顺磁共振
电子自旋共振
电子自旋共振电子自旋共振（ESR ）也称为电子顺磁共振（EPR ）。
由于这种磁共振现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，所以称电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献，所以又称为电子自旋共振。
电子自旋的概念是著名物理学家泡利（Wolfgang Pauli 1900——1958）1924年研究反常塞曼效应时首先提出的，他通过计算发现，满壳层的原子实际应具有零角度的动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起的，而与原子核无关，显然价电子的量子论性质具有“二重性”，接着他提出了著名的泡利不相容原理。
1945年泡利因发现泡利不相容原理而获诺贝尔奖。
由于电子自旋磁矩远大于核磁矩，所以电子自旋共振的灵敏度要比核磁共振高得多。
在微波和射频范围内都能观测到电子自旋共振现象。
电子自旋共振的主要研究对象是化学上的自由基、过度金属离子和稀土元素离子及其化合物、固体中的杂质和缺陷等。
通过对电子自旋共振谱图的分析可以得到材料微观结构的许多信息。
在化学、医学和生物学方面也有较多应用。
实验目的1． 在弱磁场（1mT 量级）下观测电子自旋共振现象。
测量DPPH 样品的g 因子和共振线宽。
2． 了解电子自旋共振等磁共振实验装置的基本原理和测量方法，熟悉磁共振技术。
实验原理1． 电子的自旋磁矩电子的轨道运动磁矩为l e l P m e v v2−=μ （1） 其中e 为电子电量，m e 电子质量，为电子轨道的角动量l P h )1(+=l l P l其中为角量子数，为约化普朗克常量。
因此，电子的轨道磁矩为l hB el l l m e l l μμ)1(2)1(+=+=h 其中μB 称为玻尔磁子 2241027.92m A m e eB ⋅×==−h μ 电子的自旋磁矩为 s e s P m e v v2−=μ （2） h )1(+=s s P sB es s s m e s s μμ)1(2)1(+=+=h 其中s 为自旋量子数，自由电子的s = 1/2；P s 为自旋角动量。
电子自旋共振(ESR)
Aliyoshi
直到 1975 年，Ikeya （中文译为：池谷元伺）
在Nature上发表了对日
本 Aliyoshi 洞（秋芳 洞）次生碳酸盐进行的 ESR 测年结果，这是 ESR 测年的首次应用成 功范例，也是首次被用 于地球科学。
随后，这种方法才逐步地应用于地质学、地貌学以及考 古学等各个领域中不同材料的年代测定。在80年代取得 了迅速的发展。
ESE测年基本原理 ——以石英为例
为什么ESR能适用于前面提到的各种材料？
四种不同的“零化”过程：
ESE测年基本原理 ——以石英为例
（1）附加剂量法
采用60Co γ 放射源，对处理好 的样品进行不同附加剂量的辐照 （不用晒退）。用 ESR 谱仪测 量未辐照和辐照后的样品，然后 以辐照剂量为横坐标，以 ESR 信号强度为纵坐标作图，获得剂 量响应曲线。
空穴的形成：类质同象体中离子的置换或晶体生长、相变 和形变过程中由于外界压力、温度及介质成分等外界因素 的影响形成的氧空穴( 空位) 等点缺陷或位错缺陷。
杂质的出现：石英中主要是由于Al3+或Li+、Na+、K+等代 替Si4+进入晶格引起的。。因为Si4+ 的离子半径不大 ( 0. 042 nm) 并且离子化合价较高, 目前为止只发现了Al3+ ( 0. 051 nm) 、Ga3+ ( 0. 062 nm) 、Fe3+ ( 0. 064 nm ) 、Ge4+ ( 0. 053 nm ) 、Ti4+( 0. 064 nm) 和P5+ ( 0. 035 nm) 等离子与 Si4+ 离子发生类质同象替换。其中有些是异价类质同象, 为了保持晶格中电价平衡, 其它的离子如H+ , Li+ , Na+ , K+ , Cu+ 和Ag + 同时进入到石英晶格间成为间隙离子
电子顺磁共振实验讲义
近代物理实验讲义电子顺磁共振南京理工大学物理实验中心2009.1.20电子顺磁共振实验电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)又称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)。
由于这种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电子自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。
1924 年，泡利（ Pauli）首先提出了电子自旋的概念。
1944 年，前苏联的柴伏依斯基首次观察到了电子顺磁共振现象。
1954 年开始，电子自旋共振逐渐发展成为一项新技术。
电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。
通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛的应用。
一 . 实验目的1．了解电子顺磁共振的原理。
2．掌握 FD-TX-ESR-II 型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。
3．利用电子顺磁共振谱仪测量DPPH 的 g 因子。
二 . 实验原理A、测量原理原子的磁性来源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。
原子的总磁矩μJ与总角动量 P J之间满足如下关系：g B P J P J(1)J式中μB 为玻尔磁子，为约化普朗克常量。
由上式可知，回磁比g B(2)其中 g 为朗德因子。
对于原子序数较小（满足L－S 耦合）的原子的朗德因子可用下式计算，J(J 1) S(S1) L(L 1)g 1(3)2J(J1)由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L=0，J=S），则 g=2。
微波电子自旋共振
微波段电子自旋共振实验仪一、概述电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。
它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。
这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。
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。
ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。
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。
由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪是用来完成微波段电子自旋共振实验教学的近代物理实验仪器，它主要用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。
该仪器测量准确、稳定可靠、实验内容丰富，可以用于物理高年级学生专业实验以及近代物理实验。
二、仪器简介FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪主要由三部分组成：磁铁系统、微波系统、实验主机系统，如图1所示，另外实验时必须配有双踪示波器（选购件）。
图1 FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪三、技术指标1．短路活塞调节范围 0－65mm2．样品管外径 4.8mm3．微波频率计测量范围 8.2GHz-12.4GHz 分辨率 0.005GHz4．数字式高斯计测量范围 0－2T 分辨率 0.0001T5．波导规格：BJ-100(波导内尺寸：22.86mm×10.16mm)四、实验项目1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。
电子顺磁共振
超精细结构来源于磁性原子核与电子的自旋磁矩交互作用。具体来说，当核子为非磁性核时，将会观测到一 个单一的共振吸收谱线，当核子为磁性核时，将会观测到多个线宽较窄的吸收谱线，它们被称为波谱的超精细结 构。
自旋标记法
由美国的 H·M·麦康奈尔于1965年创立，系指将一种稳定的自由基（最常用者为氮氧自由基）结合到单个 分子或处于较复杂系统内的分子上的特定部位，而从电子顺磁共振波谱取得有关标记物环境的信息。在进行自旋 标记时，应注意到尽量保持专一性和减少对天然系统的生物特性和分子特性引起的扰动。
电子顺磁共振
由不配对电子的磁矩发源的磁共振技术
01 历史进程
目录
02 基本原理
03 常用微波频率
04 组成部分
05 主要特性
06 自旋标记法
电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术， 可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而 言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电 子自旋共振”（ESR）。
自旋标记物有4个优点：①对溶剂的极性敏感，因此得以探究标记物周围环境的疏水性或亲水性；②对分子转 动速率极为敏感，因此能计测标记物的环境内所容许的活动程度，特别是计测由某种生化过程引起生物分子构象 的改变；③EPR波谱较简单，易于分析，由14N引起的三峰波谱能提供许多有价值的信息；④不存在来自抗磁性环 境的干扰信号。
电子顺磁共振实验
电子顺磁共振实验实验目的了解微波传输特点、电子顺磁共振实验的实践意义，掌握电子顺磁共振仪的调试方法，观察电子顺磁共振信号。
实验仪器电子顺磁共振仪、示波器 实验原理（1）电子顺磁共振。
电子因绕原子核作轨道运动及自旋运动具有轨道磁矩和自旋磁矩。
具有磁矩的电子在稳恒的外加磁场中具有分立的磁位能。
000B mg B B E B Z μμμ-=-=⋅-=相邻能级间隔为0B g B μ。
当在垂直于恒定外磁场方向加一交变电磁场，其频率为0B g hv B μ=时，具有未成对自旋磁矩的顺磁物质将会出现低能级的电子吸收外加的电磁波跃迁到相邻的高能级的共振吸收现象，此现象即电子顺磁共振。
(详见教材P181~184)（2）仪器原理系统的基本构成如图1。
由微波传输部件把X 波段体效应二极管信号源的微波功率馈给谐振腔内的样品，样品处于恒定磁场中，磁铁由50Hz 交流电对磁场提供扫描，当满足共振条件时输出共振信号，信号由示波器直接检测。
各个微波部件的原理、性能及使用方法如下：图 11、谐振腔：谐振腔由矩形波导组成，A 为谐振腔耦合膜片，B 为可变短路调节器也为短路膜片。
谐振腔的工作原理如下：入射透射图 3设A 膜片反射系数为T ，透射为r ，当处于无损状态时：T r 221+=；B 反射系数为1，样品及传输的损耗为η。
输入幅度为I ，经过膜片反射后初次反射为-IT ，因为反射相位与入射相反，所以为 采用负号；经过A 膜片透射强度Ir ，经过一次反射后达到A 膜片这时电磁场为Ir ⋅ηe i kx 2，经A 膜片部分反射部分透射，反射为Ir e T ikx ⋅⋅-η2，透射为Ir e kx 22⋅η同理得出多次反射后反射强度为：Ir e T e i kx kx n⋅--ηη22() （1） 透射为：Ir e T e kx kx n222ηη() （2）真实反射等于初反射和多次透射的叠加如图（5）。
得：-++--=∑IT Ir eIr e T e ikxikx ikx nn 22222110ηηη() （3）=-++⋅-=-+⋅-----IT Ir eIr eT e T e IT Ir eT e ikxikxi kxikxikx ikx22222222211ηηηηηη （4）当谐振时：eikx-=21得：反射强度为：I I T r T out=⋅-+-()21ηη （5）因为共振信号表现为η的变化，所以我们将（5 ）式对η求导得：I I I r T T r T T I T T s out =⋅=--+-=⋅--()()()()()ηηηηηη∆η∆η∆η∆η22222211111 （6）增益K I T T =⋅--1122()η （7） 对T 求最大值得 T =η （8）增益最大值K Q =--=-=11112222ηηη() （9）此时反射强度I I out=-+--=(())ηηηηη1102 （10）Q 为品质因素（Q =-112()η）。
电子顺磁共振波谱总结ESR
E5= E-1/2,0 = <-1/2,0│gHŜz + AŜzÎz│-1/2,0> = -(1/2)gH
E6 = E-1/2,1 = <-1/2,1│gHŜz + AŜzÎz│-1/2,1> = -(1/2)gH - (1/2)A
│ms, MI1 MI2……MIn > 可以求出Ei，∆E = h ，
有N条谱线，N = 2nI+1
EPR—共振波谱
1、一组等性核 若有n个I = 1/2 的等性核与未成对电子相互作用， 则产生n+1条等间距的谱线，其强度正比于(1 + x)n 的二项式展开系数。
EPR—共振波谱
n
(1 + x)n 展开系数
EPR—共振波谱
EPR—共振波谱
Ĥ = g HŜz + AŜzÎz - gN NHÎz
顺磁项 超精细项
电子Zeeman项
核磁项
核的Zeeman项
0
∵ N << ∴ 核磁项可以忽略不计。
EPR—共振波谱
因此，体系的哈密顿算符可以简化成：
Ĥ = g HŜz + AŜzÎz
能级分裂为：
Ems mI = < ms，mI│Ĥ│ms，mI >
E2 = E1/2,-1/2 = <1/2,-1/2│gHŜz + AŜzÎz│1/2,-1/2> = (1/2)gH - (1/4)A
E3 = E-1/2,-1/2 = <-1/2,-1/2│gHŜz + AŜzÎz│-1/2,-1/2> = - (1/2)gH + (1/4)A
《电子顺磁共振》课件
水质监测
通过电子顺磁共振技术可以检测 水体中的重金属离子、有机污染 物等有害物质，为水质监测和治 理提供技术支持。
土壤污染修复
电子顺磁共振技术可以用于土壤 污染修复过程中的自由基监测， 有助于了解土壤污染的修复机制 和效果评估。
05
电子顺磁共振的未来发展与 挑战
技术创新与突破
检测方法的改进
01
提高检测灵敏度、分辨率和稳定性，实现更快速、准确和自动
样品固定
采用适当的固定方法将样 品固定在实验装置中，以 便进行实验操作。
实验操的电子顺磁共振实验装 置。
参数设置
根据实验样品的特点，设置合适的实验参数，如 磁场强度、微波频率等。
实验操作
按照实验步骤进行操作，记录实验数据。
数据处理与分析
数据整理
整理实验获得的数据，确保数据的准确性和完整性。
通过电子顺磁共振技术可以研究催化剂的活性中心和反应过程中电 子结构的改变，有助于优化催化剂的性能。
化学键断裂与形成
电子顺磁共振可以检测化学键的断裂和形成过程中自由基的变化， 有助于理解化学键的本质和化学反应的动力学过程。
在生物学研究中的应用
自由基生物学
电子顺磁共振技术可以用于研究自由基生物学，探索自由 基在生物体内的生成、代谢和作用机制，以及自由基对生 物体的影响。
现状
目前，EPR已经成为一种重要的物理表征手段，广泛应用于 各个学科领域。
应用领域
物理
EPR在物理领域中主要用于研究物质 的电子结构和磁性性质，如铁电体、 超导体等。
生物学
EPR在医学领域中用于研究生物组织 的结构和功能，如肿瘤、心血管疾病 等。
化学
EPR在化学领域中用于研究分子的电 子结构和反应机理，如自由基反应、 化学键断裂等。
电子顺磁共振波谱解析
Lorentz 线型
Y
a 1 bX
2
Gauss 线型 Y aebX 2
1.3.6 g 因子 3400
（1）g因子的概念
但：
9500 2.0023
另外：对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即 表现为各向异性，从而使 g 因子也是各向异性，则 g 因 子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。g 因子 的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。
磁矩与磁场相互作用能：
E ˆ Hˆ H cos z H
1.3.3 电子自旋磁矩
❖ 电子自旋磁矩与自旋角动量的关系：
ge 2.0023
e 波尔磁子
2mc
z gM S
其中：M S
1 2
❖ 电子自旋磁矩在外磁场中的能量：
E z H (gM S )H
能级差： E gH
1.3.4 共振条件
第二个氮核进一步发生分裂，
由于作用的强弱与第一个氮核相相同，
所以有部分能级发生重合。
最终产生 5 条谱线，强度比例为： 1：2：3：2：1
如含有：n1 个核自旋为 I1， n2 个核自旋为 I2， ： nk 个核自旋为 Ik。
则产生最多(2n1*I1+1) (2n2*I2+1)…(2nk*Ik+1) 条谱线
❖ 久期增宽(Secular Broadening)
Hr H H'
影响H‘的因素：
自旋--自旋相互作用
1. 动态因素 热起伏
2. 空间因素
两个顺磁粒子间的相互作用
~
1 r3
(1
3 c os2
)
增大 r的方法：固体 同晶形 逆磁性 ZnSO4 顺磁性 CuSO4
电子顺磁共振分析技术课件
应用拓展
生物医学领域：用于研究蛋白质 结构、功能及相互作用
材料科学领域：用于研究材料性 质、结构及性能
环境科学领域：用于研究污染物、 环境污染物及环境污染治理
食品科学领域：用于研究食品成 分、食品安全及食品质量控制
技术挑战
提高灵敏度：提高检测限， 降低背景噪声
提高数据处理能力：提高 数据处理速度和准确性
生物医学应用
01
生物组织成像： 电子顺磁共振 成像技术可以 清晰地显示生 物组织的结构 和功能
02
生物分子结构 分析：电子顺 磁共振技术可 以分析生物分 子的结构和功 能
03
生物医学研究： 电子顺磁共振 技术可以用于 研究生物医学 现象和疾病机 理
04
生物医学诊断： 电子顺磁共振 技术可以用于 诊断生物医学 疾病和评估治 疗效果
提高便携性：实现小型化 和便携化，便于现场应用
提高分辨率：提高空间分 辨率和时间分辨率
降低成本：降低设备成本 和运行成本
电子顺磁共振分析技 术学习资源
教材推荐
01 《电子顺磁共振分析技术》， 作者：李明，出版社：科学 出版社
02 《电子顺磁共振分析技术原 理与应用》，作者：王强， 出版社：电子工业出版社
环境监测
01
电子顺磁共振 分析技术在环 境监测中的应
用
04
电子顺磁共振 分析技术在大 气污染监测中
的应用
02
电子顺磁共振 分析技术在土 壤污染监测中
的应用
05
电子顺磁共振 分析技术在噪 声污染监测中
的应用
03
电子顺磁共振 分析技术在水 污染监测中的
应用
06
电子顺磁共振 分析技术在辐 射污染监测中
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顺磁共振
电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR ）或称电子自旋共振（Electron Spin Resonance 简称ESR ）是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用的非常重要的现代分析方法，它具有很高的灵敏度和分辨率，并且具有在测量过程中不破坏样品结构的优点。
自从1944年物理学家扎伏伊斯基（Zavoisky ）发现电子顺磁共振现象至今已有五十多年的历史，在半个多世纪中，EPR 理论、实验技术、仪器结构性能等方面都有了很大的发展，尤其是电子计算机技术和固体器件的使用，使EPR 谱仪的灵敏度、分辨率均有了数量级的提高，从而进一步拓展了EPR 的研究和应用范围。
这一现代分析方法在物理学、化学、生物学、医学、生命科学、材料学、地矿学和年代学等领域内获得了越来越广泛的应用。
本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用射频或微波频段检测电子自旋共振信号的检测方法，并测定DPPH 中电子的g 因子和共振线宽。
一 实验原理
原子的磁性来源于原子磁矩。
由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中个电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。
在本单元的基础知识中已经谈到，原子的总磁矩μJ 与P J 总角动量之间满足如下关系：
J J B
J P P g γμμ=-= （1－6－1） 式中μB 为波尔磁子，ћ为约化普朗克常量。
由上式可知，回磁比
B
g μγ-= （1－6－2） 按照量子理论，电子的L －S 耦合结果，朗得因子
)
1(2)1()1()1(1++-++++=J J L L S S J J g （1－6－3） 由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L ＝0，J ＝S ），则g ＝2。
反之，若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献（S=0，J=1），则g ＝1。
若自旋和轨道磁矩两者都有贡献，则g 的值介乎1与2之间。
因此，精确测定g 的值便可判断电子运动的影响，从而有助于了解原子的结构。
将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B 0中，则原子磁矩与外磁场相互作
用能为
000B mg B m B E B J μγμ-=-=⋅-=
（1－6－4） 那么，相邻磁能级之间的能量差
0B E γ=∆ （1－6－5）
如果垂直于外磁场B 0的方向上加一振幅值很小的交变磁场2B 1cos ωt ，当交变
磁场的角频率ωt 满足共振条件
0B E γω=∆=
（1－6－6）
时，则原子在相邻磁能级之间发生共振越迁，这种现象称为电子自旋共振，又叫顺磁共振。
在顺磁物质中，由于电子受到原子外部电荷的作用，使电子轨道平面发生旋进，电子的轨道角动量量子数L的平均值为0。
当作一级近似时，可以认为电子轨道角动量近似为零，因而顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。
本实验的样品为DPPH（Di-Phehcryl Picryl Hydrazal），化学名称是二苯基
苦酸基联氨，其分子结构式为(C
6H
5
)
2
N-NC
6
H
2
·(NO
2
)
3
，如图1－6－1所示，它的第
二个氮原子上存在一个未成对电子，构成有机自由基，实验观测的就是这类电子的磁共振现象。
图 1－6－1 DPPH结构图
实际上样品是一个含有大量不成对的电子自旋所组成的系统，他们在磁场中只分裂为两个赛曼能级。
在热平衡时，分布于各赛曼能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布，即低能级上的粒子数总比高能级的多一些。
因此，即使粒子数因感应辐射由高能级越迁到低能级的概率和粒子因感应吸收由低能级越迁到高能级的概率相等，但由于低能级的粒子数比高能级的多，也是感应吸收占优势，从而观测不到共振现象，即所谓的饱和。
但实际上共振现象仍可继续发生，这是驰豫过程在起作用，驰豫过程使整个系统有恢复到玻尔兹曼分布的趋势。
两种作用的综合效应，使自旋系统达到动态平衡，电子自旋共振现象就能维持下去。
电子自旋共振也有两种驰豫过程。
一是电子自旋与晶格交换能量，使得处在高能级的粒子把一部分能量传给晶格，从而返回低能级，这种作用称为自旋－晶格驰豫。
自旋－晶格驰豫时间用T
1
表征。
二是自旋粒子相互之间交换能量，使他们的旋进相位趋于随机分布，这种作用称自旋－自旋驰豫。
自旋－自旋驰豫时
间用T
2表征。
这个效应使共振谱线展宽，T
2
与谱线的半高宽∆ω有如下关系2
2
T
≈
∆ω（1－6－7）
故测定线宽后便可估算T
2
的大小。
观察ESR所用的交变磁场的频率由恒定磁场B
的大小决定，因此可在射频段或微波段进行ESR实验。
下面分别对射频段和微波段ESR的实验装置和实验内容做介绍，读者可根据本实验室的仪器设备情况选读两者之一。
二实验配置
微波ESR谱仪由产生恒定磁场的电磁铁及电源，产生交变磁场的微波源和微波电路，带有待测样品的谐振腔以及ESR信号的检测和显示系统等组成，图1－6－4是该谱仪的方框图。
下面对微波源、魔T、可调矩形谐振腔和单螺调配器等做简单介绍，其他微波器件请参看微波实验的有关部分。
图1－6－4 微波段ESR谱仪方框图
（一）微波源
微波源可采用反射速调管微波源（图中左边虚线连接的虚线框图所示）或固体微波源。
考虑到目前实验室所用的反射速调管微波源输出的微波频率不够稳定，当其输入到Q值很高的谐振腔时，将会使谐振腔内的振动模式紊乱，即出现失谐。
为了克服这一现象，通常采用正弦波（在ESR实验中，一般用200kHz）对微波进行调制的办法，使其成为调谐微波，只要谐振腔的固有频率ƒ0被包含在调频微波的范围内，就可以克服由于微波频率不稳定而产生矢谐的现象。
图中虚线连接的框图中50Hz正弦调制信号是为了在调节微波电路时能借助示波器进行观察而设置的。
而固体微波具有寿命长、价格低以及直流电源结构简单的优点，同时能输出频率较稳定的微波。
当用其作微波源时，ESR的实验装置比采用速调管
时的实验装置更为简单，因此固体微波源目前较常用。
图1－6－5 可调矩形谐振腔示意图
（二）可调的矩形谐振腔
可调的矩形谐振腔结构如图1－6－5所示，它既为样品提供线偏振磁场，同
时又将样品吸收偏振磁场能量的信息传递出去。
谐振腔的末端是可移动的活塞，
调节其位置，可以改变谐振腔的长度，腔长可以从带游标的刻度连杆读出。
为了
保证样品处于微波磁场最强处，在谐振腔宽边正中央开了一条窄槽，通过机械传
动装置可以使样品处于谐振腔中的任何位置。
样品在谐振腔中的位置可以从窄边
上的刻度直接读出。
该图还画出了矩形谐振腔谐振时微波磁力线的分布意图。
图1－6－6 魔T结构图
（三）魔T
魔T的作用是分离信号，并使微波系统组成微波桥路，其结构如图1－6－6所示。
按照其接头的工作特性，分微波从任一臂输入时，都进入相邻两臂，而不进入相对臂。
（四）单螺调配器
单螺调配器是在波导宽边上开窄槽，槽中插入一个深度和位置都可以调节的金属探针，当改变探针穿伸到波导内的深度和位置时，可以改变此臂反射波的幅值和相位。
该元件的结构示意图如图1－6－7所示。
图1－6－7 单螺调配器示意图
三实验内容和步骤
（一）按图1－6－4检查实验装置并连接好线路，了解和熟悉仪器的使用和调节。
当采用不同的微波源时，其实验装置略有不同。
（二）按实验室说明书要求开启各部分仪器电源并使其进入工作状态。
（三）调整微波桥路，测出微波频率，使谐振腔处于谐腔状态，试将样品置于恒定磁场均匀处和交变磁场最强处。
关于微波系统的调节须注意以下几点：
1、采用速调管微波源时，为了便于观察，先用50Hz正弦波对微波源进行调制，同时让晶体检波器的输出直接接示波器。
在做波桥路、谐振腔及样品位置调好以后，再改换200kHz正弦电压对微波进行调制，并将晶体检波器的输出经高放、检波和低放，然后送入示波器。
2、采用固体微波源时，首先调节晶体检波器，使其输出最灵敏，并由波导波长λg 的计算值大体确定谐振腔长度及样品所在位置，然后微调谐振腔的长度使谐振腔处于谐振状态（由示波器显示的电平信号判断），再调魔T第4臂的单螺调配器使桥路平衡，这时示波器显示的电平信号最小。
如此反复调节几次，便可调节到最佳的工作状态。
（四）加上适当的扫场。
（五）缓慢地改变电磁铁的励磁电流，搜索ESR信号。
当磁场满足共振条件时，在示波器上便可看到ESR信号。
（六）由于样品在共振时影响腔内的电磁场分布，腔的固有频率略有变化，因此
在寻找到ESR信号以后，应细调谐振腔长度、样品位置以及单螺调配器等有关部件，使ESR信号幅值最大和形状对称。
（七）用特斯拉计测量共振磁场B0的大小。
（八）由公式求出g因子。
（九）如有时间，读者可改变样品位置，再次进行ESR实验，探讨实验中有关问题。
*（十）进一步实验：同学们如有兴趣，还可征得教师同意，自己设法完成铁磁共振实验（可参考附录及有关资料），进一步培养实验工作能力。
思考题：
1、ESR的基本原理是怎样的？
2、在射频段ESR实验中，为什么必须消除地磁场的影响？如何消除？
3、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?为什么？。