采用复合磁体双磁体对的X波段EPR技术

《Journal of Magnetic Resonance》：X-band EPR with bilateral twins of composite magnets

　　野村雄介|武田和之
日本京都府京都市左京区北白川追分町，606-8502
科学研究生院化学系

摘要
我们报道了一种采用四块永久磁铁的场可变磁体系统，为紧凑型EPR系统增添了新的设计方案。其中两块磁铁会自动相互吸引形成复合磁体，另外两块则组成另一对复合磁体，这两对复合磁体相对放置，从而在中间形成磁场强度可变的区域。通过精确且可重复的电机控制，可调节这两对磁体之间的距离，使磁场强度在450 mT的范围内变化，所用磁铁为尺寸为20×20×20毫米的钐钴磁铁。该磁体系统无需使用粘性粘合剂，易于拆卸和重新组装。由于两对磁体之间存在排斥力，因此操作安全，无需担心碰撞事故。我们使用自制的带有介质谐振器的探针，利用该磁体系统进行了X波段的EPR测量，并探讨了磁场不均匀性带来的影响。

引言
电子顺磁共振（EPR）的应用领域十分广泛，涵盖结构生物学[1]、[2]、材料科学[3]、地球科学[4]、辐射剂量测定[5]、[6]、[7]、化石年代测定[6]、[8]、[9]、[10]、[11]、食品科学[12]、[13]，以及动态核极化技术[DNP][14]。一些研究人员能够充分利用性能稳定的商用EPR系统，这些系统具有可靠性高、操作界面友好等优点；而另一些研究人员则因种种原因无法使用最先进的设备。此外，对于某些特殊应用而言，商用系统可能体积过大、重量过重，且结构过于复杂，难以进行定制或改造。这时，各种紧凑型、经济实惠的自制EPR系统便派上了用场，它们相互补充，激发出了许多意想不到但极具创意的使用方式，进而推动创新。因此，任何试图创造不同类型的EPR装置并增加其多样性的尝试都值得肯定。

迄今为止，已有多种将永久磁铁组合起来的方法被证明可用于场扫描式EPR实验。这些方法包括可调节间隙的圆柱形磁铁对[15]、[16]、带有固定间隙的永久磁铁与可移动磁轭的组合[6]、[17]，以及可通过旋转来改变整体磁场构成的哈尔巴赫磁阵列嵌套环[18]、[19]、[20]。在本研究中，我们介绍另一种专为X波段EPR设计的磁体系统。如图1(a)所示，该系统的磁场由一对对称放置的立方形永久磁铁提供。每半部分由类似单侧NMR[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]以及NMR-MOUSE[27]、[28]、[29]中所使用的永久磁铁组成，另一半则是其镜像结构。通过调节这对复合磁体之间的间隙d，即可改变中间区域的磁场强度。

这种复合磁体对的优势在于无需粘合剂即可组装，操作安全，且易于拆卸以便将磁铁用于其他用途。每对磁体由两块极性相反的立方形永久磁铁并排组成。当它们以适当方式放置时，磁铁会相互吸引并自动结合，而当磁场在中间叠加时，它们则会相互排斥，如图1(b)(c)所示。与磁铁极性直接相对的设计相比，这种配置更加安全可靠，因为在后者中，磁铁之间的吸引力会很大，调整磁极间隙时必须格外小心以避免碰撞。而在当前设计中，只需轻轻将两块磁体向内推，利用它们的排斥力即可增强磁场；松开手后，它们又会自行分离，磁场强度随之降低。每对磁铁的外侧可以用磁轭板覆盖，这些磁轭板也能产生磁性，从而限制磁场向外扩散。图1(d)(e)(f)显示了在间隙d与磁铁边长L的比值为d/L=2/5时，两块磁体中间区域的磁场分布情况。此处选择该比例是基于我们所使用的磁铁边长L为20毫米，以及由此产生的间隙d约为16毫米，此时对应的EPR信号强度g约为2。

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磁体
我们使用了四块边长为20毫米的立方形钐钴磁铁（Neomag）来构建该系统。与钕磁铁相比，我们更倾向于使用钐钴磁铁，因为后者的磁场受温度变化的影响较小。我们采用了光学实验中常用的笼状结构，该结构由精制而成的非磁性棒材和板材构成（见图2）。经测试，长度为60毫米的笼状部件（Thorlabs品牌）非常适合我们使用的20毫米立方形磁铁。

结果与讨论
在EPR测量过程中，微波场垂直于主磁场B0，调制场沿B0方向，分别由冈恩二极管振荡器和标准函数发生器产生，这两种场持续施加，同时通过同步驱动两个电机逐步改变B0的值，从而使间隙d呈对称变化。每次步进会使间隙d增加0.875微米，这一数值是我们根据1600步/完整旋转周期、螺纹螺距为0.7毫米计算得出的。磁场扫描的速度为……

作者贡献说明
野村雄介：可视化、软件开发、实验研究、数据整理。
武田和之：论文撰写与编辑、原始稿撰写、项目监督、软件开发、项目管理、实验研究、资金筹措、概念设计。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了日本文部科学省“量子飞跃旗舰计划”（MEXT Q-LEAP，项目编号JPMXS0120330644）的支持。