高二物理竞赛电子回旋共振和DeHaas－VanAlphen效应课件.pptx

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1、电子回旋共振和电子回旋共振和De HaasVan Alphen效应效应电子回旋共振和电子回旋共振和De HaasVan Alphen效应效应1. 电子回旋共振电子回旋共振 将一晶片垂直置于磁场中，若沿磁场方向输入一频将一晶片垂直置于磁场中，若沿磁场方向输入一频率为率为 的交变电场，且的交变电场，且E B。Beh讯号讯号当当0时，电子回旋与电时，电子回旋与电场同步，电子吸收电场能场同步，电子吸收电场能量达到极大，这种现象称量达到极大，这种现象称为电子回旋共振。为电子回旋共振。习题：刘老师请假，收齐后直接给我。1. 补充部分的哪些材料的性质在课本中提到过？2. Simion软件的功能？3. 材料中

2、电子静止。入射的正电子在材料中逐渐损失能量而趋于静止，同周围的负电子发生湮灭而产生一对光子，试计算其能量。4. 简述PMT的工作原理。其特点与本课介绍的那种材料性质有关？5. 看懂48页右侧两张图，说明为什么HPD的性能优于PMT？6. 计算直径为20nm、60nm的金纳米粒子的质量，与测量值对比。 0 xzi k x k zneyyr 222201222zznkkEnmmk1. 自由电子准经典近似0eBm2.自由电子的量子理论0,eBm朗道能级3. 晶体中电子的有效质量近似 在有效质量近似的框架内，前面我们对自由电子的讨论可以推广到晶体中的电子，只需用电子的有效质量m*代替自由电子的质量m即

3、可。 一般半导体材料中，在导带底和价带顶附近常常可以采用有效质量近似。对有些金属材料（如碱金属）有时也可以采用。聚焦1. 晶体中电子在磁场中运动时，使用有效质量近似， 其哈密顿量为 212HeUm pAr212*Hem pA一些金属Hall系数的理论值与实验值LiNaKAlInRH实验（1024CGS）-1.89-2.619-4.946+1.136+1.774RH理论（1024CGS）-1.48-2.603-4.944-1.135-1.7802.m*1，其中，其中 是电子在相邻两次碰撞间的平均自由时间。是电子在相邻两次碰撞间的平均自由时间。 通常，实验都必须在极低温度（液通常，实验都必须在极低

4、温度（液He温度，温度，B-O近似近似）下，选用高纯的单晶样品，以提高下，选用高纯的单晶样品，以提高 值，同时加强磁场以提值，同时加强磁场以提高高 0 。近年来，利用红外激光。近年来，利用红外激光(波长长，难波长长，难)为交变讯号源，为交变讯号源，可以观测到非常清晰的共振线。可以观测到非常清晰的共振线。2. De HaasVan Alphen效应效应 我们将磁化率我们将磁化率 随磁场的倒数随磁场的倒数1/B作周期振荡的现象称为作周期振荡的现象称为De HaasVan Alphen效应。效应。 这种现象与金属费米面附近的电这种现象与金属费米面附近的电子在强磁场中的行为有关，因而与金子在强磁场中的

5、行为有关，因而与金属的费米面结构有密切关系，这些现属的费米面结构有密切关系，这些现象是研究金属费米面结构的有力工具。象是研究金属费米面结构的有力工具。通过测定通过测定De HaasDe HaasVan AlphenVan Alphen效应的效应的振荡周期，确定极值的面积，就可以振荡周期，确定极值的面积，就可以相当准确地勾画出费米面的形状。相当准确地勾画出费米面的形状。 金属的导电率、比热等物理量在金属的导电率、比热等物理量在低温强磁场中也有类似的振荡现象。低温强磁场中也有类似的振荡现象。铼晶体磁化率随磁场倒数1/B的变化本课件的内容来源与资料的整理，不是本课件的内容来源与资料的整理，不是本人的

6、研究成果。本人的研究成果。限于时间和篇幅，课件中不一一列出作限于时间和篇幅，课件中不一一列出作者的姓名。者的姓名。谨在此感谢原文的作者，感谢他们对知谨在此感谢原文的作者，感谢他们对知识传承的贡献。识传承的贡献。 电子光学即带电粒子物理学，是研究带电粒子在电场和磁场中运动的规律以及如何利用电场、磁场来控制带电粒子的运动，使之会聚成束、聚焦成像、偏转扫描的一门科学。电子光学系统在谱仪中承担着电子的加速、减速、聚焦、输运等作用1。 Simion是一种电子离子光学软件，能模拟2D和3D的静电场和静磁场及带电粒子在其中的运行轨迹。在精度1 mm3下Simion最大可以模拟8 km3的体积。它用交互的界面

7、来模拟各种各样的电子光学问题，即在确定好电极的形状后，可以随时地改变电极的电压值，来改变空间电磁场。利用此程序进行模拟的基本步骤参见文献2。 能量为3000eV的电子减速到5eV的模拟 电子光学及SIMION程序简介()FevB 1 华中一，顾昌鑫，电子光学，复旦大学出版社，1993 2 范岚岚，硕士论文，中国科学技术大学，2005。静电场用得多，磁场干扰其它光电设备磁屏蔽。电极电子/离子束入射电子轰击样品产生的物理信号扫描电镜构造示意图景深的依赖关系扫描电镜的景深大。景深F = d0 /c。 d0是分辨本领，c是电子束入射半角。扫描电镜和光学显微镜的景深(c=10-3rad)空气中的灰尘据美

8、国探索杂志报道，这张人造彩色的居室灰尘图片是在扫描电子显微镜下拍摄的，放大了115倍，从中可以清晰地看到各种过敏原的真实面目，包括猫的毛发、人造纤维、花粉甚至昆虫脱落的皮屑。美国疾病控制中心表示居室灰尘是铅的主要来源，并鼓励人们多清洗地板，用湿抹布擦洗家具等物件的表面，以保障健康生活。美国国家健康学会还发现灰尘中的细菌会引发哮喘。为研究居室灰尘的健康危害，美国政府以475美元的价格向研究人员出售10克灰尘样品。（尼特） (本文来源：网易探索 )爱护环境，维护平衡，保持草地、树木原生态。人只是生态链中的一环，肆意膨胀必适得其反。(1). 光电探测简介光电探测简介C）光电转换器种类光电转换器种类及

9、及应应用用波波段段 检测器种类检测器种类 检测器检测器 应用波段应用波段 早期检测器早期检测器 人眼人眼(Vis)，相板及照像胶片相板及照像胶片(UV-Vis) UV-Vis 硒光电池硒光电池（Photovoltaic cell, ,光伏管光伏管） 350-(500)max-750nm 真空光电管真空光电管（Vacuum phototube） 据光敏材料而定据光敏材料而定 光电倍增管光电倍增管（Photomultiplier tube） ibid 光电转换器光电转换器(photo transducer) 硅二极管硅二极管（Silicon diode） 190-1100nm 光二极管阵列光二极管

10、阵列（Photodiode array, PDA） 多通道转换器多通道转换器(Multichannel transducer) 电荷转移器件电荷转移器件Charge-transfer device, CTD： 电荷注入器件电荷注入器件( (Charge-injection device, CID) ) 电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD) 电导检测器电导检测器 电导检测器电导检测器（Photoconductivity）； UVUV- -V Vis 热电偶热电偶（Thermocouple） 辐射热计辐射热计（Bolometer） 热热检测器检测器(Th

11、ermal transducer) 热释电热释电（Pyroelectric transducer） IRIR 光辐射探测器分类光辐射探测器分类光光辐辐射射探探测测器器光光电电探探测测器器真真空空光光电电器器件件光电管光电管光电倍增管光电倍增管(PMT, GDB)真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强器像增强器固固体体光光电电器器件件光敏电阻光敏电阻光电池光电池(光伏器件光伏器件)光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电耦合器光电耦合器位置传感器（位置传感器（PSD）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）热探测器热探测器热电偶和热电堆热电偶和热电堆测热辐射计测热辐射计热释电探测器热释电探测器

12、(2).光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管工作原理图K光阴极 F聚焦极 D1D10倍增极(也称打拿极dynatron) A阳极 RL光电倍增管负载电阻 Cs电压放大器输入电容 入射光光阴极 第二倍增极光电子二次电子阳极第一倍增极电子收集a. 结构(b)eee入射窗D1 D2(c)光电倍增管的电压分压器结构PMT0500001000200030004000O utput Pul se H ei ght (ch)Frequency (counts/ch)1p1pe e*光电倍增管光阴极的光谱响应b.原理 光电倍增管是探测紫外辐射、可见光和近红外辐射的一种电真空器件。它将接收到的光辐射变成电子流，

13、然后经倍增放大，输出一个较大的电信号。执行光电变换的部分是光电阴极，简称光阴极。进行倍增放大的部分是倍增系统。倍增系统通常由几个到十几个倍增极和一个阳极组成。倍增极有时也称为打拿极，或二次发射极。当光辐射入射到光阴极上时，光阴极吸收光子以后发射出一些光电子。这些电子打到第一倍增极上，从那里激发出几倍于入射电子数目的二次电子，完成一次倍增。这些二次电子进一步打到第二倍增极上，产生更多的二次电子，完成二次倍增。这样，经过多次倍增以后，电子数目可增加108倍。最后，倍增后的电子流由阳极收集，从阳极输出的电信号由后续仪器观察或记录。 基于这种倍增作用，光电倍增管在微光探测领域占有极其重要的地位。即使在

14、阴暗的朔日夜晚，四周一片漆黑，伸手不见五指，但是在光电倍增管“看”来，仍然是“亮”得很。这时，每秒钟大约有106个光子落到一个直径为5lmm管子的光阴极上。如果把亮度再减弱到几百万分之一，光电倍增管仍然能探测到。光电倍增管是一种灵敏度极高的光探测器。* 窗材料：光阴极的短波截止特性取决于窗材料的透过率。光电倍增管常用的窗材料透过率如图所示。 * 光阴极：光阴极按其工作方式可以分为不透明的和半透明的两种。不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，光电子从同一面发射出来。不透明阴极又称为反射式阴扳。半透明阴极通常制作在透明介质(即窗玻璃)上。光通过窗玻璃，入射到光阴极上，光电子从阴极的另一边发射出来。半

15、透明阴极又称为透射式阴极。由于光电子的逸出深度是有限的，因此，所有半透明光阴极都有一个最佳厚度。如果阴极大厚，很多光子被吸收在离真空界面太远的地方，不能产生光电发射；如果阴极太薄，大部分入射光透射损失掉，量子效率也很低。最佳厚度与阴极类型和入射光波长有关。 下表给出了一些常用的光阴极化学组成、及“S”制命名、代号。* 打拿极： 当足够能量的电子轰击电极表面时，就有一定数目的电子从电极表面发射出来。我们称入射的电子为一次电子，发射电子为二次电子。相应地，该电极和电极表面材料分别称为二次发射极和二次发射体，二者构成打拿极。二次发射系数定义为发射的二次电子数Ns和入射的一次电子数Nc之比， = Ns

16、/ Nc 常用碱锑化合物(Cs，Sb、K：C sSb、Na nKSb：Cs和RbCs一5b)作为二次发射体。右图表示了一些常用的二次发射体的二次发射特性。一次电子能量/eV一些常用的二次发射体的二次发射特性二次电子发射系数* 阳极: 阳极的基本功能是收集来自最后一个倍增极(即打拿极)的二次电子。最简单而又最常用的阳极是栅状阳极。栅状阳极平行地放置在最后一个倍增极(简称末极)前。来自最后第二个倍增极(简称末前极)的电子打到平板形末极上。末极产生的二次电子为阳极所接收。栅状阳极一次电子轨迹二次电子末极末前极(3). 性能指标a. 光阴极的量子效率光电转换效率 ，一定波长下，=发射光电子数/入射光子

17、数。b. 光阴极的灵敏度Skik/F，ik光阴极产生的光电流（微安），F入射光通量（流明）。c. 倍增系数M，M是光电倍增管阳极输出电流与阴极光电流之比，是表征倍增系统特性的一个量，一般在104108，与每个倍增极的倍增系数和倍增极的级数n有关。设是倍增极的平均倍增系数，近似有M= n。 1个光子可产生106108个电子.d. 阳极光照灵敏度SAiA/F，iA阳极电流（安）。e. 暗电流和本底脉冲当光电倍增管无光照时，阳极产生的电流是暗电流，相应的脉冲即本底脉冲，它造成多道分析器的虚假计数。f. 电子渡越时间-光电子由光阴极渡越到阳极的时间越短，时间特性越好。g. 光谱响应灵敏度与波长之间的关系.PMT0500001000200030004000O utput Pul se H ei ght (ch)Frequency (counts/ch)1p1pe e