铁磁共振

铁磁共振 ????? 2.3.2 （本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》） 在微波波段（参考附录），只有铁氧体对微波吸收最小。当满足一定条件时，磁性物质从微波 磁场中强烈吸收能量的现象称为铁磁共振，它和核磁共振、顺磁共振一样也是研究物质宏观性能和 微观结构的有效手段。它能测量微波铁氧体的许多重要参数，因此，广泛应用于微波铁氧体器件的 制造、设计，对雷达和微波技术的发展做出了重要贡献。 本实验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。 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可表示为 m ,,, BμH （1） ijm0m μ为真空中的磁导率，μ称为张量磁导率。 0ij ,jk,0，， ,,jk, μ= （2） 0ij,, ,,001，， μ、k称为张量磁导率的元素 ,,,',j,'' （3） k,k',jk'' （4） B,,/,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’在处r0 B,,/,数值和符号都剧烈变化，称为色散。μ’’、k’’在处达到极大值，称为共振吸收，此现象即r0 为铁磁共振。这里ω为微波磁场的角频率，γ为铁磁物质的旋磁比。 0 1 B,B,,/,μ’’决定铁磁物质磁能的损耗，当时，磁损耗最大，常用共振吸收线宽来描述铁,B00 磁物质的磁损耗大小。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,B 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 ,,,B进行，进动角频率，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的角频率ω时，M吸收微波磁场能量，m0用以克服阻尼并维持进动，此时即发生铁磁共振。 B,,/,铁磁物质在处呈现共振吸收，只适合于球状样品和磁晶各向异性较小的样品。对于r0 非球状样品，铁磁物质在稳恒磁场和微波磁场的作用下磁化，相应的会在内部产生所谓退磁场，从 而使共振点发生位移，只有球状样品，退磁场对共振点没有影响。另外，铁磁物质在磁场中被磁化 2 的难易程度随方向而异，这种现象称为磁晶各向异性，它等效于一个内部磁场，也会使共振点发生 位移，对于单晶样品，实验时，要先作晶轴定向，使易磁化方向转向稳恒磁场方向。对于多晶样品， 由于磁晶各向异性比较小，对共振点影响很小。 铁磁共振实验通常采用谐振腔法，该法灵敏度较高，但测量的频率较窄。谐振法中，可采用传 输式腔，其传输系数与样品共振吸收的关系简单，便于计算，但难以用抵消法提高灵敏度。若,B采用反射式腔，其反射系数与共振吸收关系复杂，计算麻烦，但可提高灵敏度。本实验用传输,B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，计算和g因子。 ,B 图2.3.2-3为实验装置图。实验的测量原理是将铁氧体小球置于谐振腔微波磁场的最大处，使其处 于相互垂直的稳恒磁场B和微波磁场H中，如图2.3.2-4，则样品与谐振腔构成一个谐振系统，保m 持微波发生器输出功率恒定，调节谐振腔（若使用可调谐振腔时），或微波发生器（当用固定式谐 振腔时），使谐振腔谐振频率ω与微波磁场频率ω箱等，当改变B的大小时，由于铁磁共振，μ0相应的发生变化，因而影响谐振腔的谐振频率和腔的有载品质因数Q，在样品很小，磁导率变化L引起系统参量的变化不大的条件下，根据腔的微扰理论，有 3 ,,,,,A,(',1),,(6),0 ,,,1(7),,,A,,,4'',,Q,L,,, A是一个常数，与谐振腔尺寸和样品大小有关。对于传输式谐振腔，在谐振腔始终调谐时，在输入 P(,)功率不变的情况下，输出功率为 in0 4(,)P20in()P,,Q , （8） 0outLQQ12ee 2P(),Q,即。式中Q为腔的品质因数。因而可通过测量Q的变化来测量，而Q的变化可,''LLL0outL 以通过腔的输出功率P的变化来测量，这就是测量的基本思想。必须注意的是，当B改变时，,Bout 磁导率的变化会引起谐振腔谐振频率的变化（频散效应），故实验时，每改变一次B都要调节谐振 腔（或微波发生器频率），使它与输入微波磁场的频率调谐，以满足式（8）的关系，这种测量称逐点调谐，可以获得真实的共振吸收曲线，如图2.3.2-5，此时，对应于B、B的输出功率为 12 4P0 （9） P,122(PP，1)0r 式中P、P、和P分别是远离共振点、共振点和共振幅度半高处对应的输出功率。因此根据测得0r1/2 曲线，计算出P，既能确定出。 ,B1/2 为简化测量过程，往往采用非逐点调谐，即在远离共振区时，先调节谐振腔，使之与入射微波 磁场频率调谐，测量过程中则不再调谐，则计算P的关系式为 1/2 2PP0r （10） P,1/2P，P0r 此式是考虑了频散影响修正后计算P的公式。 1/2 4 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成正比，则 out 2II0r （11） I,1/2I，I0r 因此，只要测出I-B曲线，即可算得和B。 ,B 考虑到检波二极管的特性可能变化，可以调节检波器前的精密衰减器，使整个测量过程中，I始终保持定值，若远离共振点且共振时对应的衰减器读数分别是α和α，则对非逐点调谐测量，0r 对应处的α为 ,B1/2 (,,,)/100R,,,，10lg2,10lg[10，1] （12） 1/20 如图2.3.2-3所示的实验装置，包括XFL-2A厘米波发生器，其频率可调范围为8.6~9.6GHz；可变衰减器，最大衰减为20dB；TE矩形谐振腔，空腔Q约为2000~3000；晶体检波器，检波二极管10L 为2VD8；定向耦合器，它是一种微波元件，其作用是作微波功率分流；两个0~100μA的微安计，分别用来监测输入、输出功率；磁铁是电磁铁或可变极矩永久磁铁，要求最大磁场强度不小于0.6T，本实验采用用磁铁，通过变化磁极间距来改变B的大小。 微波由发生器产生经隔离器，由定向耦合器分为两路，一路经晶体检波器，由微安计监视繁盛 期的输出功率；另一路经隔离器进入带样品的谐振腔，当磁场变化时，谐振腔的输出功率发生变化， 经精密衰减器控制进入晶体检波器，由微安计指示共振情况。 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． 用特斯拉计测出B随磁极间距d的变化曲线。 3． 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。 4． 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。 5． 保持检波电流不变，用非逐点调谐测出α-B，计算g因子，并于4的结果比较。 实验中注意保持谐振腔的输入微波功率和发生器输出信号频率不变，此外，适当调节精密衰减 器，使晶体检波器输入的微波信号不会太大，保证检波器工作在平方律范围内。 1． 用传输式谐振腔测时，要保证哪些实验条件？ ,B 2． 使谐振腔与微波信号调谐时，磁铁应置于使系统处于共振还是远离共振的位置？ 5 3． 本实验所用谐振腔内可以把样品放置于任意位置吗？ 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？为什么？ 豆丁致,B 力于构建全球领先的文档发布与销售平台，面向世界范围提供便捷、安全、专业、有效的文档营销服务。包括中国、日 本、韩国、北美、欧洲等在内的豆丁全球分站，将面向全球各地的文档拥有者和代理商提供服务，帮助他们把文档发行 到世界的每一个角落。豆丁正在全球各地建立便捷、安全、高效的支付与兑换渠道，为每一位用户提供优质的文档交易 和账务服务。 4． 6