脉冲强磁场高频ESR系统的研制及其在磁性材料研究中的应用

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华中科技大学硕士学位论文

摘要

电子自旋共振（ESR）也称为电子顺磁共振（EPR）是一种研究磁性材料微观信息的测量手段。早期的ESR研究受到磁场强度的限制，微波频率仅限于X波段，所记录的波谱分辨率较低。为了获得更高分辨率的波谱，则需要使用高频强磁场ESR。本论文详细介绍并分析了脉冲强磁场ESR装置构成及原理，基于LabVIEW平台开发并完成一套ESR测量控制系统，并开展了一些初步的研究。实验表明，该系统能够高效地完成ESR测量工作。本论文主要包括以下内容：

第一章：简述了高频强磁场ESR的研究背景，以及在脉冲强磁场下研制ESR实验系统的原因。

第二章：详细介绍了脉冲强磁场实验环境的构成。

第三章：介绍了脉冲强磁场平台下的ESR实验装置。研究了ESR信号与温度的探测方法，温度的控制方法，并阐述了测量杆和微波系统的组成。

第四章：简述了虚拟仪器平台的开发原理与开发需求，研究了使用虚拟仪器完成仪器控制的步骤，包括总线连接和LabVIEW平台下的仪器驱动编程。

第五章：基于LabVIEW平台完成了一套ESR测量程序，使实验能够高效运行。

第六章：使用Ba3MnSb2O9和Ca3ZnMnO6样品测试ESR实验系统，并对测量结果做出了简要分析。

日盲紫外探测器该实验系统实现了高精度的ESR测量，频率范围覆盖60-520GHz，温度低至2K 最高磁场为30T。此外还使用软件实现了远程温度监控。对于实验测量结果，开发了专用的数据处理程序。该实验系统工作稳定，自动化程度高，能够高效的完成ESR 测量任务。

关键词：脉冲强磁场电子自旋共振虚拟仪器LabVIEW控制软件

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Abstract

Electronic spin resonance(ESR),which is also called electronic paramagnetic resonance(EPR),is an effective method to study materials with unpaired electrons.For many years,ESR experiments are conducted at X band,mainly because the electromagnets used in that time can only produce the fields below1.5T.X band ESR have low spectral resolution.To detect subtle spectroscopic details,high-field high-frequency ESR measurements are needed.Based on the platform of the Wuhan National High Magnetic Field Center,we developed the high-field high-frequency ESR experiment system using LabVIEW.The experimental results demonstrated that the ESR experiment system can work successfully and efficiently.The thesis mainly contains following contents:

In chapter1,the background of developing high-field high-frequency ESR is overviewed.

In chapter2,we described the base structure of pulsed high magnetic field.

In chapter3,an ESR facility was developed based on the pulsed high magnetic field. Measurement methods of ESR spectrum and temperature were developed.

In chapter4,we introduced the characteristic of Virtual Instrument(VI),showed how instruments can be controlled with computer.

In chapter5,we designed the software used in the system based on LabVIEW,which made the system work more efficiently.

In chapter6,we tested the ESR experiment system with sample of Ba3MnSb2O9and Ca3ZnMnO6.

This ESR experiment system can achieve a frequency range of60-520GHz, temperature down to2K and magnetic fields up to30T.It uses software to do temperature control and data processing.It works efficiently in ESR measurement.

Keywords:Pulsed high magnetic field,ESR,VI,LabVIEW,controller software

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摘要................................................................................................................II 1绪论. (1)

1.1电子自旋共振（ESR）简介 (1)

1.2强磁场下ESR研究方向 (2)

1.3国内外强磁场ESR研究现状和发展趋势 (4)

1.4本论文研究内容 (4)

1.5本章小结 (5)

2强磁场实验环境的构成 (6)

2.1强磁场ESR总体结构 (6)

2.2具体实验条件的实现 (6)

2.3本章小结 (12)电子顺磁共振

3ESR实验系统设计 (13)

3.1ESR实验测试系统整体架构 (13)

3.2ESR测量杆 (13)

3.3微波源 (16)

3.4ESR信号探测 (20)

3.5温度检测 (22)

3.6抗干扰设计 (24)

3.7本章小结 (24)

4虚拟仪器开发环境 (25)

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4.1虚拟仪器简介 (25)

4.2功能需求 (26)

4.3虚拟仪器总线介绍 (26)

4.4LabVIEW简介 (28)

4.5LabVIEW仪器驱动 (29)

4.6VISA编程 (30)

4.7本章小结 (31)

5LabVIEW程序设计 (32)

5.1总体设计 (32)

毛竹片5.2数据采集系统 (33)

5.3温度监控系统 (35)

5.4数据处理系统 (39)

5.5本章小结 (41)

6ESR测量效果验证 (42)

6.1ESR波谱分析原理 (42)

6.2Ba3MnSb2O9的ESR测量 (43)

6.3Ca3ZnMnO6的ESR测量 (46)

6.4本章小结 (48)

全文总结 (49)

致谢 (50)

参考文献 (51)

附录攻读学位期间发表论文目录 (55)

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