电子顺磁共振实验是近代物理实验的一个基本课题,具有丰富的物理思想和训练内容.传统测定信号源波长的手段主要是通过磁共振实验仪上的波长表直接读出,或通过改变样品谐振腔中样品所在的位置测出信号源波长.本文利用波导管的可调终端活塞及单螺调配器测定微波信号源的波长,通过该方法测量信号源波长不仅有利于开发学生的思维,而且大大丰富了实验教学内容.
1、实验原理
1.1阻抗测量的基本原理
测量阻抗最常用的方法是等势驻波电压法.根据波导管的传输理论,传输管终端负载阻抗的电阻和电抗分量公式是
其中ZC为波导管的阻抗特征量,为波导管传输终端负载的反射系数τ的模数,?是反射系数的相位,|τ|受到驻波比ρ的影响,二者的关系由(3)式给出.?与由传输管终端负载算起的最近一个驻波电压等势点的距离dmin之间关系由(4)式给出.
由此可以得出在波导管中相隔λg/2整数倍的位置是阻抗等值点.
因此,在顺磁共振实验过程中,如果调节单螺调配器在某一位置获得阻抗匹配,那么当保持单螺调配器的数值不变而使之向负载方向(或背离负载方向)移动λg/2个单位长度时仍可获得阻抗匹配,在示波器中可以重新观察到磁共振的共振峰,从而测量出微波信号源的波长λg.
1.2阻抗匹配
阻抗匹配是微波传输技术中的一个重要概念,阻抗匹配的关键是要消除波导管负载的反射波.当波导管负载的电感和电容不相等时,就会在波导管末端产生反射波,从而会影响波导管内部电磁场的稳定性.阻抗匹配的基本原理是利用单螺调配器产生反射波,该反射波与波导管负载的反射波大小相等、方向相反,因此,可以抵消掉波导管负载的反射波.一般微波传输技术中使用的调配器是电抗性元件,在理想的状况下它只产生反射波而没有能量消耗.
1.3可调终端活塞
样品谐振腔的末端连接着可调终端活塞,调节活塞位置,使微波在谐振腔谐振,这样才能获得稳定的动态微波状态.在这样的状态下,腔内闭合磁力线平行于波导管宽壁,且同一驻立半波磁力线的方向相同,相邻驻立半波磁力线的方向相反.在相邻两驻立半波空间交界处,微波磁场强度最大,微波电场最弱,满足样品磁共振吸收强,非共振的介质损耗小的要求.因此,是达到阻抗匹配的一个重要先决条件.
1.4螺钉调配器
在波导管的宽边中轴线置入一个金属螺钉,便构成单螺调配器.螺钉伸入波导管的深度可以调节,通过调节螺钉产生适当的电抗达到阻抗匹配的目的.当螺钉伸入波导管的位置较浅时,它的作用相当于在波导管上并联一个为容性的正电抗,电抗的大小随螺钉伸入波导管的深度而减小,当螺钉的深度达到谐振位置时,电抗由容性转为感性.波导管的谐振位置与螺钉的材料、粗细、伸入深度及波导管厚度有关.
在实验过程中,螺钉作为正电抗并联在波导管中.也就是说它的伸入深度不能超过波导管的谐振位置,并用逐次调小驻波的方法迅速获得阻抗匹配.
2、实验装置与方法
2.1实验装置
2.2实验方法
．通过调节可调终端活塞使微波在谐振腔谐振,同时在示波器上调节出磁共振峰.此过程需要与单螺调配器配合并逐次调小驻波而得到匹配.
·记录下单螺调配器所在的位置(刻度),保持单螺调配器的数值不变,使之缓慢向单一方向移动,同时注意观察示波器上的波形,当再次出现共振峰时,停止移动单螺调配器,并记录下单螺调配器所在位置.
·两次记录的位置差,即为信号源波长的一半,即λg.
·同向移动单螺调配器,重复几次实验,取平均值.
3、结束语
利用可调终端活塞及单螺调配器测定微波信号源的波长大大丰富了微波顺磁共振的实验内容,使学生对阻抗匹配这一重要物理概念有了全面了解.通过可调终端活塞与单螺调配器的配合使用逐步寻找驻波节点进而获得阻抗匹配这一过程,提高了学生操作实验仪器微调的能力.可调终端活塞和单螺调配器的构造与工作原理等知识,既有利于开发学生的思维,又增强了学生对实验仪器深层探究的兴趣.
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