ESR谱仪是观测电子自旋共振现象的仪器，它主要由磁铁系统、微波源系统、谐振腔和信号检测系统等部分组成。ESR谱仪的基本结构如图86.15所示。
图86.15 ESR谱仪的基本结构
(1)磁铁系统
一般由电磁铁、磁铁电源和磁场控制器组成。谐振腔内必须提供绝对均匀的磁场，且磁场是稳定和连续可调的。磁场控制器控制磁铁电源的输出电流调节电磁铁的磁场强度，在感兴趣的磁场范围内恒定地扫描磁场强度。
电磁铁是用软磁性材料(纯铁、铁硅合金、铁镍合金等)作为铁芯，在通电的激励线圈作用下产生磁场，其磁场强度的大小可随激励线圈中的电流变化而改变。磁铁电源的作用是把电网的交流电经整流、滤波、稳压和稳流后作为直流电源供给电磁铁。
(2)微波系统
由微波源、波导、衰减器、调配器、隔离器和自动频率控制系统组成。
在ESR谱仪中，常用的微波源是反射速调管或Gunn二极管振荡器。一般速调管的输出功率约为20～500mW，常用的是200mW。波导是用金属制成矩形或圆形的管子，内部光滑并进行镀金，当电磁波频率在3GHz以上时，常用波导管来传输电磁波。衰减器用来衰减输出的微波功率，由于波导管内各处微波电场强弱不同，因而改变衰减片在波导中所处的位置，可得到不同的衰减量。调配器的作用是使波导中传输的微波达到匹配，在微波传输过程中，遇到不均匀或不连续性就要引起传输电磁波的反射，为了克服电磁波传输中已存在的反射，在传输线中人为地加入某个不均匀或不连续因素，使其产生的反射与存在的反射大小相等，相位相反，达到匹配的目的。隔离器是用铁氧体材料制成的微波器件，铁氧体是由铁的氧化物和其他二价金属氧化物混合烧制而成的磁性材料，在使用时对隔离器的要求是正向传输的电磁波衰减越小越好，反射的电磁波衰减越大越好，这样可以降低反射的微波对微波源的影响，使微波源工作稳定。自动频率控制系统控制微波频率不发生变化，它是将振荡器的频率与另一标准频率比较，当发现两者存在偏差时自动控制系统就会自动地减小这种偏差，使震荡的频率始终稳定在标准频率上。
(3)谐振腔
谐振腔是ESR谱仪的核心部件。被测样品置于谐振腔内，谐振腔能把微波能量集中于腔中的样品处，并使其在外磁场作用下产生共振吸收。
谐振腔是由一段两端用金属片封闭的矩形或圆形波导构成，封闭片上开一小孔，微波通过此耦合孔传输。在谐振腔内，电磁波在短路端反射形成驻波，所以谐振腔相当于一个放大器，能在腔内建立高功率密度的微波场。
(4)信号检测系统
检测系统主要部件是检波器，ESR谱仪的检波器大多采用微波晶体二极管，它能把反射出来的微波能量转换成直流，共振吸收就是以检波电流的变化来表现的。由于检波器输出的直流电流非常小，必须经过多级放大。对于直流信号放大而言，信噪比是一个致命的弱点。因此一般的ESR谱仪都装有中频调制系统，常用的调制频率是100kHz，在谐振腔内加装一个100kHz的线圈，在慢速扫描的主磁场上叠加一个中频调制磁场，这样，检波器输出的信号就不再是一个直流而是一个振幅被调制的100kHz中频电流，通过中频放大器放大，就可使信噪比大大提高。
ESR谱仪是高技术产品，目前国内还不能生产。国内许多大学和科研所都引进了ESR谱仪，主要有3种:日本电子公司(JEOL)、德国BRUKER公司和美国VARIAN公司。