Elektronenspinresonanz

Grundlagen:
Auch die Elektronen in einem Atom besitzen wie die >Kerne, NMR< eine magnetische Eigenschaft die als Spinimpuls bezeichnet wird. Dieser Spinimpuls kann durch äußere Magnetfelder beeinflusst werden. Allerdings ist hier die Präzessionsfrequenz wegen der viel kleineren Masse der Elektronen deutlich höher.
Da es hier nur um die experimentelle Umsetzung geht wird nicht auf den theoretischen Hintergrund eingegangen,, dazu gibt's genug im Netz.

So gleich der experimentelle Aufbau dem bei NMR-Messungen. Zur Erzeugung des statischen Feldes wurde ein >Elektromagnet< verwendet.

Will man nur das Prinzip zeigen kann man mit relativ niedrigen Feldern und Frequenzen arbeiten. Das setzt aber eine Probe voraus die einen großen Effekt zeigt. Das Material der Wahl ist DPPH, 2,2-Diphenyl-1-Picrylhydrazyl, das auch für den Versuch von Lehrmittelshops eingesetzt wird. Leider ist DPPH, obwohl nicht besonders gefährlich, für Privatleute kaum zu bekommen.
Aber findige >Experimentatoren< haben da einen Ausweg gefunden. Ebenfalls starke Effekte zeigt der Complex TTF-TCNQ. Dieses Material wurde in besonderen Elkos, sogenannte OS-CONs, des Herstellers Sanoy eingesetzt. Solche Elkos sind immer noch zu bekommen und das Proben-Material, ein schwarzes Pulver, kann daraus gewonnen werden.

Zwischen den Polschuhen sitzt ein Plexiglasring als Träger für die Modulationsspulen (80Wdg) und das Probenröhrchen in der Schwinkreisspule. Unter dem Probenröhrchen ist ein Magnetfeldsensor befetigt. Der Oszillator, >Schaltplan<, zur Anregung des Schwingkreises und Messung der Dämpfung durch die Resonanz der Probe ist mit einer kurzen Semirigidleitung verbunden.

Der Oszillator schwingt bei 150MHz und somit sollte die Resonanz der Elektronen bei einem Feld von etwa 5mT zu finden sein. Allerdings ist auch das Signal beim TTF-TCNQ Komplex ziemlich klein deshalb wurde bei der Messung das Lockin-Verfahren angewendet. Das Feld der Magnetspule wird durch das Feld der Modulationsspule mit einer Frequenz von 1 KHz moduliert. Deswegen ist auch das Ausgangssignal des Oszillators der die Dämpfung des Probenschwingkreis durch den ESR-Effekt misst mit 1kHz moduliert und kann mit dem >Lockin-Verstärker<
gemessen werden. Die Messwerte werden mit einem ADC digitalisiert und an den Messrechner übertragen. Der Messrechner steuert über einen DAC auch den Strom durch die Magnetspule.
Das Ergebniss der Messungen sind links im Bild zu sehen. Aufgrund der Modulation wird die 1. Ableitung der Resonanzkurve gemessen.

Wie schon oben erwähnt sollte der Effekt und auch die Auflösung mit steigender Frequenz deutlich besser werden. Kommerzielle Geräte arbeiten deshalb im Mikrowellenbereich, im X-Band bei 10GHz oder im K-Band bei 24GHz.
Für Messungen im X-Band was amateurmäßig gut möglich sein sollte wird ein statisches Feld von über 300mT benötigt. Mit dem verwendeten Elektromagneten können solche Felder durch Einlegen von NdFeB-Scheiben leicht erreicht werden.
Rechts ein Bild des Aufbaus. Auf die mit eine Epoxidplatte abgedeckte NdFeB-Scheibe wurde die Modulationsspule gewickelt. Sie hat 100 Windungen und generiert ein Feld von 1mT bei einer angelegten Spannung von einem Volt.
Auch im Mikrowellenbereich ist es am einfachsten einen "marginal Oscillator" zu verwenden. So spart man Bauteile wie Zirkulatoren, Mikrowellengleichrichter u.s.w. Am einfachsten baut man einen solchen Oszillator mit einer Gunn-Diode auf. Dieses, etwas veraltete Bauelement ist mit etwas Glück noch bei Ebay und auf Flohmärkten erhältlich.


Der H102 Resonator ist aus einem Stück R100 Hohlleiter aufgebaut. Die Probe befindet sich im Bauch des Magnetfelds. Die Gunndiode stammt aus einem russischen Bewegungsmelder. Das Gebilde schwingt mit einer Bias von 9V, 200mA bei 10,16 GHz., mit eingeführtem leeren Proberohr sinkt die Frequenz auf 10,06 GHz. Die Dämpfung der Cavity durch die resonante Probe verändert im geringen Maße den Arbeitspunkt des Gunnozillators. Die mit 1kHz modulierte Änderung wird mit einem Trafo ausgekoppelt und mit einem Lockin-Verstärker gemessen. Kritisch ist die Einstellung der Vorspannung des Gunnelements. Wird sie aber einmal gefunden bleibt sie auch stabil.


		Mit einer guten Einstellung können die Resonanzsignale auch ohne Mittelung in einem Sweep gemessen werden. Auch das Signal einer Kupfersulfat-Hydrat Probe ist einwandfrei zu messen.