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Die Erfindung betrifft einen Maser zur Erzeugung von kohärenten elektromagnetischen Wellen. Im Unterschied zu einem Laser, der sichtbares Licht ausstrahlt, erzeugt ein Maser Mikrowellen oder Radiowellen. Ein Maser umfasst ein aktives Medium, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Besetzungsinversion im aktiven Medium sowie einen Resonator, der auf die Mikrowellenfrequenz des Masers abgestimmt ist. Maser werden zum Beispiel beim Nachrichtenverkehr mit Erdsatelliten, in radioastronomischen Empfangsanlagen und Richtfunkanlagen als Verstärker, für den Betrieb von Atomuhren sowie als Generator für Millimeterwellen eingesetzt.
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In vielen Fällen müssen für den Betrieb eines Masers tiefe Temperaturen oder ein hohes Vakuum erzeugt werden. Üblicherweise werden aufwendige Pumpprozesse wie etwa Strahlseparation, ein Pumplaser oder eine dynamische Kernspinpolarisation(DNP) benötigt.
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Ein Maser mit einem aktiven Festkörpermedium, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann, ist aus der Druckschrift https://doi.org/10.1038/nature11339 bekannt. Eine Besetzungsinversion im aktiven Medium wird durch optisches Pumpen mithilfe eines pulsierenden Lasers erzeugt. Weiter umfasst der Maser einen auf die Maserfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator. Insgesamt steht so ein Maser zur Verfügung, der Mikrowellen mit einer Frequenz f von ca. 1,42 GHz zu erzeugen vermag. Da für das optische Pumpen relativviel Energie aufgewendet werden muss, ist nur ein gepulster Betrieb möglich.
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Aus der Druckschrift https://doi.org/10.1038/ncomms9251 und Nature 488, 353-356 (2012) sind Überlegungen bekannt, wie ein Maser, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann, mithilfe von NV-Zentren in Diamanten oder mit Hilfe von optisch gepumpten organischen oder maser-fähigen Molekülen in Anwesenheit eines Saphir Resonators realisiert werden könnte.
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Je kleiner die Frequenz eines Masers ist, umso größer ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen. Umfasst ein Maser einen Hohlraumresonator, so muss dieser hinreichend groß gebaut sein.
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Wird eine Besetzungsinversion durch optisches Pumpen herbeigeführt, so muss das organische Medium in hoher optischer Qualität und Güte und folglich mit hohem technischem Aufwand bereitgestellt werden.
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Aus der Druckschrift https://doi.org:10.1038/nphys3382 geht ein NMR Spektrometer mit einem elektromagnetischen Schwingkreis hoher Güte umfassend eine Aufnehmerspule, eine Kapazität und eine Filterspule hervor.
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Die Druckschrift
US 3 479 608 A offenbart einen Maser mit einer Kammer, die als Resonator ausgestaltet ist. In der Kammer befindet sich ein Maser - Medium. Es ist eine elektromagnetische Quelle vorgesehen, die räumlich getrennt von der Kammer angeordnet ist.
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Die Druckschrift
US 5 424 645 A offenbart eine Spule für eine NMR Probe, die Teil eines Schwingkreises ist.
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Aus der Druckschrift
US 3 439 288 A geht ein mit Wasserstoff betriebener Laser hervor. Aus der Druckschrift
US 3 075 156 A ist ein Maser bekannt, der einen Schwingkreis mit einer Spule und einer Kapazität umfasst. Ein aktives Medium befindet sich in der Spule.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen weiter entwickelten Maser bereitzustellen, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Maser gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfasst.
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Ein Maser umfasst zur Lösung der Aufgabe einen elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine Aufnehmerspule, eine Kapazität und eine Filterspule, ein aktives Medium aus organischen oder maser-fähigen Molekülen in der Aufnehmerspule sowie eine Besetzungsinversions-Einrichtung zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium. Ein so gebauter Maser kann bei Raumtemperatur betrieben werden und ermöglicht eine kontinuierliche Mikrowellenstrahlung oder Radiowellenstrahlung. Auch kann das aktive Medium frei gewählt werden, so dass unterschiedliche Maserfrequenzen realisiert werden können. Einen elektromagnetischen Schwingkreis als Resonator einzusetzen, ermöglicht eine kleine Bauweise selbst bei Maser-Frequenzen im MHz Bereich sowie im kHz-Bereich. Frequenzen von 1 kHz bis 10 MHz sind möglich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Besetzungsinversions-Einrichtung so beschaffen, dass Kernspins der organischen oder maser-fähigen Moleküle durch die Besetzungsinversions-Einrichtung auf negative Spintemperatur gebracht werden und so die Besetzungsinversion erhalten wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht es vorteilhaft, auf optisches Pumpen, Strahlseparation oder DNP-Verfahren verzichten zu können. Auch kann ein Frequenzbereich von bis zu vier Größenordnungen abgedeckt werden und zwar insbesondere auch ein Frequenzbereich von einem kHz bis 10 MHz. Trotz der vergleichsweise kleinen Frequenzen wird kein großer Bauraum benötigt, da ein elektromagnetischer Schwingkreis und kein Hohlraumresonator verwendet wird.
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In einer Ausgestaltung wird chemisch gepumpt und zwar vorzugsweise mittels Parawasserstoff, um so eine negative Kernspintemperatur bei den organischen oder maser-fähigen Molekülen des aktiven Mediums zu erhalten. Dies geschieht insbesondere mithilfe eines Katalysators, an den die organischen oder maser-fähigen Moleküle des aktiven Mediums sowie der Parawasserstoff andocken können. Der Parawasserstoff kann dann seinen Kernspin auf die organischen oder maser-fähigen Moleküle übertragen, um so eine Besetzungsinversion zu erzielen. Der technische Aufwand ist gering und zwar insbesondere im Vergleich zu dem technischen Aufwand, der für ein optisches Pumpen betrieben werden muss. Es kann so ein Maser bereitgestellt werden, der kohärente elektromagnetische Wellen kontinuierlich zu erzeugen vermag, also ein sogenannter CW-Maser. Ein CW-Maser ermöglicht sehr genaue Messungen über lange Zeiträume, was mit einem gepulsten Maser nicht in gleicher Weise möglich ist. Mit einem solchen CW-Maser wird zum Beispiel ein sehr genau arbeitender NMR-Sensor oder Magnetfeldsensor realisiert.
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Bevorzugt ist das aktive Medium eine Flüssigkeit. Es lassen sich im Vergleich zu einem gasförmigen Medium hohe Spindichten erzielen, was dazu beträgt, einen CW-Laser mit geringem technischem Aufwand bereitstellen zu können. Im Vergleich zu einem Feststoff muss deutlich weniger Energie für die Erzeugung einer Besetzungsinversion aufgewendet werden. Auch deshalb ist es möglich, einen CW Maser bereitzustellen, ohne dafür einen übermäßig großen Aufwand betreiben zu müssen.
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In einer Ausgestaltung ist das aktive Medium ein Festkörper und zwar insbesondere bestehend aus oder umfassend Softpolymere.
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In einer Ausgestaltung ist die Besetzungsinversions-Einrichtung so beschaffen, dass die entsprechenden organischen oder maser-fähigen Moleküle der Flüssigkeit so getrennt werden, dass dadurch ein Medium mit negativer Spintemperatur bereitgestellt wird.
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Ein derartiges Trennverfahren wird in einer Ausgestaltung für Wasserstoff so durchgeführt, dass der im Wasserstoff enthaltene Parawasserstoff abgetrennt wird. Mit diesem abgetrennten Parawasserstoff wird chemisch gepumpt, um so im aktiven Medium eine negative Spintemperatur zu erzeugen. Alternativ kann durch Konversion Parawasserstoff gewonnen werden. Eine solche Konversion wird grundsätzlich bei niedrigen Temperaturen durchgeführt.
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Negative Spintemperaturen treten auf, wenn das höhere Energieniveau, welches ein Kernspin einnehmen kann, stärker besetzt ist als das niedrigere Energieniveau.
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Bei mehr als einer Spinsorte besteht auch die Möglichkeit komplexere Nichtgleichgewichtsbesetzungen zu erzeugen, bei denen eine höhere Multipolordnung beziehungsweise eine partielle Besetzungsinversion herrscht. Ein Maser aus solchen Zuständen ist bislang noch nicht demonstriert worden. Dieses grundlegend andere Prinzip nebst der konventionellen Besetzungsinversion konnte durch die vorliegende Erfindung realisiert werden. Dies stellt eine partielle Besetzungsinversion im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
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Die organischen oder maser-fähigen Moleküle mit negativer Spintemperatur werden polarisiert. Dafür genügt das Erdmagnetfeld oder ein Magnetfeld, welches durch eine magnetische Abschirmung schwächer ist als das Erdmagnetfeld. Unter Polarisation wird eine geordnete Ausrichtung von Kernspins in dem aktiven Medium verstanden. Dabei gibt es verschiedene Ordnungsklassen von Spinzuständen: Die Einspin (Dipol), Zweispin (Quadrupol) und Multispinordnung (Multipol). Einen invertierten Dipolzustand (Einspinzustand) nennt man auch Besetzungsinversion, der einer negativen Spintemperatur entspricht. Ein hoher Polarisationsgrad ist günstiger als ein geringer Polarisationsgrad. Zu bevorzugen ist daher eine Hyperpolarisation, also eine geordnete Ausrichtung von Kernspins in dem aktiven Medium weit über das thermische Gleichgewicht hinaus.
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Ein Beispiel für organische Moleküle, mit denen die Erfindung realisiert wurde ist Pyridin, also C5H5N oder Acetonitril also CH3CN. Diese wurden in einem Lösungsmittel gelöst und zwar in Methanol.
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Es hat sich herausgestellt, dass mit zunehmender Reduzierung des Bauraums die Eigenschaften des Resonators verbessert werden können. Insbesondere ist die Aufnehmerspule vorzugsweise klein. Eine Bauraumreduzierung der Aufnahmespule und damit auch des aktiven Masermediums verbessert vorteilhaft die Kopplung des aktiven Masermediums an den Resonator Im Unterschied dazu nimmt die Qualität der aus dem Stand der Technik bekannten Maser mit der Bauraumgröße zu. Letzteres gilt beispielsweise für den aus der Druckschrift https://doi.org/10.1038/nature11339 bekannten Maser.
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Für den Betrieb des Masers ist auf eine hinreichend hohe Güte des elektromagnetischen Schwingkreises zu achten. Filterspule und Kapazität weisen daher bevorzugt eine hohe Güte von wenigstens 100, vorteilhaft von wenigstens 200, besonders bevorzugt von wenigstens 500 auf. Alternativ oder ergänzend beträgt die Güte des Schwingkreises wenigstens 100, vorteilhaft von wenigstens 200, besonders bevorzugt von wenigstens 300.
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Die Filterspule weist in einer Ausgestaltung eine geerdete Mittelanzapfung auf, um auf technisch einfache Weise einen geeigneten elektromagnetischen Schwingkreis zu erhalten.
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Die Güte der Filterspule und die Güte des Kondensators übersteigen grundsätzlich die Güte der Aufnehmerspule und zwar bevorzugt um ein Vielfaches, wenigstens um das Doppelte, besonders bevorzugt wenigstens um das Dreifache. Als Aufnehmerspule wird eine Zylinderspule bevorzugt, in welche ein Behälter mit einem darin befindlichen aktiven Medium eingesetzt werden kann. Die Aufnehmerspule kann nur wenige Windungen aufweisen, beispielsweise bis zu 10 Windungen. Drähte oder Litzen von Aufnehmerspule und/oder Filterspule können beispielsweise aus Kupfer, Silber oder Gold bestehen.
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Vorzugsweise umfasst die Aufnehmerspule und/ oder Filterspule Litzen, deren dünne Drähte elektrisch isoliert sind und zwar insbesondere durch isolierende Lackschichten, um so zu einem weiter verbesserten elektromagnetischen Schwingkreis zu gelangen. Vorhandene Litzen sind deshalb vorzugsweise hochfrequenzfest.
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Die folgenden Ausgestaltungen verbessern einzeln sowie in beliebiger Kombination weiter vorteilhafte Eigenschaften des elektromagnetischen Schwingkreises:
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Die Mittelanzapfung befindet sich vorzugsweise genau in der Mitte der Filterspule. Durch die Mittelanzapfung werden parasitäre Schwingneigungen des Schwingkreises unterdrückt und zwar besonders gut, wenn die Mittelanzapfung genau mittig angeordnet ist. Dies wirkt sich positiv aus.
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Die Mittelanzapfung ist in einer Ausgestaltung durch einen zusätzlichen Draht oder eine zusätzliche Litze realisiert. Ein Ende des zusätzlichen Drahts bzw. der zusätzlichen Litze ist mit Masse verbunden, also geerdet. Außerdem ist ein Ende des anderen Drahts der Filterspule mit Masse verbunden.
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Zur Herstellung werden beispielsweise zwei elektrische Leiter (insbesondere erster und zweiter Draht oder erste und zweite Litze) miteinander verzwirbelt bzw. miteinander verdrillt. Anschließend werden die beiden miteinander verdrillten elektrischen Leiter zur Spule gewickelt. Das Ende des ersten elektrischen Leiters (Draht oder Litze) sowie das entgegengesetzte Ende des zweiten elektrischen Leiters (Draht oder Litze) werden dann geerdet. Die beiden anderen Enden bilden dann die elektrischen Anschlüsse der Spule.
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Sind die vorgenannten beiden elektrischen Leiter gleich lang, so befindet sich die Mittelanzapfung exakt in der Mitte.
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Die Filterspule ist insbesondere durch eine elektrische und/oder magnetische Abschirmung abgeschirmt. Wände der Abschirmung bestehen bei magnetischer Abschirmung vorzugsweise Mu-Metall oder Eisen, vorzugsweise hochpermeables Eisen.
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Eine magnetische Abschirmung wird vorzugsweise durch eine im Wesentlichen magnetisch geschlossene Kammer oder geschlossene Dose gebildet. Der Maser funktioniert allerdings auch ohne eine solche Abschirmung. Dies ist im Beispiel realisiert.
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Eine magnetische Abschirmung schützt vorteilhaft vor elektromagnetischen Störungen und trägt so zur Verbesserung des Signal - Rausch - Verhältnisses bei.
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Wände der Abschirmung sind vorzugsweise doppelwandig ausgeführt oder innerhalb einer Dose befindet sich eine zweite Dose, die von der ersten Dose durch Abstandshalter auf Abstand gehalten wird. Innerhalb der zweiten Dose befindet sich dann die Filterspule. Die Abschirmung besteht daher besonders bevorzugt aus einer doppelwandigen Kammer oder doppelwandigen Dose.
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Durch eine magnetische Abschirmung kann die Filterspule im Fall von NMR oder ESR - Spektroskopie magnetisch von einem magnetischen B0 - Feld abgeschirmt werden, welches im Fall von NMR oder ESR eingesetzt wird. Diese Abschirmung bewirkt weitere Verbesserungen.
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Die Wände einer Doppelwand der magnetischen Abschirmung oder die Wände ein oder zwei Dosen der magnetischen Abschirmung sind vorteilhaft 1 mm bis 3 mm dick, so zum Beispiel 1,5 mm dick. Wände einer elektrischen Abschirmung sind vorzugsweise bis zu 3 mm dick und/ oder wenigstens 0,5 mm dick. Wände einer elektrischen Abschirmung sind vorzugsweise geschlitzt. Wände einer elektrischen Abschirmung bestehen vorzugsweise aus Kupfer.
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Die Abschirmung ist vorzugsweise geerdet. Im Fall der zwei Dosen ist grundsätzlich die äußere Dose geerdet. Es kann aber auch alternativ oder ergänzend eine innere Dose geerdet sein.
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Vorteilhaft ist die Aufnehmerspule von einer für NMR- oder ESR-Spektroskopie eingesetzten Anregungsspule getrennt. Es ist dann also eine zweite Spule vorhanden, die als Anregungsspule für die Durchführung von NMR- oder ESR- Spektroskopie eingesetzt wird. Hierdurch ist es möglich, die Messvorrichtung unabhängig von der Anregungsspule zu optimieren, was ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht. Die Aufnehmerspule befindet sich vorzugsweise innerhalb der Anregungsspule. Der Abstand zwischen Anregungsspule und Aufnehmerspule beträgt vorteilhaft mindestens 5 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, um eine nachteilhafte Kopplung zwischen den beiden Spulen hinreichend gering zu halten. Die Hauptachse der Anregungsspule (= Richtung rf - Feld) ist vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, vorzugsweise senkrecht, zur sensitiven Achse der Aufnehmerspule angeordnet, um eine nachteilhafte Kopplung zwischen den beiden Spulen hinreichend gering zu halten.
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Aufnehmerspule einerseits und Kondensator nebst Filterspule andererseits sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung durch eine besonders verlustarme elektrische Transferleitung miteinander verbunden. Dies wird erreicht durch eine aus einem guten elektrischen Leiter bestehende Transferleitung, so zum Beispiel durch eine aus Kupfer bestehende Transferleitung, durch einen großen Querschnitt einer Transferleitung von zum Beispiel wenigstens 1 mm2, durch eine Umschlingung bzw. Verzwirbelung der beiden elektrischen Leiter der Transferleitung und/oder durch eine geeignete elektrische Isolierung, insbesondere durch eine Isolierung aus Teflon. Jeder einzelne Leiter kann zwecks Isolierung sich in einer Teflonhülle befinden und/oder beide elektrischen Leiter der Transferleitung gemeinsam. Ein Leiter kann aus einem Draht oder einer Litze gebildet sein.
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Eine Transferleitung ist vorzugsweise aus zwei miteinander verdrillten Litzen zu bilden, die vorzugsweise vorgenannte Teflonhüllen umfasst, um so eine besonders verlustarme Transferleitung für ESR- oder NMR-Spektroskopie bereit zu stellen, stellt eine eigenständige Erfindung dar.
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Ist die Transferleitung durch zwei Litzen gebildet, so bezieht sich der genannte Querschnitt von wenigstens 1 mm2 auf die Summe der Querschnitte der Einzeldrähte der beiden Litzen und zwar einschließlich optional vorhandener Isolatoren. Litzen der Transferleitung sind wiederum vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert und zwar insbesondere durch Lackoberflächenbeschichtung und/oder hochfrequenzfest ausgeführt, um eine verlustarme Transferleitung bereitzustellen, was zu einem weiter verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis führt.
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Die Aufnehmerspule ist vorzugsweise durch eine Litze gebildet, also aus einem aus dünnen Einzeldrähten bestehender elektrischer Leiter. Die Einzeldrähte der Litze sind vorteilhaft elektrisch voneinander isoliert. Die Oberflächen der Einzeldrähte sind daher vorteilhaft mit einem elektrisch isolierenden Lack versehen. Die Litze ist vorzugsweise hochfrequenzfest.
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Als geeignet hat sich ein toroidale- oder zylinderförmige Filterspule mit Wicklung aus Litzendraht herausgestellt. Für die Realisierung eines externen Resonators mit hohen Güten QE > 1000 sollte die Filterspule einem magnetischen Wechselfeld mit möglichst kleinem Energieverlust folgen bzw. einen geringen AC-Verlust aufweisen. Dafür muss die Filterspule ein vernachlässigbares magnetisches Streufeld besitzen und der Wechselstromwiderstand der Wicklung sollte möglichst gering sein. Auch andere Verluste wie z.B. dielektrische Verluste oder Verluste in magnetischen Kern der Filterspule sollten minimiert sein.
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Vorteilhaft beträgt der Abstand zwischen Aufnehmerspule einerseits und Kondensator nebst Filterspule andererseits wenigstens 5 cm, vorteilhaft wenigstens 50 cm, besonders vorteilhaft wenigstens 60 cm. Dies vermindert einen gegenseitigen störenden magnetischem Einfluss zwischen einem B0 - Feld, wie es im Fall einer ESR- oder NMR - Spektroskopie vorhanden ist, und der in der Regel abgeschirmten Filterspule. Es wird erreicht, dass sich eine Abschirmung nicht nachteilhaft auf das B0 - Feld auswirkt. Es wird weiter vermieden, dass die Abschirmung durch das B0 - Feld nachteilhaft gesättigt wird.
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Die Kapazität ist vorteilhaft abstimmbar, um eine geeignete Resonanz leicht einstellen zu können. Vorteilhaft wird die Kapazität aus einer Vielzahl von einzelnen Kondensatoren gebildet, die geeignet parallel miteinander verschaltet sind sowie derart verschaltet werden können, um bei Bedarf die Kapazität verändern zu können. Es können so kommerziell erhältliche Kondensatoren mit hoher Güte eingesetzt werden, um eine abstimmbare Kapazität mit hoher Güte bereitzustellen.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2014 218 873 A1 wird der Schwingkreis auch anhand von Figuren dargestellt, mit dem der Maser gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert wurde.
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Die Erfindung betrifft insbesondere einen Maser mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine Aufnehmerspule, eine Kapazität und eine Filterspule, ein aktives Medium aus maser-fähigen Molekülen in der Aufnehmerspule sowie eine Besetzungsinversions-Einrichtung zur Erzeugung einer Besetzungsinversion und zwar einer partiellen Besetzungsinversion in dem aktiven Medium.
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Die Besetzungsinversions-Einrichtung ist vorzugsweise so beschaffen, dass Kernspins der Moleküle auf negative Spintemperatur gebracht werden können. Alternativ ist die Besetzungsinversions-Einrichtung vorzugsweise so beschaffen, dass eine komplexe Nichtgleichgewichtsbesetzung (Multipolordnung) erzeugt wird.
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Der Maser ist vorzugsweise so beschaffen, dass die Besetzungsinversions-Einrichtung Parawasserstoff für die Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium derart umfasst, dass die Moleküle auf negative Spintemperatur gebracht werden können.
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Der Maser ist vorzugsweise so beschaffen, dass eine komplexe Spinordnung auf den maser-aktiven Molekülen erzeugt werden kann.
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Die Besetzungsinversions-Einrichtung umfasst insbesondere einen Katalysator für die Erzeugung einer Besetzungsinversion und zwar insbesondere einer partiellen Besetzungsinversion in dem aktiven Medium oder für die Erzeugung einer NichtGleichgewichtsbesetzung höherer Ordnung.
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Durch den Katalysator gelingt insbesondere eine (partielle) Besetzungsinversion mit Parawasserstoff.
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Das aktive Medium ist insbesondere eine Flüssigkeit. Ein Feststoff kann ebenfalls günstig sein. Insbesondere besteht der Feststoff aus Soft Polymeren oder umfasst Soft-Polymere.
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In einer Ausgestaltung umfasst das aktive Medium Methanol.
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In einer Ausgestaltung umfasst das aktive Medium ein organisches Lösungsmittel wie Methanol und zwar vorzugsweise d4-Methanol.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung Pyridin oder Acetonitril.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung Substanzen, die mit Parawasserstoff hyperpolarisiert werden können.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung PHIP (parahydrogen induced polarization) - aktive Substanzen.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung SABRE (signal amplification by reversible exchange) - aktive Substanzen.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung stickstoffhaltige Verbindungen.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung ein oder mehrere N-heterocyclische Verbindungen und/oder Nitrile.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung Pyridin und/oder Acetonitril.
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Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung [IrCl(cod)(IMes)].
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In einer Ausgestaltung wird der Maser im kontinuierlichen Betrieb betrieben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen nebst Figuren näher verdeutlicht.
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Die 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Masers mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine als Aufnehmerspule 1 fungierende Zylinderspule, eine abstimmbare Kapazität 2 und eine Filterspule 3 mit einem Ferritkern 4. Die Güte von Kapazität und Zylinderspule beträgt ca. 300. Die Aufnehmerspule umfasst ca. 100 Wicklungen aus Kupfer und weist einen Innendurchmesser von ca. 1 cm sowie eine Höhe von ca. 1 cm auf. Die Güte der Filterspule betrug 340.
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Ein aktives Medium 5 aus in einer Flüssigkeit gelösten organischen oder maser-fähigen Molekülen befindet sich in einem Gefäß 6. Das Gefäß 6 ist innerhalb der Aufnehmerspule 1 angeordnet. Um eine Besetzungsinversion und zwar eine partielle Besetzungsinversion zu erzielen, gibt es eine Einrichtung 7 zur Erzeugung von Parawasserstoff, der von der Einrichtung 7 über eine Leitung 8 mittels einer am Ende der Leitung 8 angeordneten Hohlnadel 9 in das Gefäß 6 hinein geleitet wird. Hierdurch werden die Kernspins der organischen oder maser-fähigenMoleküle auf eine partielle Besetzungsinversion gebracht. Ein Sonderfall davon ist die negative Spintemperatur. Die Zufuhr von Parawasserstoff wird über ein Ventil 10 gesteuert.
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Ein Druckmesser 11 überwacht den Druck im Gefäß 6 und in der Leitung 21, um die Zufuhr von Parawasserstoff in das Gefäß 6 zu überwachen und zu steuern. Ein weiteres Nadelventil 12 und ein Ventil 13 können zur Steuerung beitragen.
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Eine Transferleitung 14 ist aus zwei miteinander verdrillten Litzen gebildet, die für einen relativ großen Abstand (> 10 cm) zwischen der Aufnehmerspule 1 einerseits und Kapazität nebst Filterspule andererseits sorgt. Ein Differenzverstärker 15 ist mit der Filterspule 3 verbunden, um bei Bedarf Signale der Aufnehmerspule 1 zu verstärken.
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Aufnehmerspule 1, Transferleitung 14, abstimmbare Kapazität 2, Filterspule 3 nebst Ferritkern 4 und Differenzverstärker 15 befinden sich innerhalb einer Abschirmung 16. Außerhalb der Abschirmung 16 befindet sich eine Bedien- und/oder Auswerteelektronik, die die vom Differenzverstärker 15 verstärkten Signale darzustellen und/oder auszuwerten vermag. Die Elektronik umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine NMR-Bedieneinheit 17 und eine Datenerfassungseinrichtung 18.
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Die Abschirmung 16 reicht in eine Zylinderspule 19 so hinein, dass sich das Gefäß 6 zentral innerhalb der Zylinderspule 19 befindet. Durch die auf den Spulenkörper 20 gewickelte Zylinderspule 19 wird ein statisches magnetisches Feld B0 erzeugt.
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Ein Parawasserstoffgas mit einem Anteil von ca. 92% Parawasserstoff, welches bei einer Temperatur von 36K erzeugt wurde, wurde mit einem Druck von 5 bar in das Gefäß mit dem darin befindlichen flüssigen aktiven Medium eingeleitet. Als Lösungsmittel umfasste das flüssige aktive Medium 0,5 cm3 d4-Methanol, in dem in einem Fall einige µl Pyridin und in einem anderen Fall einige µl Acetonitril gelöst wurden. Weiter umfasste das flüssige aktive Medium einige mg [IrCl(cod)(IMes)] als Katalysator.
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Durch die Zylinderspule wurde ein statisches magnetisches Feld B0 von ca. 1 - 16 mT erzeugt. Durch die Konstruktion wurde ein Wert ΔB/B ~ 10-6 cm-3 erreicht.
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Es konnten so Maseroszillationen erzeugt werden, die nach einer Vorverstärkung durch einen Lock-in Verstärker weiter verstärkt wurden. Die so verstärkten Signale wurden mit einer Abtastgeschwindigkeit von 16 kHz durch die Erfassungseinrichtung 18 aufgezeichnet.
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Die so erhaltenen Ergebnisse sind in den 2 (für Pyridin) und 3 (für Acetonitril) gezeigt. Gezeigt wird die jeweils gemessene Amplitude in [V] gegen die Zeit in [s]. Die beiden Figuren verdeutlichen, dass nach einem Einschwingen kontinuierliche kohärente elektromagnetischen Wellen erzeugt wurden.
