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振
现象；
测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；
测量微波铁氧体的g因数
注:铁磁共振研究铁原子中电子的磁共振现象
三、实验原理——概念介绍
，同时读微 I励 ( A )
I励
，根据转换表将励磁电流值 I 检 (A ) 曲线。据曲线求 I 检 -B (对应 Br
最 I检 ( A)
2 B
B g
六、实验注意事项
1.注意测量微波频率后，应将波长表的螺旋测 微器旋过一定大小使微安表回到初始大小； 2.测量 I检 B 曲线时，应注意在 I检 达到最小时 周围应多记录几个数据点。
2 P0 Pr P 1/ 2 P0 Pr
P r
B1/ 2 Br B1/ 2
B
B
而检波电流 I 检 与 成正比关系，所以用 I 检 代替 P出 即可。
P 出
Fig.2 B与P的关系曲线
四、实验仪器
Fig.3 微波铁磁共振实验原理系统图
五、实验内容和步骤-1
1. 测微波频率：
调节固体微波信号源的频率，使其与谐振腔共振。 调节衰减器，使微安表有50μA的指示。旋转波长表的 螺旋测微器，微安表电流指示逐渐减小，当电流达最 小值时，读取螺旋测微器刻度值，对照刻度值与频率
1. 磁共振：具有磁矩的物质，在恒定磁场作用下对电磁 辐射能的共振吸收现象。磁共振吸收谱在射频和微波波 段范围内，是物质的整个电磁波谱中的长波区域。
2. 铁磁共振：铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频
率的微波磁场中当满足共振条件时产生强烈吸收共振的 现象。 3. 铁氧体：铁、其他金属物质等元素与氧的化合物
磁性物体的磁化率定义为磁化强度矢量于其 内部磁场强度矢量之比。当磁性体受到恒磁场与微 波磁场共同作用时，微波磁化率为一张量。对于椭 球形样品，且恒磁场沿椭球体主轴方向时，张量磁 化率的表达式为： X iX a 0 （7） iX a X 0 0 0 0
——原理概述
在稳恒磁场 B 作用下, 绕 M 作进动,角频率为 B ,由于内部存在阻 铁磁物质总磁矩
M
M
尼作用,
进动角逐渐减小,当进动角频率等于
M
外加微波磁场角频率 0 时,
吸收其能量用以
维持进动,此时即发生铁磁共振。
——量子解释
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（塞曼分裂），分裂后两能级间的能量中心
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 八、实验数据表格
一、背景介绍
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。它利用 磁性物质从微波磁场中强烈吸收能量的现象，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。
X
与 X a 都为复数。其中
X X ' iX "
（8）
——共振线宽概念续
X " 与恒磁场 B 间有如下图所示的关系：
X"
" Xm
1 " Xm 2
B
O
B1/ 2 Br
B1/ 2
B
Fig.1 共振线宽用 B 表示
——共振线宽测量
利用传输式谐振 腔输出功率随恒定磁 P 场的变化关系来确定。 如采用非逐点协调， P1/ 2 利用右图并根据
磁共振的实现方法
为了满足共振条件，通常以两种方式实现： 固定v改变B，这种方法称为扫场法； 固定B改变v，这种方法称为扫频法。
B
2 0 / B0
B(t)=B0
B(t)
v
0 B0 / 2
v(t)=v0
v(t)
共振吸收信号
共振吸收信号
扫场法
t
扫频法
t
——各物理量关系
旋磁比、玻尔磁子、光谱分裂因子之间有如下的关 系：
B g
而玻尔磁子为
B
(5)
e 2m
(6)
铁磁共振实际上是铁原子中电子的自旋顺磁共振， 因此需用微波（约9GHZ）来提供电子跃迁所需要的能量。
（本实验中我们固定微波频率，通过改变外加恒定磁场的磁感应强 度来改变电子能级间距，观察示波器信号变化来判断共振点处的磁感 应强度）
——共振线宽概念
的关系对照表，得微波频率值。旋转波长表的螺旋测
微器，使微安表回到约50μA的指示。
-2
2. 测I—B曲线： 旋开谐振腔上的样品盒旋钮，小心放入样品。 将波导有样品的部分放入永磁铁的中心部分。逐渐
加大励磁电流，记取励磁电流值
安表的读数 半高宽 小值)，和 转换为磁感应强度值 ，作B ，谐振点磁感应强度 B 因子。 g
七、思考题
本实验是怎样测量磁损耗的？ 如何精确消除频散效应？实验中是如何处 理频散效应的？
八、实验数据表格
1.测微波频率
测量次数 刻度值（mm） 1 2.962 2 2.963 3 2.961 4 2.962
刻度平均值：2.962mm
对应频率：ν = 9006MHz
——2求共振线宽 和g因子