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用传输式谐振腔观测铁磁共振.pdf
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2022-10-14
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用传输式谐振腔观测铁磁共振
铁磁共振在磁学和固体物理学中都占有重要地位。它是微波铁氧
体物理学的基础,而微波铁氧体在现代雷达和微波通信方面都有重要
应用。
铁磁共振和核磁共振、电子自旋共振一样,成为研究物质宏观性
能和微观结构的有效手段。早在 1935 年,著名苏联物理学家兰道(Lev
Davydovich Landau 1908—1968)等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特
性。经过若干年在超高频技术发展起来后,才观察到铁磁共振现象。
多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于 1948 年。以后的工作则多采
用单晶样品。
实验目的
1. 了解微波谐振腔的工作原理,学习微波装置调整技术。
2. 通过观测铁磁共振,进一步认识磁共振的一般特性和实验方
法。 实验原理
1. 微波谐振腔
在微波技术中谐振腔是一个非常重要的部分。所谓微波谐振腔就
是一个封闭的金属导体空腔,一般为矩形或圆柱形。腔壁反射电磁波
辐射,使电磁波局限在空腔内部。谐振腔的入射端开一小孔,使电磁
波进入谐振腔。电磁波在腔内连续反射。若波形和频率与谐振腔匹配,
可形成驻波,也即发生谐振现象。如谐振腔无损耗,则腔内振荡便可
持续下去。
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(1)矩形波导管
矩形截面的空心导体管构成矩形波导,它是传播微波最常用的传
输线。矩形谐振腔实际上是一段封闭的矩形波导,即在波导入射端和
出射端加装了反射电磁波的金属片。理论分析表明:在波导管中不存
在电场纵向分量和磁场纵向分量同时为零的电磁波。在波导管中传播
的电磁波可以分为两大类:(1)横电波又称为磁波。简写为 TE 波或
H 波;磁场可以有纵向和横向分量,但电场只有横向分量。矩形波导
管传播的基本波形是 TE10 波。(2)横磁波又称为电波,简写为 TM
波或 E 波;电场可以有纵向和横向分量,但磁场只有横向分量。至于
电场和磁场的纵向分量都不为零的电磁波,则可以看成横电波和横磁
波迭加而成。
在实际应用中,总是把波导管设计成只能传播单一波形。我们使
用的矩形波导管只能传播 TE10 波。
71
(2)TE10 波
在波导管截面为 a×b (a>b)的矩形波导管的一端输入角频率
为ω的电磁波,使它沿着 z 轴传播。忽略传输中的损耗,由麦克斯维
方程组和边界条件,可以得到矩形波导管中 TE10 波的电磁场分量。
TE10 波有以下特点:
(a)电力线:只有并行于 b 面(窄边)的电力线 Ey 存在。
(b)磁力线:环绕电力线,始终与 a 面平行,无 y 分量。
(c)电场在 y 方向均匀分布,沿 y 方向无变化。
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(d)在 z 方向(传播方向),任意给定时刻场呈现周期性变化。
图(1)矩形波导和 TE10 波的电磁场分布
(3)矩形谐振腔
如果波导终端负载始终是匹配的,所有的能量
全部被吸收,这时波导中呈现的是行波。如果波导
终端是短路的,波导发生完全反射。入射波和反射
波迭加形成驻波。这时波的能量不能传播。在一般
情况下,波将发生部分反射,形成混合波。谐振腔
中驻波的成分远大于行波。实验用的样品应装在谐
振腔磁场分量最大的位置。
截面为 a×b (a>b),长为 l 的一段波导管,两
端用金属片封闭,为了微波的进入和少量泄露(以
便检测),这两片金属片或其中的一片开有小孔(偶
合孔)。改变腔长或调节微波的频率,腔内会发生
谐振,形成驻波。传输式谐振腔两端都有偶合孔,
一端进入电磁波,另一端泄露少量电磁波,
以便检
图(2)行波与驻波
72
测。
矩形谐振腔发生谐振产生驻波的条件为:
(p?1,2,3...) (1) 2
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春哥111
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