宽带电子顺磁共振谱仪的设计与实现

发布时间：2020-07-16 20:43

【摘要】：电子顺磁共振技术是一种直接检测和研究含有未成对电子样品的特性的波谱学方法。微波器件和电子学的不断发展和完善,不仅使现代通信方式发生了革命性的变化,也推动了电子顺磁共振谱仪硬件的发展。更高的微波频率和不断改进的降噪方案导致了各种性能优异的电子顺磁共振谱仪不断出现。但是,谱仪基本的工作原理多年来一直保持不变,传统的电子顺磁共振谱仪探头部分是使用高品质因子的谐振腔来完成的,这就意味着传统电子顺磁共振谱仪只能工作在窄频段上,对一些科学研究实验来说,就无法满足需求。在本工作中,首先分析了传统技术的局限性,论证了宽带电子顺磁共振技术的优势和必要性。针对上述需求,在现有电子顺磁共振技术的基础上,给出了一种宽带高灵敏度的电子顺磁共振谱仪设计方案。自主设计谱仪分为四个系统:微波桥系统、探头、调制场系统和电磁场系统。谱仪的微波桥系统采用宽带的微波元器件,探头以共面波导结构为基础设计,实现了 2-12 GHz内的宽带电子顺磁共振探测。本文对微波桥系统上的关键元器件进行了分析,讨论目前谱仪上存在的潜在问题,并且给出了可行的改进方案。本文介绍了自制宽带电子顺磁共振谱仪的测试过程和结果。测试结果显示,自制谱仪的工作频率范围可达2-12 GHz,达到了设计需求。给出了自制谱仪在各个频点的灵敏度,在2 GHz处,灵敏度可达4.6 ×1013 spins ·Hz-1/2·Gauss-1,在 10 GHz 处,灵敏度可达4.5 × 1012 spins · Hz-1/2· Gauss-1,在 12 GHz 处,灵敏度可达3.5 × 1012 spins · Hz-1/2·Gauss-1。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH834
【图文】：

子在外磁场中能级分裂图。爪５为电子的自旋量子数，ＡＥ代表两能级之间的图所示，一般称两个能级为塞曼能级，两个能级之间的能级差。逡逑共振条件逡逑直于外磁场５。的方向，施加特定频率的电磁波可以激发两个塞迁。如果电磁波的能量与能级之间的间距相匹配，则粒子就可能发生。这就是我们通常所讲的电子顺磁共振实验的共振ｈｖ邋＝邋ｇｅＰｅＢ邋０中ｈ为普朗克常数，其值ｈ邋＝邋６．６２６ｘｌ０＿３４厂ｓ邋，邋ｖ为电磁波兹（Ｈｚ）。逡逑两能级间的未成对电子发生受激跃迁，处于低能级中的电子自旋

ｎ蛋白在Ｘ波段、Ｃ波段、Ｓ波段的电子磁共振技术还被应用在有关自旋玻高的磁场会破坏这些材料的结构，所磁共振的优势逡逑的自旋体系来说，在电子顺磁共振实时，其共振条件为式（１．３）。当样品中分别为如ｉ和讥２。由式（Ｌ３）可知，ｇ＝ｚｇ0１￣ｇ0２－Ｊ＾：￣Ｊ＾＇２－邋Ｐｂ０１ｂ０２差ＡＢＱ满足：逡逑－

．邋ｌｒ逡逑图２．邋１邋ＣｕＡ邋ａｚｕｒｉｎ蛋白在Ｘ波段、Ｃ波段、Ｓ波段的电子顺磁共振波谱图Ｍ逡逑此外，低频电子顺磁共振技术还被应用在有关自旋玻璃［３５］、近藤效应［３６］等逡逑材料的研宄中，由于较高的磁场会破坏这些材料的结构，所以适合在低频处进行逡逑电子顺磁共振实验。逡逑２．１．２高频电子顺磁共振的优势逡逑对于一个各向同性的自旋体系来说，在电子顺磁共振实验中，仅考虑塞曼项，逡逑不考虑其他相互作用项时，其共振条件为式（１．３）。当样品中含有两种不同的顺磁逡逑结构时，它们的ｇ因子分别为如ｉ和讥２。由式（Ｌ３）可知，ｇ因子之差可以表示为：逡逑８ｇ＝ｚｇ0１￣ｇ0２－Ｊ＾：￣Ｊ＾＇２－邋Ｐｂ０１ｂ０２逦（２．２）逡逑它们对应的共振场差ＡＢＱ满足：逡逑Ａ５0邋＝邋（ｙ）．（＾0ｒ１－＾0２－１）逦（２．３）逡逑如果两个ｇ因子的值比较接近，这时对应的值也就比较小，两种结构对逡逑电子顺磁共振谱图的贡献就难以区分开来。但是，随着频率ｖ的提高，值也逡逑就会不断增大

【参考文献】

相关博士学位论文 前1条

1 荣星;脉冲电子顺磁共振谱仪研制及应用[D];中国科学技术大学;2011年

相关硕士学位论文 前2条

1 蒋振;宽带高转化效率辐射结构设计研究[D];中国科学技术大学;2016年

2 王梓翔;脉冲式电子顺磁共振谱仪的集成化设计[D];中国科学技术大学;2014年

本文编号：2758480