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电子顺磁共振-Qualcomm 打造深圳市为AirFuel磁共振无线电充电智慧城市

发布时间:2017-09-20 所属栏目:打造智慧湖南

一 : Qualcomm 打造深圳市为AirFuel磁共振无线电充电智慧城市

Qualcomm 携手柏壹科技、鸿基盛、兴澄、安森美、Chargifi与深圳市一同打造AirFuel磁共振无线充电智慧城市

   2017 年 4 月 27 日,万利加集团旗下柏壹科技(深圳)有限公司将宣布,携手技术领先的Qualcomm Incorporated许可厂商鸿基盛与兴澄进行合作,以Qualcomm Incorporated的WiPower™无线充电技术为基础,积极打造无线充电生态圈的硬件及云平台软件,建设无线充电生态圈。

  此外,拥有AirFuel磁共振无线充电领先物联网平台方案的Chargifi公司,也跟Qualcomm Incorporated 的子公司Qualcomm Technologies, Inc.、鸿基盛、兴澄、柏壹科技紧密合作,要一起在中国推广AirFuel磁共振无线充电生态圈,旨在使AirFuel磁共振无线充电产品实现全球的普及化.

  AirFuel™ Alliance无线充电联盟的磁共振无线充电标准,可以在指定充电范围内实现多个终端同时进行充电,并提供比其他无线充电技术更加灵活的终端摆放方式。,颠覆一般消费者对传统无线充电盘的印象。这种技术在安装上可以突破桌子厚度的距离限制,直接安装在桌子下方,不需要挖洞破坏,大大降低了部署的成本,使得走到哪、充到哪的无线充电热点理想变成了现实。

  为了让市民能体验到AirFuel磁共振无线充电技术带给人们的便利性,柏壹科技率先为深圳市的昇逸酒店装设了AirFuel磁共振无线充电站,并计划与鸿基盛及兴澄合作,在广东省深圳市率先推广部署大规模的AirFuel磁共振无线充电服务,包括机场,地铁车厢,酒店,餐厅,商场、等各公共区域,让市民在公共空间活动时,也能享有充电的服务。未来也计划再扩增更多新站点。

  柏壹科技创始人李文华表示“柏壹科技(深圳)有限公司是AirFuel™ Alliance无线充电联盟会员,核心团队具有十多年的大型项目管理及实操经验,拥有国家专利局颁发的六十九项专利。AirFuel磁共振无线充电技术是目前业界最好的无线充电技术,目前, 在欧美地区已经有超过 4000 个公共场所地点布置了AirFuel磁共振无线充电服务站,极大的满足了手机用户在户外及公共场所的充电需求。国内绝大部分手机无内置无线充电接收模块,给用户享受便捷无线充电带来了极大的不便。生态圈的建设将大大的推动无线充电的普及程度,而手机无线充电模块的内置将直击用户需求,中国已经成为全球第一大智能手机消费市场,用户对于支持无线充电的手机需求日益增长,未来市场清晰可见。

  我们很高兴能跟这些行业的领先者合作在全世界来推动Airfuel磁共振无线充电技术,也期待与国内的杰出手机厂商有进一步的接触洽谈,并相信柏壹能在开发关键元器件与生态圈的创建上做出贡献。”

  深圳市鸿基盛股份有限公司董事长王彩晓表示, “铭基集团于 2016 年成立子公司深圳鸿基盛科技有限公司,该公司由无线充电行业资深人士组成,并坚信基于磁共振的无线充电技术将是产业的未来。鸿基盛基于Wipower 技术的丰富基础,与兴澄精诚合作,加上团队努力不懈地研发,终于于今年年初成功开发出通过AirFuel™ Alliance无线充电认证以及FCC/CE认证的16W磁共振发射器与5W磁共振接收器,并顺利量产。目前33W磁共振发射器与25W磁共振接收器也已开发完成,正在进行认证测试中,技术在行业中领先。

  安森美半导体系统电源方案高级总监兼总经理Majid Kafi说,“安森美半导体致力于开发下一代无线充电技术与其巨大的潜力应用。公司具备丰富的相关专知,包括模拟、数字、与固件的知识产权,适用于所有无线充电标准,且特别专注在AirFuel Resonant磁共振无线充电技术。安森美半导体与Qualcomm合作开发为市场提供可扩展的AirFuel Resonant磁共振的无线充电发射端与接收端方案,能提供2 W到60 W的输出功率。,让贴牌生产商(OEM)可以采用同一方案应用到很多产品里面,无论它们的功率要求都能应用到,包括可穿戴到物联网,乃至平板电脑到笔记本电脑等等。这两种方案都已经上市,且有通过车规级标准的版本可以选购。”

  Chargifi联合创始人兼首席执行官Dan Bladen表示, “Chargifi是世界上第一个开始部署无线充电服务的公司,我们很快地就认识到在一个公共场所部署和管理 20 部无线充电器是一回事,但在上百个公共场所部署和管理成千上万部无线充电器又是另一回事。所以Chargifi才开发了一个强大的无线充电物联网软件平台来管理大规模的无线充电设备布建。我们很高兴为深圳市无线充电服务在部署和管理方面提供支持,并带来最好的用户体验”

  Qualcomm Technologies产品市场总监Sumukh Shevde表示, “Qualcomm Technologies一直致力于灵活的无线充电技术的开发与商用化。近来在骁龙 800 与 600 系列平台上都实现了对WiPower™技术的支持,这体现了Qualcomm Technologies对AirFuel™ 联盟磁共振标准的支持。Qualcomm Incorporated持续不断地与许可厂商们一同开发AirFuel磁共振无线充电技术,帮助各家厂商推出新的产品来丰富磁共振无线充电生态圈。我们很骄傲可以跟Wipower许可厂商兴澄,柏壹科技,及铭基集团一起,共同努力把无线充电技术推广到全中国以及全世界。”

  此次深圳市领先全国,率先布建AirFuel™ Alliance磁共振无线充电智慧服务,对深圳市智慧城市的发展,具有深远意义。故Qualcomm Technologies与铭基集团、兴澄、柏壹科技、安森美和Chargifi将于 4 月 27 日共同举办「深圳市Qualcomm Technologies 无线充电技术交流会」,并邀请深圳市各界领导,共襄盛举,希望藉此推广AirFuel磁共振无线充电技术,携手合作将深圳市打造成全球无线充电智能服务密度最高的城市,让深圳市的消费者,可以领先全国享受到无线充电智慧服务带来的便利性。

  Qualcomm Wipower无线充电技术由Qualcomm Incorporated许可。Qualcomm Wipower相关产品是Qualcomm Technologies, Inc.的产品。


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二 : 电子顺磁共振波谱

电子顺磁共振 电子顺磁共振波谱

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三 : 电子顺磁共振波谱

第一章
电子顺磁共振波 谱法( EPR )
Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy

第一节
1.1 EPR

EPR的基本原理

EPR
比如:自

所以说: EPR

窄的

又如:蒽

即:
:

如:氧分子

又如:氢、氮、碱的原子。

1.2 EPR

1、灵敏度高
如:测DPPH时,下限是 10
?14

mol

2、可直接检测不破坏样品

1、自由基寿命很短、浓度太低
连续流动法、快速冷冻法、自旋捕获技术、 自旋标记技术、自旋探针技术 2、波谱解析困难 高速计算机 所以在物理学、化学、生物学、医学、生命科 学、材料学、地矿学和年代学等领域有广泛的 应用

1.3 基本原理
?

1.3.1 物质的磁性

H ? H0 ? H

'

物质在外磁场作用下的磁化现象有3种情况:
1) 大多数物质本身不呈现磁性,但由于它内部的电子轨道运动,在外磁场作用 下产生Larmor 进动.感应出一个诱导磁矩,磁矩的方向与外磁场相反,表现 为一个附加磁场H‘<o,即:H’ 和 H0 反向,其磁化强度与外磁场强度成正比, 并随着外磁场的消失而消失,这类物质称为 逆磁性 物质。 2) 有些物质的原子、分子或离子:本身具有永久磁矩.无外磁场时,由了热 运动,永久磁边的方向是随机的,所以该磁矩的统计值等于零,但处在外磁场 中时,一方面物质内部的电子也有上述逆磁性物质那样的 Larmor 进动,磁化 方向与外磁场相反;另一方面,永久磁矩会顺着外磁场方向排列.其磁化强度 与外磁场强度成正比;磁化方向与外磁场相同,因此产生的附加磁场是上述两 方面共同作用的总结果,其H‘>o.故称这类物质为 顺磁性 物质。

3) 还有一类物质,如铁、镍、磁铁矿等,虽然它们也是H’> 0,但其被磁化的强

度与外磁场强度不成正比关系.而是随着外磁场强度的增加而急剧增强,当外磁 场消失后,这种物质的磁性并不消失呈现出滞后的现象,这类物质称为 铁磁性 物质。

1.3.2 磁场和磁矩 磁矩:
轨道磁矩的定义:

? ? ISn ? M
? ? ? ? ? g?S

自旋磁矩的定义:

磁矩与磁场相互作用能:

? ? E ? ? ? ? H ? ? ?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:

g e ? 2.0023

e ? 波尔磁子 ?? 2mc

? z ? ? g?M S
?

电子自旋磁矩在外磁场中的能量:

1 其中: S ? ? M 2

E ? ? ? z H ? ?(? g?M S ) H

能级差:

?E ? g?H

1.3.4

共振条件

h? ? ?E ? g?H
在理上要满足共振条件,可以用两种方式: (1)固定频率改变场强,即:扫场法; (2)固定场强改变频率,即:扫频法。

1.3.5
?

线宽、线型、弛豫

线宽 (1)寿命增宽(Life Broadening)

?E ? ?t ~ ?

测不准关系:
即:

h 根据共振

条件知: ?H ~ ? / g??t

?v ? ?t ~ 1 2? ?g ?v ? ?H

自旋—晶格相互作用

?

久期增宽(Secular Broadening)

Hr ? H ? H
影响H‘的因素: 1. 动态因素 2. 空间因素

'

自旋--自旋相互作用
热起伏

两个顺磁粒子间的相互作用 ~

1 (1 ? 3 cos2 ? ) r3

增大 r的方法:固体 同晶形 逆磁性 液体 稀释

ZnSO4

顺磁性

CuSO4

?

自旋弛豫

?

线 型 : 判定的
Lorentz 线型
a Y? 1 ? bX 2

Gauss 线型

Y ? ae

? bX 2

1.3.6 g 因子
(1)g因子的概念

9500 3400

2.0023

但:

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。

? g xx ? g ? ? g yx ? g zx ?

g xy g yy g zy

g xz ? ? g yz ? g zz ? ?

由于分子的对称性,往往存在一个主轴系,如果把 x, y, z 坐 标旋转到主轴系中,则 g 张量矩阵只有对角元素,即:

? g xx g?? 0 ? ? 0 ?

0 g yy 0

0 ? 0 ? ? g zz ? ?

(2) g因子的测定 (A)绝对法

h? g? ?H
h? ? g s ? H s ? g x ? H x gx ? gs Hs Hx

(B)比较法

1.1.7 超精细结构
1. 超精细相互作用 (1)原子核的磁矩

?n ? g n ? n I
1 ?n ? ?e 1836

其中:

质量数
偶数 偶数

原子序数
偶数 奇数

自旋量子数I
0 1,2,3….

奇数

奇数或偶数

1/2;3/2;5/2….

中子和质子都是费米子,自旋都是h/2;凡是 中子数和质子数都是偶数的原子核(称为偶偶 核)自旋都为零,凡是中子数和质子数中有一 个是奇数的原子核(称为奇偶核)的自旋都是 h 的半奇数倍,凡是中子数和质子数都是奇数 的原子核(称为奇奇核)的自旋都是h的整数倍

H 局部 ? ? N Z

(3 cos2 ? ? 1) 3 r

, .



所以

H 各向同性 ? a S z I z
'

从而总的相互作用能:

H ? g? H S z ? a S z I z
'

3. 几种超精细能谱线

根据

1. 含有两个 I = ? 的等性核
共8个能级,产生3条谱线 谱线强度之比:1:2:1

2. 含有三个 I = ? 的等性核

共16个能级,产生4条谱线, 谱线强度之比:1:3:3:1
3. 含有 n 个 I = ? 的等性核

4. 含有 两 个 I = 1 的等性核
比如:两个氮核与一个未成对电子有等同的作用, 由于14 N 核的 I = 1 ,所以: I ? 1, 0, - 1 M

当第一个氮核与末成对电子 2 作用而分裂成 3 个能级.在此基础上, 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

MS ? 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

1.1.8 自旋浓度
自旋浓度即: 单位重量或单位体积中所含未成对电子的数目(白旋数)。

谱线的面积与自旋数的关系
自旋 射频场振幅

g?S ( S ? 1)? h 2 A? N ? ?? 6k T
2 1
温度

射频场频率

自旋浓度

As N s ? Ax N x Ax 所以: N x ? N s As

第三节 仪器和方法
电子顺磁共振波谱仪主要由微波系统、磁铁系统、

谐振腔和信号检测系统等部分组成。

EPR原理图

一、微波系统
1、微波及其特点

2.微波器件
(1)速调管

反射式速调管的结构

(2) 波导

波导管结构示意图

(3)衰减器

衰减器刻度范围为 0-60 dB

Po 1dB ? ?10 Lg Pi

(4)调配器
(5)隔离器 (6)环行器

(7)晶体检波器
(8)自动频率控制系统(AFC)

二、磁铁系统 1、电 磁 铁
通常能够提供磁场的磁体有3种: 永磁铁、电磁铁和超导磁体。

2.磁场的选择

? ? 1.4 ?10 g ? H
6

3.磁场的技术要求
(1)磁场的均匀性 (2)磁场的稳定性

4.磁铁电源

V ? RH ? H ? I

5.磁场测量

三、谐 振 腔
腔内储存的能量 腔内储存的能量 Q ? 2? ?? 每周损耗的能量 损耗的功率

双样品谐振腔: 1、测定一系列相似的未知样品中不成对 电子的相对数目; 2、通过与一个定标的标准样品进行比较 来测定未知样品中所包含的不成对电 子数目; 3、精确测定 g 值。

四、场调制和信号检测系统
五、波谱仪的主要技术指标

1、灵 敏 度
2、分 辨 率 3、稳 定 性

六、实验技术
1.样品制备

(1)气体样品

(2)液体样品
(3)固体样品 (4)样品管

2.仪器工作参数的选择

(1)微波频率 (2)微波功率

(3)磁场设置
(4)调制幅度和调制频率

(5)时间常数和扫场时间

第四节 应



一、稳定性顺磁物质的直接检测
1.有机自由基的研究
(1)环辛四烯负离子自由基

强度比为: 1:8:28:56:70:56:28:8:1 的 9 条谱线组成

(2)萘负离子自由基

1、4、5、8等性, 2、3、6、7等性;共产生25条谱线,强度比为: 1:4:6:4:4:16:1:24:6:16:24:4:36: 4:24;16:6:24:1:16;4:4:6:4:1

1,1-二苯基-2-三硝基苯肼
(3)DPPH等含氮自由基

PAC

七重谱线

1:1:2:1:2:1:1

DDPH

总结:
1) 3种分子内的两个氮核与未成对电子均有相互作用。

2) 各个分子中两个氮核的超精细偶合常数的关系为:

(A) (B) (C)

a1 ? a2 a1 ? 2a2 1 a1 ? a2 ? a1 2

2.催化剂的研究
(1) 催化剂表面的性质 催化剂: SiO 2 ? Al2O3 表面吸附二萘嵌苯

三个酸性中心:



Lewis 酸性中心
?? Bronsted
酸性中心 水化 Lewis酸性中心

( Bi ? Mo) / SiO2

当二萘嵌苯溶液浓度较低时

9条等间距的超精细谱线

在 催化剂 H ? ZMS1 的表面 苯
1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1

(2

) 催化剂表面的反应机理

经处理的高纯MgO在真空下粉碎5小时后. 吸附甲醇气体

甲醛

经机械粉碎形成的新鲜表面上 具有电子俘获中心和空穴俘获中心

CO ? H 2

二、自旋捕获法——高活性自由基的检测
1.原理和方法

一种检测短寿命自由基的技术

方法:用一种逆磁性的不饱和化台物(即: 自旋捕获剂)和反应中产生的不稳定自由 基R ? 起加成反应,生成另一种较稳定的自 由基产物(即:自旋加合物)

N O
N

2-methyl-2nitrosopropane

O

MNP

nitrosodurene

ND
O N

ONH+

HN
tri-tert-butylnitroso benzene

TNB
5,5-dimethylpyrroline
phenyl-tert-butylnitrone

DMPO

PBN

2. 自旋捕获技术的应用
1) 在有机化学反应中的应用

2) 在生物体系中的应用

三、自旋标记法和自旋探针法 —— 逆磁性物质的EPR研究
1.自旋标记法

自旋标记法是将一种稳定的顺磁性分子用 共价结合的方式引入被研究体系分子的特 定部位.利用其 EPR 波谱特性来反映该顺 磁分子所处相关环境的物理、化学性质

用作自旋标记的化合物应只备以下的性质: 1) 该物质应是足够稳定的顺磁性化合物 2) 它能与被研究体系的分子在某些专一的位 置上以一定的方式结合,但对体系扰动甚微 3) 标记后产生的EPR谱应能灵敏地反映环境 的信息,且谱图较简单并易于解析 4) 标记化合物还应在所用的溶剂中有良好的 溶解性,便于制备实验所需的样品

氮氧化合物自由基

2.自旋探针法 将顺磁性的探针分子以非价键结合方式 引入被研究的逆磁性体系中
1)氮氧自由基自旋探针 2)金属离子自旋探针 3)氮氧化合物自旋探针

第五节 EPR 研究新进展
一、电子--核双共振(ENDOR)
ENDOR是在垂直干H.的方向上加上两个辐射电磁场, 其中一个是微波场,用来激发电子自旋跃迁,该微波场要 足够强.使EPR 跃迁出现部分饱和现象;另一个是射频 辐射场,用来激发核自旋跃迁.使处于饱和状态的电子自 旋能级的布居数重新分布,此时观察到的是在发生核磁共 振时的 EPR 信号的增强.即电子--核双共振信号

1 1 S? , I? 2 2

? g?SH ? hASI ? g?IH
E ( Ms, M I ) ? g?HMs ? hAMsMI ? g n ? n HM I

1 h? e1 ? E4 ? E1 ? g?H ? hA 2
hA h? n1 ? E4 ? E3 ? ? gn?n H 2

同样: h? n 2

hA ? E2 ? E1 ? ? gn?n H 2

? n1

?n

? n2

可见,ENDOR谱线并不是直接观察对 射频功率的吸收。而是观察因各能级 布居数重新分布所产生的RPR谱线中 某些跃迁强度的增强,它反映了核跃迁 的信息

1) 超精细偶合常数的测定
?n ?
A 2 A 2

A ? ? n1 ? ? n 2
?n ?

2) g n 值的测定

?n ?

A 2
A 2

? n1 ?? n 2

2gn ?n H ? h

?n ?

萘自由基
EPR

ENDOR


四 : 电子顺磁共振

电子顺磁共振 电子顺磁共振

电子顺磁共振 电子顺磁共振

电子顺磁共振 电子顺磁共振

电子顺磁共振 电子顺磁共振

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五 : 92微波电子顺磁共振 - 武汉大学物理实验教学中心

微波电子顺磁共振

电子顺磁共振又称电子自旋共振。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自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR(Electron Spin Resonance)”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多,在同样的磁场下,电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象,本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。

1924年,泡利(Pauli)首先提出电子自旋的概念。1954年开始,电子自旋共振(ESR)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.研究微波波段电子顺磁共振现象。

2.测量DPPH中的g因子。

3.了解、掌握微波仪器和器件的应用。

4.理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况,确定波导波长λg。

二 实验原理

本实验有关物理理论方面的原理请参考有关“核磁共振实验”,“微波基础实验”等有关章节。

在外磁场B0中,电子自旋磁矩与B0相互作用,产生能级分裂,其能量差为

ΔE=gμBB0 (1) 其中g为自由电子的朗德因子。

在与B0垂直的平面内加一频率为f的微波磁场B1,当满足

ΔEgμBB0= (2) f=hh

时,处于低能级的电子就要吸收微波磁场的能量,在相邻能级间发生共振跃迁,即顺磁共振。

在热平衡时,上下能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布

N 2=e?ΔEKT (3) N1

由于磁能级间距很小,ΔE<<KT,上式可以写成

N2ΔE=1? (4) N1KT

由于ΔEKT>0,因此N2<N1,即上能级上的粒子数应稍低于下能级的粒子数。由此可知,外磁场越强,射频或微波场频率f越高,温度越低,则粒子数差越大。因为微波波段的频率比射频波波段的频率高得多,所以微波顺磁共振的信号强度比较高。此外,微波谐振腔具有较高的Q值,因此微波顺磁共振有较高的分辨率。

微波顺磁共振有通过法和反射法。反射法是利用样品所在谐振腔对于入射波的反射状况随着共振的发生而变化,因此,观察反射波的强度变化即可得到共振信号。反射法利用微

波器件魔T来平衡微波源的噪声,所以有较高的灵敏度。

与核磁共振等实验类似,为了观察共振信号,通常采用调场法,既在直流磁场B0上迭加一个交变调场BAcosωt,这样样品上的外磁场为B= B0 +BAcosωt。当磁场扫过共振点,满足

B=hf (5) gμB

时,发生共振,改变谐振腔的输出功率或反射状况,通过示波器显示共振信号。

本实验中的样品为 DPPH (Di-Phehyl Picryl Hydrazal),叫做二苯基苦酸基联氨,分子式为(C6H5)2N-NC6H2(NO2)3,其结构如图1所示,在第二个氮原子上存在一个未偶电子——自由基,本实验观测达到的是该电子的自旋共振现象,EPR在这里称为ESR。

由于电子自旋为1/2,它在外磁场(相互垂直的恒磁场B0和线偏振磁场B1)中的行为,类似核磁共振中的1H核的行为,“磁共振基本原理”中讨论的内容无疑地适用于ESR。所不同的是:(a)μe与自旋的方向相反,(旋磁比)取负值。(b)这时起作用的圆偏振磁场是右旋磁场。(c)由于电子磁矩(波尔磁子)比核磁子大1893倍,电子的g因子为2.0023(DPPH中自由基的g值为2.0036),ESR共振条件的数值关系则为: 图1 DPPH分子结构 v

ν0=2.8024B0(MHz)或B0=0.35684ν(高斯) 0

由上式可知:当ν0=30(MHz)(射频)时,所需要的共振磁场为B0=10.705(高斯);如果像NMR一样利用强磁场时(如B0=3300(高斯)),对应的共振频率则是ν=9247.6(MHz),该频率为三厘米微波段的频率。(d)电子系统的自旋——自旋驰豫比1H核系统强,所得到的吸收曲线线宽较宽。

采用不同的频段,ESR又分为射频ESR和微波ESR,频段的不同,实验方法及其原理也有所不同。本实验采用微波ESR的方法。

三 实验装置

由电磁铁系统,微波系统和电子检测系统等组成,实验装置示意图如图2。

1.磁铁系统

由磁铁,励磁电源和调场电源组成,用于产生外磁场B= B0 +BAcos ωt。励磁电源接到电磁铁直流绕组,产生B0通过调整励磁电流改变B0。调场电源接到电磁铁交流绕组,产生BAcosωt,并经过相移电路接到示波器X轴输入端。

图2实验装置示意图

2.微波系统

(1) 三厘米固态信号源:由体效应管、变容二极管、频率调节组成,微波源供电电压为

12V,其发射频率约为9.37GHz。

(2) 隔离器:只允许微波从输入端进,从输出端出。起隔离微波源与负载的作用。

(3) 可变衰减器:用于调整输入功率。 (4

) 波长计:用来测量微波波长,使用时调整螺旋

测微计,在示波器上会出现吸收峰,或微安表

指示大幅度下降,根据螺旋测微计的读数查表,

就可以得到吸收峰处的微波频率。

(5) 调配器:使两种不同阻抗的微波器件达到匹配

的可调器件,匹配就是将输入的波完全吸收,

没有反射。

(6) 魔T:如图3所示,它有4个臂,相对臂之间

是互相隔离的。当4个臂都匹配时,微波从任一

臂(如臂4)进入,则等分进入相邻两臂(2、3),

而不进入相对的臂(1)。但当相邻两臂(2、3)若有反射则能进入相对臂。这样将臂3接谐振腔,臂2接匹配器,臂1接检波器,当样品产生磁共振吸收微波能量改变魔T匹配状态时,就有微波从谐振腔反射回来进入检波器。

(7) 检波器:用来测量微波在测点的强度。

(8) 谐振腔:如图4所示,本实验使用TE型谐振腔,腔内形成驻波,将样品置于驻波

磁场最强的地方,才能出现磁共振。微波从腔的一端进入,另一端是一个活塞,用来调节腔长,以产生驻波,腔内装有样品,样品位置可沿腔长方向调整。

(9) DPPH样品:密封在细尼龙管中,置于谐振腔内。

图3魔T示意图

3.电子仪器

(1) 微安表:测量检波电流。

(2) 示波器:观察共振信号

(3) 特斯拉计:测量静磁场强度。

z

磁场线

电场线

图4 谐振腔示意图

四 实验内容

1.微波波长和谐振腔的调整

(1) 根据图2连接线路,熟悉各仪器及元件的使用方法。

(2) 将可变衰减器调到100。打开三厘米固态波信号源的电源,按下三厘米固态信号源

的“电压”和“等幅”按钮。预热20分钟。

(3) 调节“可调谐振腔旋钮”,样品置于磁场的中央,即将样品位置刻度值置于90mm左

右处。

(4) 按下“扫场”旋钮,使电表指示占满度的70%左右,将“检波”按钮弹起(“扫场”

和“检波”切勿同时按下)。

(5) 根据“3cm空腔波长表频率刻度对照表”,调整波长表的刻度,使振荡频率在9370MHz

左右。调整微波频率,方法如下:参考“频率—测微器刻度对照表”上的数值,仔细调整频率测微器(垂直方向的测微器),并用波长计测量微波频率,直到出现谐振频率。测量后将波长计调到远离谐振频率的位置。

(6) 微调谐振腔活塞和样品位置,使检波电流最小。此时样品位于谐振腔中微波磁场最

强位置。

2.ESR信号的观测

(1) 将励磁电源电压调到0,打开励磁电源,打开扫场电源。调整示波器为XY工作方

式,开示波器。

(2) 按下“检波”旋钮,,可变衰减器下调,将在1.7—1.9A范围内在仔细调整励磁电流,

使示波器显示共振峰,调整调配器,使共振峰如图5所示。在此过程中,需要调整

示波器和可变衰减器,使示波器能够清晰显示共振峰。共振波形峰值较小,可采用下列方式调整:(a)将“衰减器”反时针旋转,减小衰减量。(b)调节示波器的灵敏度。

(3) 调整扫场电源的相位,使两共振峰重合。调整励磁

电流使共振峰居中。记录励磁电流值。用特斯拉计

测量磁场。

(4) 移动样品位置,两信号之间距离即为λg/2。

改变谐振腔腔长,重复以上步骤,得到另外几组数据。

3.数据处理

(1)计算g因子。

(2)求波导波长λg

图5共振吸收峰 λg=2(zn+1?zn) (6)

λg=λ?(λ2a)2 (7) 与由波长表测量λ所得到的

相比较,其中波导宽度a=22.8mm。

(3) 分析实验测量的误差

注意事项

1. 磁极间隙的大小由教师调整,学生不要调整,以免损坏样品腔。

2. 样品位置和腔长调整不要用力过大、过猛,防止损坏。

3. 保护特斯拉计的探头防止挤压磕碰,用后不要拔下探头。

4. 励磁电流要缓慢调整,同时仔细注意波形变化,才能辨认出共振吸收峰。

思考题

1. 本实验中谐振腔的作用是什么?腔长和微波频率的关系是什么?

2. 样品应位于什么位置?为什么?

3. 扫场电压的作用是什么?

参考资料

[1] 吴思诚、王祖栓 《近代物理实验》 北京大学出版社,1995

[2] 陈贤镕,电子自旋共振实验技术,科学出版社,1986

本文标题:电子顺磁共振-Qualcomm 打造深圳市为AirFuel磁共振无线电充电智慧城市
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