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Vorrichtung zur Verstärkung, Erzeugung oder Frequenzumwandlung eines Mikrowellensignals
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verstärkung, Erzeugung oder Frequenzumwandlung eines Mikrowellensignals durch angeregte Strahlungsemission, bei der ein Zustand mit negativer Temperaturverteilung der Besetzung mindestens zweier Energieniveaus in einem Medium mit mehreren Energieniveaus erzeugt wird und ein Mikrowellenbetriebssignal dem Medium zugeführt und von ihm abgeleitet wird, das die negative Temperaturverteilung benutzt. Sie bezieht sich weiter auf die Anwendung einer solchen Vorrichtung bei einem Empfangsgerät.
Vorrichtungen, bei denen angeregte Strahlungsemission zur Verstärkung benutzt wird, werden heutzutage in der angloamerikanischen Literatur allgemein als"MASER"bezeichnet, ein Kurzwort, das aus den Anfangsbuchstaben von "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" gebildet ist.
Dieses Verstärkungsverfahren gründet sich auf das Vorhandensein diskreter Energieniveaus in einem Medium. Im Normalzustand gehorcht die Besetzung der Energieniveaus in einem Medium dem Boltzmannschen Verteilungsgesetz, gemäss dem in einem System in Gleichgewichtslage die höheren Energieniveaus
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trifft, ergibt sich ein Austausch zwischen den Besetzungen dieser Niveaus. Ein gewisser Teil der Besetzung des niedrigeren Energieniveaus absorbiert Strahlung und wird infolgedessen in das höhere Energieniveau übertragen. Ein gleicher Teil der Besetzung des höheren Niveaus wird zur Strahlungsemission angeregt und fällt infolgedessen auf das niedrigere Energieniveau herab. Wenn nun. wie dies im Normalzustand der Fall ist, die Besetzung des niedrigeren Niveaus die grössere ist, ergibt sich im Ganzen eine Absorption von Energie.
Wenn jedoch in einem Medium eine bestimmte Zeit lang ein höheres Energieniveau dichter besetzt ist als ein niedrigeres Energieniveau, kann im Ganzen Strahlungsemission auftreten : ein eintreffendes HF-Signal mit einer Frequenz, die der Energiedifferenz dieser Energieniveaus entspricht, bewirkt während dieser Zeit eine die Absorption übersteigende Emission von Strahlung dieser Frequenz, wodurch sich Verstärkung des HF-Signals ergibt. Dies ist der Gedanke, der der Wirkungsweise eines Masers zu Grunde liegt.
Für einen Maser ist somit das Vorhandensein eines Mediums erforderlich, in dem die Besetzung eines hohen Energieniveaus grösser ist als diejenige eines niedrigen Energieniveaus. Eine solche Verteilung der Besetzung auf die Energieniveaus ist jedoch nicht im thermischen Gleichgewicht. Ein Medium, das sich in einer solchen Weise nicht im thermischen Gleichgewicht befindet, dass die Besetzung eines hohen Energieniveaus grösser ist als diejenige eines niedrigeren Energieniveaus, wird nachstehend einfachheitshalber als "Medium mit negativer Temperatur-Verteilung der Besetzung" bezeichnet.
Es ist kennzeichnend für Maser, dass sie im Idealfall eine Rauschzahl besitzen, die erheblich niedriger als diejenige anderer bekannter Arten von Mikrowellenverstärkern ist. Eine solche niedrigere Rauschzahl kann zum Erzielen einer erheblich höheren Empfindlichkeit des Verstärkers benutzt werden.
Bevor die vorliegende Erfindung näher erläutert wird, wird zunächst der Stand der Technik des Masers kurz näher erörtert.
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in denen zuvor eine negative Temperaturverteilung der Besetzung hergestellt ist. Zum Erzielen eines
Systems mit der gewünschten negativen Temperaturverteilung der Besetzung wird vorgeschlagen, ein ma- gnetisches Feld auf ein Gebilde von Gasmolekülen oder Kernen eines Kristallgitters, die ein magnetisches
Dipolmoment aufweisen, einwirken zu lassen. Es ergibt sich dann eine Gleichgewichtsverteilung bei den
Spins, bei der Zustände höherer Energie, die parallelgerichteten Spins entsprechen, und Zustände niedri- gerer Energie vorhanden sind, die antiparallelgerichteten Spins entsprechen.
Unter diesen Umständen hat ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz, die gemäss dem Planckschen Gesetz der Energiedifferenz zwi- schen dem höheren und dem niedrigeren Energiezustand entspricht, die Neigung, vom Medium absorbiert zu werden. Wenn dann die Richtung des Magnetfeldes in einer Zeit umgekehrt wird, die kurz ist im Ver- gleich zur Zeit, welche die Spins zur Neueinstellung brauchen, sind somit, bis das neue Gleichgewicht sich eingestellt hat, mehr Spinzustände hoher Energie als Spinzustände niedriger Energie besetzt, so dass während dieser kurzen Zeit Verstärkung des Mikrowellensignals möglich ist. Es hat sich jedoch bisher als schwierig erwiesen, einen Maser zu bauen, der in dieser Weise wirkt. Die erforderliche rasche Richtungs- umkehrung des angelegten Magnetfeldes bringt grosse praktische Schwierigkeiten mit sich.
Ausserdem ist ein Maser dieser Art naturgemäss wenig geeignet zur Verstärkung eines kontinuierlichen Mikrowellen- signals, weil er inhärent die Eigenschaft aufweist, dass er nur während eines beschränkten Teiles einer vollständigen Betriebsperiode effektiv verstärken kann.
Als zweite Möglichkeit wird in dem erwähnten Aufsatz vorgeschlagen, die erwünschte negative Tem- peraturverteilung der Besetzung dadurch herzustellen, dass ein Strom von Ammoniakgas durch ein Gebiet hindurchgeführt wird, in dem ein elektrisches Feld vorgesehen ist, in dem der bekannte Stark-Effekt li- near ist, und das in diesem Gebiet eine plötzliche Richtungsumkehrung aufweist. Während der Zeit, in der die Ammoniakmoleküle das Gebiet mit Feldumkehrung durchwandern, könnten sie eine Änderung in der Rotationsenergie erfahren, was zu einer negativen Temperaturverteilung der Besetzung auf die Rota- tionsenergiezustände führen könnte.
In einem Aufsatz mit dem Titel "The maser-new type of microwave amplifier, frequency standard, and spectrometer" in Physical Review, 99,1264 (1955) ist ein anderer bereits bekannter Typ eines Masers beschrieben. Bei diesem Typ wird ein Strom von Ammoniakmolekülen durch ein Gebiet hindurchgeleitet, in dem ein nicht-gleichmässiges elektrostatisches Feld angelegt ist, um vorwiegend nur die Moleküle, die sich im Zustand hoher Energie befinden, zu selektieren und einem Hohlraumresonator zuzuführen. In dem
Hohlraumresonator ergibt sich infolgedessen ein gasförmiges Medium, in dem die Anzahl der Moleküle in hohem Energiezustand die Anzahl derjenigen in niedrigem Energiezustand übersteigt. Dieses Medium hat also eine negative Temperaturverteilung der Besetzung.
Dadurch, dass dann ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz, die der Energiedifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Energiezustand ent- spricht, in den Hohlraumresonator eingeführt wird, ergibt sich Verstärkung des Mikrowellensignals.
In einem Aufsatz unter der Überschrift "Possible methods of obtaining active molecules for a mole-
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(Februar 1955) wird bei der Erörterung eines Oscillators, der den vorstehend beschriebenen Masertyp verwendet, vorgeschlagen, dass ein Molekülstrom, in dem die Anzahl der Moleküle in hohem Energiezu- stand grösser als die Anzahl derjenigen in niedrigem Energiezustand ist, dadurch erhalten werden könnte, dass der Molekülstrom vorher Hochfrequenzfeldern ausgesetzt wird, die Übergänge zwischen zwei Energieniveaus, die ein zwischenliegendes Energieniveau einschliessen, bewirken.
Infolgedessen übersteigt im Sättigungszustand entweder die Anzahl der Moleküle im höchsten der drei Energieniveaus die Anzahl der Moleküle im zwischenliegenden Energieniveau oder übersteigt die Anzahl der Moleküle im zwischenliegenden Energieniveau die Anzahl derjenigen im niedrigsten Energieniveau. In beiden Fällen wird im Molekülstrom die erwünschte negative Temperaturverteilung der Besetzung der Energieniveaus herbeigeführt und diese kann dazu benutzt werden, um Strahlungsemission bei einer Frequenz zu erzielen, die der Energiedifferenz zwischen den beiden in Betracht kommenden Energieniveaus entspricht.
Ein anderer bekannter Masertyp ist in den Comptes Rendues 242,2451 (1956) beschrieben worden.
Bei diesem Typ wird ein Siliziumkristall, der mit Phosphor aktiviert ist, in einem Hohlraumresonator angeordnet und dann einem Magnetfeld ausgesetzt. das bestrebt ist, die magnetischen Spinmomente der zusätzlich anPhosphorniveaus gebundenen Elektronen parallel zu sich auszurichten. Die Stärke des angelegten Magnetfeldes wird nunmehr so geändert, dass es den Wert durchschreitet, der der Elektronenspinresonanzlinie entspricht.
Dies wird in einer Weise durchgeführt, die der Technik des adiabatischen raschen
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Übergangs ähnlich ist, die bei den bekannten Versuchen mit magnetischen Kernresonanzen verwandt wird.
Hiedurch ergibt sich eine Umkehrung hoher und niedriger Spinniveaus, wodurch im Medium die erwünsch- te negative Temperaturverteilung der Besetzung erzeugt wird, die dann zur Verstärkung eines eintreffen- den Mikrowellensignals mit geeigneter Frequenz Anwendung finden kann. Bei dieser Technik tritt der Effekt der negativen Temperaturverteilung der Besetzung diskontinuierlich auf, er besteht nämlich nur während der Relaxationszeit der Spins. Danach ist zum Erzielen einer negativen Temperaturverteilung erneut eine Umkehrung erforderlich.
Es ist wichtig, ein System zu benutzen, bei dem die Spin-Gitterre- laxationszeit gross ist, so dass der Nutzteil einer Betriebsperiode gross ist. Hiedurch wird die Wahl der Materialien, die Anwendung finden können, stark beschränkt, insbesondere weil eine Verlängerung der Relaxationszeit üblicherweise nur auf Kosten der Anzahl der Elektronen im Kristall erhalten werden kann, die zur negativen Temperaturverteilung der Besetzung beitragen. Weiterhin ist die Verstärkung eines kontinuierlichen Signals sehr kompliziert infolge des intermittierenden Charakters des Negativ-Temperatureffektes, der diesem Typ eigen ist.
Weitere Verfahren zum Erzielen einer negativen Temperaturverteilung der Besetzung in einem Medium sind in der USA-Patentschrift Nr. 2, 762,871 beschrieben worden, die am 11. September 1956 ausgegeben ist. Bei einer der in dieser Patentschrift beschriebenen Anordnungen ist ein paramagnetischer fester Stoff in einem Magnetfeld angeordnet, dessen Stärke so gewählt ist, dass im Material bei einer gewünschen Frequenz Resonanz auftritt. Ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz, die gleich der Resonanzfrequenz ist, wird dem Material zugeführt, um die Besetzungsverteilung auf die zwei Energiezustände, die der gewählten Resonanzfrequenz entsprechen, auf bekannte Weise umzukehren.
Das Medium wird zu diesem Zweck auf negative Temperatur gebracht und auf diese Weise in einen Zustand versetzt, der sich zur Verstärkung eines eintreffenden Mikrowellensignals der erwähnten Resonanzfrequenz während der Relaxationszeit des umgekehrten Systems eignet. Um die Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich bei dieser Anordnung aus der Tatsache ergeben, dass die Frequenz des die Umkehrung bewirkenden Signals derjenigen des vom Medium zu verstärkenden Signals gleich sein soll, wird ein weiterer Typ vorgeschlagen, bei dem das Medium ein Gas ist, das sich in einem abgeschlossenen Raum befindet, in dem ferner eine Stark-Elektrode vorgesehen ist. Bei dieser Vorrichtung ist es mit Hilfe des Stark-Effektes möglich, eine Frequenzdifferenz zwischen dem die Umkehrung bewirkenden Mikrowellensignal und dem zu verstärkenden Signal herbeizuführen.
Bei einer Vorrichtung von diesem Typ, die den Stark-Effekt benutzt, der bei einem in einem abgeschlossenen Raum befindlichen Gas auftritt, ist Dauerbetrieb möglich, wobei Energie einer bestimmten Frequenz kontinuierlich zugeführt wird, um das Gas auf negativer Temperatur zu halten, während das eintreffende Signal mit einer andern Frequenz kontinuierlich zugeführt wird, um zur Verstärkung die Strahlungsemission anzuregen.
Aus der vorhergehenden Erörterung des Standes der Technik geht hervor, dass die einzigen bisher vorgeschlagenen Masers, die inhärent kontinuierlich betrieben werden können, ein strömendes oder abgeschlossenes Gas als Medium mit negativer Temperaturverteilung der Besetzung benutzen. Ausser der komplizierten Struktur einer solchen ein Gas benutzenden Vorrichtung kann nachgewiesen werden, dass mit einem festen Stoff als Medium mit negativer Temperaturverteilung der Besetzung eine erheblich niedrigere Rauschzahl erzielbar ist als mit einem ein Gas verwendenden Maser, u. zw. vorwiegend, weil bei Anwendung eines festen Stoffes bei einer niedrigeren Betriebstemperatur gearbeitet werden kann.
Die Erfindung bezweckt denn auch zunächst, einen Feststoffmaser zu schaffen, der inhärent zu kon- tinuierlichem Betrieb imstande ist. Weitere beabsichtigte Vorteile sind : ein verhältnismässig breiter brauchbarer Frequenzbereich, eine einfache Möglichkeit zur Abstimmung auf den erwünschten Frequenzbereich, die Möglichkeit der Verarbeitung verhältnismässig grosser Leistungen und ein inhärent niedriger Rauschpegel. All diese Vorteile sind mit einem Maser gemäss der Erfindung erzielbar.
Gemäss der Erfindung ist das Medium ein fester Stoff mit einem Mehrfachenergieniveausystem von wenigstens drei Energieniveaus. Dieses Energieniveausystem kann beispielsweise von im festen Stoff eingebauten Störzentren, sowie aktiven Verunreinigungen oder Fehlstellen des Kristalls herrühren. Ferner drückt bei dem Maser gemäss der Erfindung wenigstens eine Mikrowellenenergiequelle wenigstens ein Hilfssignal dem festen Stoff auf, wobei im festen Stoff Übergänge von einem niedrigeren Energieniveau zu einem nichtangrenzenden höheren Energieniveau bewirkt und dabei im festen Stoff eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines zwischen diesen beiden primären Energieniveaus liegenden Energieniveaus und eines weiteren Energieniveaus herbeiführt,
während das Mikrowellenbetriebssignal durch Herbeiführung von Übergängen zwischen den letzterwähnten sekundären Energieniveaus die negative Temperaturverteilung der Besetzung des sekundären Niveaus benutzt.
Die Energiedifferenzen zwischen den betreffenden Energieniveaus werden entsprechend den zur Ver-
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wendung erwünschten Frequenzbereichen gewählt. Gemäss dem Planckschen Gesetz entspricht die Fre- quenz des Hilfssignals der Energiedifferenz zwischen den beiden primären Energieniveaus, während die
Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen den beiden sekundären Energieniveaus ent- spricht..
Bei einer Vorrichtung gemäss der Erfindung, bei der der feste Stoff ein Mehrfachenergieniveausystem aufweist, in dem die Energiedifferenz zwischen den beiden primären Energieniveaus sich von derjenigen zwischen den beiden sekundären Energieniveaus unterscheidet, während die Frequenzen des Hilfssignals und des Betriebssignals sich entsprechend voneinander unterscheiden, ist auf einfache Weise mit bekannten Filterelementen eine Trennung des Hilfssignals vom Betriebssignal möglich. Im allgemeinen bewirkt das Hilfssignal eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines zwischen den beiden primären Energieniveaus liegenden Zwischenenergieniveaus und eines der beiden sekundären Energieniveaus.
Es ist jedoch auch möglich, dass das Hilfssignal eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung zweier zwischen den beiden primären Energieniveaus liegenden Zwischenenergieniveaus bewirkt. Dadurch, dass die Frequenz des Betriebssignals entsprechend der Energiedifferenz zweier solcher Energieniveaus gewählt wird, zwischen denen eine negative Temperaturverteilung der Besetzung herrscht, kann diese beispielsweise zur Verstärkung benutzt werden. In diesen Fällen umfasst das dem Hilfssignal entsprechende Energieintervall das dem Betriebssignal entsprechende Energieintervall, so dass in diesen Fällen die Frequenz des Hilfssignals stets grösser als die Frequenz des Betriebssignals ist.
Bei einer vorteilhaften Vorrichtung gemäss der Erfindung weist das Mehrfachenergieniveausystem mindestens vier Energieniveaus auf, wobei wenigstens eine Mikrowellenenergiequelle zum Zuführen wenigstens zweier Hilfssignale vorgesehen ist. Mindestens eines dieser Hilfssignale bewirkt dabei Übergänge über ein Energieintervall, das von zwei nicht aneinander angrenzenden Energieniveaus gebildet wird, während wenigstens ein weiteres Hilfssignal Übergänge über ein zweites, an das primäre Energieintervall angrenzendes Energieintervall zwischen zwei Energieniveaus bewirkt. Die Hilfssignale erzeugen eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des primären Energieintervalles liegenden Zwischenenergieniveaus und eines ausserhalb des primären Energieintervalles liegenden Energieniveaus.
Ein Mikrowellenbetriebssignal benutzt dabei durch die Herstellung von Übergängen zwischen diesen zwei Energieniveaus deren negative Temperaturverteilung der Besetzung. Bevorzugte Ausführungformen eines solchen Masers gemäss der Erfindung mit mehrfachen Übergängen sind beispielsweise die, bei denen das primäre Intervall niedriger als das zweite angrenzende Energieintervall liegt, während die Hilfssignale eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des primären Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveaus und des höchsten Energieniveaus des zweiten angrenzenden Energieintervalles bewirken, und auch die, bei denen das primäre Energieintervall höher als das zweite angrenzende Energieintervall liegt,
während die Hilfssignale eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des primären Energieintervalles liegenden Zwischenenergieniveaus und des niedrigsten Energieniveaus des zweiten angrenzenden Energieintervalles bewirken. Die Frequenz des Betriebssignals entspricht dabei der Energiedifferenz zwischen den betreffenden zwei Energieniveaus, zwischen denen die negative Temperaturverteilung der Besetzung herrscht. Bei diesen beiden Ausführungsformen kann das zweite angrenzende Energieintervall auch von zwei nicht aneinandergrenzenden Energieniveaus gebildet werden.
Eine weitere Ausführungsform gemäss der Erfindung eines Masers mit mehrfachen Übergängen ist diejenige, bei der nicht nur das primäre Energieintervall, sondern auch das zweite angrenzende Energieintervall von zwei nicht aneinandergrenzenden Energieniveaus gebil- det werden, während die Hilfssignale eine negative Temperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des primären Energieintervalles liegenden Zwischenenergieniveaus und eines im zweiten angrenzenden Energieintervall liegenden Zwischenenergieniveaus bewirken und die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen diesen beiden Energieniveaus entspricht.
Bei dieser letzteren Ausführungsform ist es selbstverständlich belanglos, ob das primäre Energieintervall höher oder aber niedriger als das zweite angrenzende Energieintervall im Energieschema des festen Stoffes liegt. Wenn nun bei einer solchen Vorrichtung gemäss der Erfindung mit mehrfachen Übergängen der feste Stoff ein Mehrfachenergieniveausystem besitzt, bei dem das Energieintervall zwischen dem im primären Energieintervall liegenden Zwischenenergieniveau und dem ausserhalb des primären Energieintervalles liegenden Energieniveau grösser als das primäre Energieintervall und grösser als das zweite angrenzende Energieintervall ist, wird noch der zusätzliche Vorteil erzielt, dass die Frequenz des Betriebssignals entsprechend grösser als diejenige der Hilfssignale bemessen werden kann.
Wenn bei einer solchen Vorrichtung das primäre Energieintervall und das zweite angrenzende Energieintervall praktisch gleich gross sind, wird der besondere Vorteil erzielt, dass nur eine Mikrowellenquelle zum Zuführen beider Hilfssignale vorgesehen sein muss.
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Für eine Vorrichtung gemäss der Erfindung eignet sich ein paramagnetischer fester Stoff, vorzugsweise ein ionisch gebundenes paramagnetisches Salz oder Oxyd, besonders zur Verwendung als fester Stoff. Ferner sind vorzugsweise Kühlmittel vorgesehen, durch die der feste Stoff auf wenige Grade Kelvin abgekühlt werden kann, um die Vorteile des geringen Rauschens völlig erreichen zu können.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Figuren näher erläutert.
Fig. 1 stellt ein Energieschema eines Mehrfachenergieniveausystems eines festen Stoffes dar. Fig. 2 zeigt teilweise schematisch, teilweise im Schnitt eine Vorrichtung gemäss der Erfindung. Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel einer Anordnung eines Empfangsgerätes, bei dem eine Vorrichtung gemäss der Erfindung als Vorverstärker Anwendung findet.
Bevor ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfindung näher erläutert wird, werden zunächst die allgemeinen Grundsätze erörtert, die bei der Wahl eines festen Stoffes, der sich zur Anwendung als Medium mit negativer Temperaturverteilung der Besetzung eignet, wichtig sind.
Bequemlichkeitshalber wird ein fester Stoff betrachtet, der bei den niedrigen Temperaturen, die be-
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selwirkung mit dem Kristallgitter, das bei der erwünschten Betriebstemperatur als Thermostat betrachtet werden kann. Diese Wechselwirkung ist meist gross im Verhältnis zur spontanen und zur durch Hohlraumstrahlung induzierten Strahlungsemission. Ein weiterer Vorteil eines Masers gemäss der Erfindung ist der, dass seine Ausführbarkeit von Einzelheiten des Relaxationsmechanismus der Energieniveaus im festen Stoff, die zur Bewerkstelligung der negativen Temperaturverteilung benutzt werden, wenig beeinflusst wird.
Es wird angenommen, dass das System anfangs im Gleichgewicht mit dem Kristallgitter ist und dass ein Hilfsoszillator ein Hilfssignal mit einer Frequenz einstrahlt, die dem Abstand der Energieniveaus E und Es voneinander entspricht, um Übergänge vom Niveau El zum Niveau Es zu bewirken. Es ergibt sich jetzt hinsichtlich der Besetzung dieser beiden Niveaus eine neue Gleichgewichtslage unter der Einwirkung der auffallenden Strahlung und des Spin-Gitterrelaxationsmechanismus. Wenn die Intensität des Hilfssignals gross genug ist und die Spin-Gitterrelaxationszeit lang genug ist, ergibt sich Energiesättigung zwischen diesen beiden Energieniveaus und werden die Besetzungen dieser beiden Niveaus einander angenähert gleich.
Im allgemeinen ist in diesem gesättigten Zustand die Besetzung des zwischenliegenden Niveaus E2 entweder grösser oder kleiner als die gleichgemachte Besetzung der Niveaus El und Es. Im ersteren Falle ist Maserwirkung bei derjenigen Frequenz möglich, die der Energiedifferenz zwischen den Niveaus El und E entspricht, während im letzteren Falle Maserwirkung bei einer Frequenz möglich ist, die der Energiedifferenz zwischen den Niveaus E, und Es entspricht. Obgleich in der Figur das Energieniveau K näher
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niveau E2 kann sich auf jeder beliebigen Höhe zwischen den nicht aneinander angrenzenden Energieniveaus
Ei und Es befinden.
Nur wenn zufälligerweise dasEnergieniveauE gerade in der Mitte zwischen den Energieniveaus E. und Es liegt, können im vorliegenden Beispiel praktisch Schwierigkeiten auftreten, weil dann infolge der gleichen Grösse der Energieintervalle Strahlungsemission auftritt, die von dem einen Paar Energieniveaus, zwischen denen die negative Temperaturverteilung der Besetzung herrscht, herrührt, jedoch auch Strahlungsabsorption auftreten kann durch das andere Paar Energieniveaus, zwischen denen eine positive Temperaturverteilung herrscht, die das Spiegelbild der negativen Temperaturverteilung zwischen dem einen Niveaupaar sein kann. In diesem Sonderfall könnte somit die Maserwirkung durch die Strahlungsabsorption im festen Stoff zunichte gemacht werden.
Zwischen den Energieniveaus El und Es können sich auch mehrere Zwischenenergieniveaus befinden.
Maserwirkung ist dann auch zwischen zwei dieser Zwischenenergieniveaus möglich. Die vorstehend beschriebenen technischen Verfahren sind auf analoge Weise zum Erzielen einer negativen Temperatur in einem festen Stoff, der mehr als drei Energieniveaus aufweist, dadurch anwendbar, dass Übergänge zwischen je drei beliebigen Niveaus benutzt werden.
Es gibt mehrere Materialien, die die vorstehenden Anforderungen erfüllen und somit zur Anwendung geeignet sind. Von den paramagnetischen Stoffen verdienen ionisch gebundene paramagnetische Salze oder Oxyde den Vorzug. Weiter können auch feste Stoffe mit Kemspinsystem, wie beispielsweise diamagnetische Stoffe mit einem Kernspinsystem, Anwendung finden. Die Wahl eines solchen Stoffes ist in hohein Masse davon abhängig, ob in ihm geeignete Energieniveaus bestehen und ob Matrizenelemente des magnetischen Momentoperators zwischen den verschiedenen Spinniveaus auftreten. Der Absorptionsvorgang und der angeregte Emissionsvorgang sind unmittelbar von diesem Operator abhängig, die Relaxa-
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ist wichtig, dass sämtliche nicht-diagonalen Elemente zwischen den drei Spinniveaus ungleich Null sind.
Dies wird dadurch erzielt, dass das paramagnetische Salz mit einer Kristallfeldspaltung 6 in ein magnetisches Feld gebracht wird, das einen Winkel mit der Achse eines Kristallfeldes einschliesst. Die Stärke dieses Feldes wird so gewählt, dass die Zeemanenergie mit der Kristallfeldspaltung vergleichbar ist. In diesem Falle werden die Zustände mit magnetischen Quantenzahlen m. alle miteinander vermischt. Die Vermischung der Spinzustände durch Wechselwirkung zwischen der Zeemanenergie und der Kristallfeldenergie, die vergleichbare Werte aufweisen, ist wichtig. Die Energieniveaus und die Matrizenelemente des Spindrehimpulsmomentoperators können durch eine numerische Lösung der charakteristischen Gleichung der hamiltonischenFunktion des Spins bestimmt werden.
Wenn die Anzahl der Spinniveaus grö- sser als drei ist, können aus ihnen für den Betrieb drei geeignete Niveaus gewählt werden. Diese Mischung vonSpinzuständen ergibt sich auch in einem nicht-axialen Kristallfeld ohne das Vorhandensein eines Magnetfeldes.
Paramagnetische Salze, die bereits eingehend beschrieben wurden und welche die erwünschten Eigenschaften aufweisen, sind u. a. Nickelfluosilikate und Gadoliniumäthylsulfat. Entsprechende Eigenschaften weisen auch die ionisch gebundenen paramagnetischen Salze oder Oxyde wenigstens eines der Elemente aus den Übergangsgruppen, beispielsweise der Eisengruppe und der Gruppe derseltenen Erden, auf. Die vorstehend besonders erwähnten Kristalle haben den Vorteil, dass bei ihnen sämtliche magnetischen Ionen das gleiche Kristallfeld besitzen und dass Hyperfeinstruktur des Kernes fehlt. Hiedurch wird die Anzahl der möglichen Übergänge beschränkt.
Zweckmässig finden in magnetischer Hinsicht verdünnte Salze Anwendung, um die Linienbreite zu beschränken und die individuellen Resonanzübergänge voneinander zu trennen. Ein Einkristall beispielsweise, der zu 95% aus ZnSiF6. 6HzO und zu 5% aus dem isomorphen Nickelsalz besteht, weist eine Linienbreite von 50 Oersted und eine mittlere Kristallfeldspaltung 6 der Nickelionen auf, die gleich 0, 12 cm' ist. Bei einer effektiven Spinzahl l sind drei Energieniveaus von Belang, während aus Messungen hervorging, dass die Spin-Gitterrelaxationszeit bei 20 Kelvin etwa 10-4 sec ist. Die in diesem Zusammenhang wichtigen Eigenschaften dieser Salze sind in einem Aufsatz in den Proceedings of the Physical Society A 63, 29 (1949) beschrieben worden.
Ein anderer Einkristall, der zu 991o aus La (CzHsS04) S. 9H. p und zu 1% aus dem isomorphen Gadoliniumsalz besteht, hat eine effektive Spinzahl S = 7/2. Beim Fehlen eines Feldes gibt es vier Doppelt-
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113 cm', 0,peratur. Die Linienbreite beträgt 7 Oersted. Diese Breite. kann dadurch um einen Faktor 3 verringert werden, dass Deuterium enthaltende Salze Verwendung finden. Die Relaxationszeit beträgt etwa 10-2 sec bei 2 Kelvin. In diesem Zusammenhang wichtige Eigenschaften dieses Salzes sind in einem Aufsatz in den Proceedings of the Royal Society A 223,15 (1954) beschrieben worden.
Zur Erläuterung der Erfindung wird jetzt eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, näher erörtert. Als Medium mit negativer Temperaturverteilung der Besetzung findet bei dieser Vorrichtung, die insbesondere zur Verstärkung eines Signals von 1420 MHz hergestellt ist, der verdünnte Nickelfluosilikatkristall Anwendung, der vorstehend bereits näher beschrieben wurde. Die Vorrichtung 10 enthält einen koaxialen Hohlraumresonator 11 einer in der Mikrowellentechnik bekannten Art, der im Grundzustand bei der Betriebssignalfrequenz schwingt und bei der Frequenz des Hilfssignals, das dazu Verwendung findet, um Übergänge vom niedrigen Niveau Ei zum hohen Niveau Es zu erzeugen, gemäss einem höheren Wellentyp schwingt.
Die Hilfssignalfrequenz beträgt 10000 MHz.
Weil es gewünscht ist, den Hohlraumresonator unabhängig auf die beiden Resonanzfrequenzen einstellen zu können, ist er mit einem dielektrischen Element 12, vorzugsweise einem Stück Rutil, versehen, dessen Gestalt einem Kreissektor ähnlich ist und dessen Stellung nachgeregelt wird, um den Hohlraumresonator auf die höhere der zwei betreffenden Frequenzen abzustimmen. Da das Element an einer Stelle in der Nähe eines Knotens des elektrischen Feldes der niedrigeren der zwei betreffenden Frequenzen angeordnet ist, beeinflusst es die Abstimmung des Hohlraumresonators auf die niedrigere Frequenz nur in geringem Masse. Zur\ Abstimmung des Hohlraumresonators auf die niedrigere Frequenz ist weiter eine Abstimmschraube 13 von einem in der Mikrowellentechnik bekannten Typ vorgesehen.
Im Hohlraumresonator ist ein Einkristall 14 des verdünnten Nickelfluosilikatsalzes angebracht. Aus einer Berechnung geht hervor, dass für einen Hohlraumresonator, der bei einer Betriebstemperatur von 20 Kelvin ein Q von l O* und ein Volumen von 60 cms aufweist, die Bedingungen für Verstärkung erfüllt werden, wenn die Anzahl der Elektronenspins im Kristall grösser als 3 x 1018 ist. Die erforderliche Mindest-
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anzahl von Nickelionen ist in etwa 0,02 cm3 des verdünnten Nickelfluosilikatsalzes enthalten. Im allgemeinen empfiehlt es sich jedoch, Kristalle zu verwenden, die grösser als das erforderliche Minimum sind.
Weiter sind auch Mittel 15 zum Anlegen eines statischen Magnetfeldes mit einer vorherbestimmten Orientierung in bezug auf die Kristallachse vorhanden, wie vorstehend bereits erörtert wurde. Bekanntlich kann der Abstand zwischen den diskreten Energieniveaus und somit auch der effektive Betriebsfrequenzbereich durch die Stärke und die Richtung des angelegten statischen Magnetfeldes geregelt werden. Für paramagnetische Stoffe, die beim Fehlen eines Magnetfeldes bereits ein geeignetes Mehrfachenergieniveausystem aufweisen, ist das Vorhandensein eines statischen Magnetfeldes nicht notwendig, jedoch erwünscht zum Nachregeln oder Ändern der Energieabstände zwischen den Energieniveaus. Im vorliegenden Beispiel wird anfangs ein Feld von etwa 1000 Gauss angelegt.
Dann können die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes leicht experimentell nachgeregelt werden zur Erhaltung der erwünschten Energieabstände zwischen den Energieniveaus. So wird auch die Orientierung der Kristallachse des paramagnetischen Salzes in bezug auf das Magnetfeld des Hilfssignals versuchsmässig nachgeregelt zur Erzielung von Höchstwerten für die betreffenden Matrizenelemente.
Der Hohlraumresonator ist weiter mit Mitteln zum energetischen Austausch des Betriebssignals und wenigstens eines Hilfssignals mit dem Hohlraumresonator versehen. Das Hilfssignal wird von einem Hilfsoszillator 16 geliefert und auf bekannte Weise mittels einer Kopplungssonde 17 in den Hohlraumresonator eingeführt. Es wird eine hinreichende Menge an Hilfssignalenergie geliefert, um Energiesättigung zwischen den Energieniveaus El und Es zu erreichen. Sättigung tritt beispielsweise auf, wenn die magnetische Feldstärke des Hilfssignals im Kristall angenähert 0,2 Oersted beträgt.
Für paramagnetische Salze wird im allgemeinen die Breite des Frequenzbandes, innerhalb dessen Maserwirkung möglich ist, durch die magnetische Feldstärke des Hilfssignals bestimmt, weil die Linienbreite von Ungleichförmigkeiten in den Innenfeldern des paramagnetischen Salzes herrührt. Im vorliegenden Falle bedingt die erwähnte Feldstärke eine Nutzbandbreite von etwa 0,5 MHz. Stärkere Felder haben eine proportionale Zunahme der Nutz- bandbreite zur Folge, bis eine Höchstzunahme erreicht ist, die durch das Vermögen des Systems, Energie zu verarbeiten, bestimmt wird.
Das Eingangssignal wird von einer geeigneten Quelle, meist einer Antenne, geliefert und mittels einer Kopplungssonde 18 in den Hohlraumresonator eingeführt. Das verstärkte Signal wird mittels einer Ausgangskopplungssonde 19 zu einer geeigneten Belastung abgeleitet. Manchmal ist es vorteilhaft, die gleiche Kopplungssonde sowohl zur Zufuhr als auch zur Abfuhr der Betriebssignalenergie zu verwenden.
Dies wird nachstehend näher erläutert.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass es vorteilhaft ist, den Hohlraumresonator auf einer Temperatur von etwa 2 Kelvin zu halten. Hiezu sind verschiedene Verfahren bekannt. Die gestrichelte Linie 20 gibt an, dass der Hohlraumresonator und sein Inhalt sich in einer geeigneten Kühlanlage befinden.
Es ist selbstverständlich möglich, bei höheren Betriebstemperaturen zu arbeiten. Je höher jedoch die Betriebstemperatur ist, umso höher ist auch der Rauschpegel und umso geringer die Spin-Gitterrelaxations- zeit. Diese Verkürzung der Relaxationszeit hat zur Folge, dass die magnetische Feldstärke des Hilfssignals erhöht werden muss, um Sättigung zwischen den Niveaus E und EI erreichen zu können. Die Anwendung einer höheren Betriebstemperatur hat auch die Notwendigkeit zur Folge, die Abmessungen des Einkristalls zu vergrössern, um Verstärkung erhalten zu können.
Es dürfte ohne weiteres einleuchten, dass bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung unterschiedliche weitere Formen von Hohlraumresonatoren auf analoge Weise Anwendung finden können. Auch andere Formen von Kopplungssonden, beispielsweise Kopplungsschleifen, können zur Zu- und Abfuhr des Betriebssignals zu und von dem Hohlraumresonator und zur Zufuhr des Hilfssignals Verwendung finden. Es sind ferner mehrere weitere Änderungen möglich, beispielsweise die Verwendung von Resonanzsperren.
Auch ist es möglich, anstatt eines Hohlraumresonators, bei dessen Verwendung der Wirkungsgrad eines Masers gesteigert wird, einen geraden Wellenleiter, beispielsweise einen Hohlleiter, zu verwenden. In einem Teil dieses Hohlleiters wird dabei das Medium mit der negativen Temperaturverteilung der Besetzung angebracht. Bei einer solchen Vorrichtung wird das Betriebssignal beim Durchgang durch den Wellenleiter durch denjenigen Teil hindurchgeführt, der das Medium mit der negativen Temperaturverteilung der Besetzung enthält, und dadurch verstärkt. Zweckmässig werden Richtungskopplungen angewandt, um das Hilfssignal aus einer Seitenbahn in die Wellenbahn einzukoppeln. Für die Zuführung des Betriebssignals und des Hilfssignals können selbstverständlich noch andere Ausführungsformen von Richtungskopplungen und Wellenleitern Anwendung finden.
Ein Maser gemäss der Erfindung kann zu verschiedenen Zwecken benutzt werden. Er kann als Vorverstärker bei einem Empfangsgerät angewandt werden, jedoch auch, wenn er auf einem genügend hohen
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Verstärkungspegel betrieben wird, zum Schwingen gebracht werden, wobei das Rauschen, das von den das
Medium umgebenden Wänden herrührt, anfangs eine anregende Wirkung auf die Emission ausübt. Die in
Fig. 2 dargestellte Vorrichtung kann somit auch als Oszillator verwendet werden. In diesem Falle ist je- doch die Eingangskopplung überflüssig und wird denn auch vorzugsweise fortgelassen. Mit einem Maser gemäss der Erfindung ist auch Frequenzumwandlung erzielbar.
Der Maser ist jedoch an erster Stelle wichtig als ein äusserst empfindlicher Verstärker infolge seines inhärent niedrigen Rauschpegels. Ein Vorteil eines Masers gemäss der Erfindung ist weiter, dass er im all- gemeinen einen Verstärkungsfaktor aufweist, der auf einem breiten Eingangsleistungsbereich linear ist.
Wenn das Niveau des Eingangssignals hoch genug ist, um Sättigung der betreffenden Übergänge zu bewirken, nimmt der Verstärkungsfaktor automatisch ab. Dies verringert das Bedürfnis nach Schutzmassnahmen gegen das Ausbrennen des Masers.
Ein Maser gemäss der Erfindung kann auf einfache Weise an jeder gewünschten Stelle eines ausgedehnten Wellenübertragungssystems angeordnet werden. An Hand der Abbildung der Fig. 3 wird jetzt noch eine typische Anwendung eines Masers gemäss der Erfindung als Vorverstärker in einem Empfangsgerät erläutert. Bei dem in Fig. 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung findet eine Antenne 21 Anwendung zum Auffangen von Übertragungssignalen und diese Signale werden dann einem Arm a eines Zirkulators 22 zugeführt. Unter einem Zirkulator wird in der Mikrowellentechnik ein nicht-reziprokes Übertragungselement verstanden. In einem Aufsatz :"The microwave gyrator" im Bell System Technical Journal, Jahrgang 31, Seiten 1-31 (1952) ist ein Zirkulator beschrieben, der sich zur Verwendung in der erwähnten Vorrichtung eignet.
Es ist kennzeichnend für einen solchen Zirkulator, dass die dem Arm a zugeführte Energie sich selektiv in Richtung des Armes b fortpflanzt. Der Arm b des Zirkulators dient zur Zufuhr des Betriebssignals an den Maser 23, der vorzugsweise vom in Fig. 2 dargestellten Typ ist, wobei jedoch die Kopplungssonde zur Zu-und Abfuhr des zu verstärkenden Signals zusammenfallen. Das Ausgangssignal wird über die gleiche Kopplungsschleife, die zur Einführung des Signals in den Hohlraumresonator dient, aus diesem Hohlraumresonator abgeführt. Aus dem Hohlraumresonator wird das Ausgangssignal dem Arm b zugeführt und pflanzt sich dann selektiv in Richtung des Armes c durch den Zirkulator fort. Das Hilfssignal wird vom Hilfsoszillator 24 dem Hohlraumresonator zugeführt.
Der Arm c des Zirkulators liefert seinerseits die Energie an die Belastung 25, die meist eine weitere Stufe des Empfängers oder, wenn eine grössere Verstärkung als mit einer einzigen Maserstufe erreicht werden kann, verlangt wird, der Hohlraumresonator einer zweiten Maserstufe ist. Um zu verhüten, dass Energie, die infolge von Fehlanpassung an der Belastung reflektiert wird, wieder zur Belastung zurückkehrt, enthält der Zirkulator einen weiteren Zweig d. Der Arm d überträgt die Energie auf die praktisch angepasste Belastung 26, die somit. etwaige Reflexionen auf ein Mindestmass beschränkt.
Wie vorstehend bereits erläutert wurde, ist es mit Rücksicht auf die Erzielung einer möglichst guten Rauschcharakteristik eines Masers gemäss der Erfindung vorteilhaft, dass dieser auf verhältnismässig niedrigere Temperatur. u. zw. auf wenigen Graden Kelvin, gehalten wird. Um die Maserwirkung bei einer derartigen Temperatur noch weiter zu verbessern, ist es auch von Belang, das Rauschen sämtlicher weiteren möglichen Quellen auf ein Mindestmass zu beschränken. Deshalb werden vorzugsweise der feste Stoff, das nicht-reziproke Übertragungselement, beispielsweise der Zirkulator, die praktisch angepasste Belastung
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Rauschquelle sein. Da der Zirkulator einen Signalverlust zwischen der Antenne und dem Maser mit sich bringt, wird er jedoch vorzugsweise gleichfalls auf der niedrigen Temperatur gehalten, auf die der feste Stoff abgekühlt ist.
Im vorliegenden Falle, in dem der Zirkulator bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben wird, ist es möglich, im Gyrator paramagnetisches Material an Stelle des üblichen ferromagnetischen Materials anzuwenden. Dieser Gyrator ist ein kennzeichnender Teil eines Zirkulators vom Typ, der im vorstehend erwähnten Aufsatz in"The Bell System Technical Journal"beschrieben worden ist. Die Anwendung paramagnetischen Materials ist im vorliegenden Falle dadurch möglich, dass bei der erwähnten niedrigen Temperatur die erzielbare Magnetisierung gross genug wird. Vorzugsweise wird ausserdem die laufende Belastung am Arm d auf niedriger Temperatur gehalten.
Weil der Zirkulator bereits die Nutzlast vom festen Stoff trennt und infolgedessen die Rückwirkung der Last auf den festen Stoff verringert, ist es wahrscheinlich nicht nötig, besondere Massnahmen in bezug auf die Nutzlast durchzuführen. In der Zeichnung ist mittels der gestrichelten Linie 28 angegeben, dass die von dieser gestrichelten Linie umgebenen Elemente in einer geeigneten Kühlanlage untergebracht sind.
Einfachheitshalber sind die verschiedenen Filterelemente, die dazu benutzt werden, um die Übertragung des Hilfssignals auf die Nutzlast auf ein Mindestmass zu beschränken, nicht dargestellt, weil sie von
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einem Fachmann auf diesem Gebiete ohne weiteres angebracht werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Anordnungen nur zur Erläuterung der allgemeinen Grundsatz der Erfindung dienen. Namentlich sind unterschiedliche feste Stoffe mit der gewünschten Verteilung der Energieniveaus verwendbar. Insbesondere kann ein Maser gemäss der Erfindung hergestellt werden, der Änderungen in den Kernquantenzahlen benutzt.
Als Medium mit negativer Temperaturverteilung der Besetzung kann beispielsweise ein paramagnetisches Salz oder ein organischer freier Rest mit Hyperfeinstruktur Anwendung finden, so dass der elektronischen Zeemanspaltung eine hyperfeine Aufspaltung überlagert wird, so dass sich ein Mehrfachenergieniveausystem ergibt. Auch können feste Stoffe Verwendung finden mit Niveaus der Kernspins mit Vierpolwechselwirkung in nichtkubischen diamagnetischen Kristallen, wie beispielsweise Jod. Zum Erhalten der gewünschten negativen Temperaturverteilung der Besetzung im Medium können Übergänge zwischen Energieniveaus, die durch mehr als ein zwischenliegendes Niveau voneinander getrennt sind, induziert werden.
Der Maser gemäss der Erfindung kann auch bei Modulationsvorrichtungen Anwendung finden. Wie vorstehend erläutert, gibt es bei einem Maser gemäss der Erfindung mehrere Parameter, deren Änderungen dazu benutzt werden können, um entweder die Amplitude oder die Frequenzkurve des Ausgangssignals zu ändern.
Es wird noch darauf hingewiesen, dass, obgleich der Ausdruck Maser einen Betrieb im Mikrowellengebiet suggeriert, durch die Wahl geeigneter Betriebsverhältnisse Verstärkung sogar bei Frequenzen erzielbar ist, die unterhalb der üblicherweise als untere Grenze betrachteten Grenze des Mikrowellenbereiches liegen. Für die Zwecke dieser Erfindung wird denn auch die untere Grenze des zu verwendenden Mikrowellenbereiches auf eine Frequenz von 100 MHz oder sogar niedriger verlegt.
Wie vorstehend bereits beschrieben wurde. können die Grundsätze der Erfindung auch auf Vorrichtungen mit Mehrfachübergängen ausgedehnt werden, wobei dann mehrere Hilfssignale Anwendung finden. Es ist daher möglich. Maserwirkung zu erhalten bei einer Betriebssignalfrequenz, die diejenige der Hilfssignale übersteigt. Als Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung betrachte man eine Vorrichtung mit einem festen Stoff, der ein Mehrfachenergieniveausystem mit vier Energieniveaus E,E,E und E auf- weist. Ein Beispiel eines solchen festen Stoffes ist das. vorstehend bereits näher beschriebene Gadoliniumsalz.
Dem festen Stoff wird ein Hilfssignal mit einer geeigneten Frequenz zugeführt, um Übergänge zwi-
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die Besetzung dieser beiden Niveaus praktisch gleichgemacht wird. Ein weiteres Hilfssignal mit geeigneter Frequenz wird dem festen Stoff zugeführt, um Übergänge zwischen den nicht aneinander angrenzenden Niveaus E2 und E. zu bewirken, wodurch sich Sättigung ergibt und die Besetzungen auch dieser beiden Niveaus praktisch ausgeglichen werden. Unter diesen Umständen lässt sich im zwischenliegenden Niveau
Es eine Besetzung erzielen, die grösser als die Besetzung des Niveaus E1 ist. Hiefür ist ein Betrieb bei niedriger Temperatur wichtig.
Ein Signal mit einer Frequenz, die der Energiedifferenz zwischen den
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gibt sich noch ein besonderer Vorteil, wenn das Energieintervall E, E und das Energieintervall E,E gleich gross sind. Es genügt dann eine einzige Hilfsfrequenz, um beide Übergänge zu bewirken.
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