DE1095326B

DE1095326B - Vorrichtung zur Verstaerkung, Erzeugung oder Frequenzumwandlung eines Mikrowellensignals

Info

Publication number: DE1095326B
Application number: DEB46369A
Authority: DE
Inventors: Nicolaas Bloembergen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-10-15
Filing date: 1957-10-11
Publication date: 1960-12-22
Also published as: US2909654A; DK106678C; GB880478A; NL6605677A; CH359757A; CH378378A; DK114073B; NL221512A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verstärkung, Erzeugung oder Frequenzumwandlung eines Mikrowellensignals durch angeregte Strahlungsemission. 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 weniger dicht besetzt sind als die niedrigeren Energieniveaus. Wenn jetzt eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz, die gemäß dem Planckschen Ge-Vorrichtung zur Verstärkung,

Erzeugung oder Frequenzumwandlung

eines Mikrowellensignals

Anmelder:

Nicolaas Bloembergen, ίο Lexington, Middlesex, Mass. (V. St. Α.),

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 15. Oktober 1956

Nicolaas Bloembergen, Lexington, Middlesex, Mass.

(V. St Α.),
ist als Erfinder genannt worden

setz (v =

wobei h die Plancksche Konstante

darstellt) der Energiedifferenz zweier Energieniveaus in einem Medium entspricht, dieses Medium 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 jetzt, wie dies in 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 Radiofrequenzsignal 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 Radiofrequenzsignals ergibt. Dies ist der Gedanke, der der Wirkungsweise eines Masers zugrunde liegt.

Für einen Maser ist somit das Vorhandensein eines Mediums erforderlich, in dem die Besetzung eines hohen Energieniveaus größer als diejenige eines niedrigen Energieniveaus ist. Eine solche Verteilung der Besetzung auf die Energieniveaus ist jedoch nicht im thermischen Gleichgewicht. Ein Medium, das sich in einer solchen Nichtgleichgewichtslage befindet, wird nachstehend bequemlichkeitshalber als »Medium mit negativer Temperatur« oder als »Medium mit einer Negativtemperaturverteilung 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.

In einem Aufsatz unter der Überschrift: »Amplification of micro-wave radiation by substances not in thermal equilibrium«, von J.Weber in den Transactions of the I. R. E., S. 1 bis 4, Juni 1953, wurde nachgewiesen, daß es möglich ist, kohärente Mikrowellenstrahlung aus Kristallen und Gasen zu erzielen, in denen zuvor eine Nichtgleichgewichtsverteilung hergestellt ist. Zum Erzielen eines Systems mit der gewünschten Nichtgleichgewichtsverteilung wird vorgeschlagen, ein magnetisches 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 parallel gerichteten Spins entsprechen, und Zustände niedrigerer Energie vorhanden sind, die parallel gerichteten Spins entsprechen. Unter diesen Umständen hat ein Mikrowellensignal mit einer Fre-

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quenz, die gemäß dem Planckschen Gesetz der Energie- sten der drei Energieniveaus die Anzahl der Moleküle differenz zwischen dem höheren und dem niedrigeren im zwischenliegenden Energieniveau oder übersteigt Energiezustand entspricht, die Neigung, vom Medium die Anzahl der Moleküle im zwischenliegenden Energieabsorbiert zu werden. Wenn dann die Richtung des niveau die Anzahl derjenigen im niedrigsten Energie-Magnetfeldes in einer Zeit umgekehrt wird, die kurz 5 niveau. In beiden Fällen wird im Molekülstrom die ist im Vergleich zur Zeit, welche die Spins zur Neu- erwünschte Nichtgleichgewichtsverteilung auf die einstellung brauchen, sind somit, bis das neue Gleich- Energieniveaus herbeigeführt, und diese kann dazu gewicht sich eingestellt hat, mehr Spinzustände hoher benutzt werden, um Strahlungsemission bei einer Fre-Energie als Spinzustände "niedriger Energie besetzt, quenz zu erzielen, die der Energiedifferenz zwischen so daß während dieser kurzen Zeit Verstärkung des io den zwei betreffenden Energieniveaus entspricht.
Mikrowellensignals möglich ist. Es hat sich jedoch Ein anderer bekannter Masertyp ist in den Comptes bisher als schwierig erwiesen, einen Maser zu bauen, Rendues, 242, S. 2451 (1956), beschrieben worden. Bei der in dieser Weise wirkt. Die erforderliche rasche diesem Typ wird ein Siliziumkristall, der mit Richtungsumkehrung des angelegten Magnetfeldes Phosphor aktiviert ist, in einem Hohlraumresonator bringt große praktische Schwierigkeiten mit sich. 15 angeordnet und dann einem Magnetfeld ausgesetzt, das Außerdem ist ein Maser dieser Art naturgemäß wenig bestrebt ist, die magnetischen Spinmomente der zugeeignet zur Verstärkung eines kontinuierlichen sätzlich an Phosphorniveaus gebundenen Elektronen Mikrowellensignals, weil er inhärent die Eigenschaft parallel zu sich ausrichten. Die Stärke des angelegten aufweist, daß er nur während eines beschränkten Magnetfeldes wird nunmehr so geändert, daß es den Teiles einer vollständigen Betriebsperiode effektiv ver- 20 Wert durchschreitet, der der Elektronenspinresonanzstärken kann. linie entspricht. Dies wird in einer Weise durch-

AIs zweite Möglichkeit wird in dem erwähnten Auf- geführt, die der Technik des adiabatischen raschen

satz vorgeschlagen, den erwünschten Nichtgleich- Übergangs ähnlich ist, die bei den bekannten Ver-

gewichtszustand dadurch herzustellen, daß ein Strom suchen mit magnetischen Kernresonanzen verwandt

von Ammoniakgas durch ein Gebiet hindurchgeführt 25 wird. Hierdurch ergibt sich eine Umkehrung hoher

wird, in dem ein elektrisches Feld vorgesehen ist, in und niedriger Spinniveaus, wodurch im Medium die

dem der 1>ekannte Stark-Effekt linear ist, und das in erwünschte Negativtemperaturverteilung erzeugt wird,

diesem Gebiet eine plötzliche Richtungsumkehrung die dann zur Verstärkung eines eintreffenden Mikro-

aufweist. Während der Zeft, in der die Ammoniak- wellensignals mit geeigneter Frequenz Anwendung

moleküle das Gebiet mit Feldumkehrung durchwan- 30 finden kann. Bei dieser Technik tritt der Negativ-

dern, könnten sie eine Änderung in der Rotations- temperatureffekt diskontinuierlich auf; er besteht näm-

energie erfahren, was zu einer Nichtgleichgewichts- lieh nur während der Relaxationszeit der Spins.

verteilung auf die Rotatipnsenergiezustände führen Danach ist zum Erzielen einer negativen Temperatur

könnte. erneut eine Umkehrung erforderlich. Es ist wichtig,

In einem Aufsatz mit dem Titel: »The maser-New 35 ein System zu benutzen, bei dem die Spin-Gitter type of microwave amplifier, frequency standard, and relaxationszeit groß ist, so daß der Nutzteil einer spectrometer«, in der Physikal Review, 99, S. 1264 Betriebsperiode groß ist. Hierdurch wird die Wahl (1955), ist ein anderer bereits bekannter Typ eines der Materialien, die Anwendung finden können, stark Masers beschrieben. Bei diesem Typ wird ein Strom beschränkt, insbesondere weil eine Verlängerung der von Ammoniakmolekülen durch ein Gebiet hindurch- 40 Relaxationszeit üblicherweise nur auf Kosten der Angeleitet, in dem ein nichtgleichmäßiges elektro- zahl der Elektronen im Kristall erhalten werden kann, statisches Feld angelegt ist, um vorwiegend nur die die zur Negativtemperaturverteilung beitragen. Weiter-Moleküle, die sich im Zustand hoher Energie befinden, hin ist die Verstärkung eines kontinuierlichen Signals zu selektieren und einem Hohlraumresonator zuzu- sehr kompliziert infolge des intermittierenden Charakführen. In dem Hohlraumresonator ergibt sich infolge- 45 ters des Negativtemperatureffektes, der diesem Typ dessen ein gasförmiges Medium, in dem die Anzahl eigen ist.

der Moleküle in hohem Energiezustand die Anzahl Weitere Verfahren zum Erzielen einer Negativ-

derjenigen in niedrigem Energiezustand übersteigt. temperaturverteilung in einem Medium sind in der

Dieses Medium hat also eine Negativtemperaturver- USA.-Patentschrift 2 762 871 beschrieben worden, die

teilung der Besetzung. Dadurch, daß dann ein Mikro- 50 am 11. September 1956 ausgegeben ist. Bei einer der

wellensignal mit einer Frequenz, die der Energiediffe- in dieser Patentschrift beschriebenen Anordnungen ist

renz zwischen dem hohen und dem niedrigen Energie- ein paramagnetischer fester Stoff in einem Magnetfeld

zustand entspricht, in den Hohlraumresonator ein- angeordnet, dessen Stärke so gewählt ist, daß im

geführt wird, ergibt sich Verstärkung des Mikro- Material bei einer gewünschten Frequenz Resonanz

wellensignals. 55 auftritt. Ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz,

In einem Aufsatz unter der Überschrift: »Possible die gleich der Resonanzfrequenz ist, wird dem Matemethods of obtaining active molecules for a molecular rial zugeführt, um die Besetzungsverteilung auf die oscillator«, in dem Journal of Experimental and zwei Energiezustände, die der gewählten Resonanz-Theoretical Physics, UdSSR, 28, S. 249 und 250 frequenz entsprechen, auf bekannte Weise umzukeh-(Februar 1955), wird bei der Erörterung eines Oszil- 60 _ren. Das Medium wird zu diesem Zweck auf negative lators, der den vorstehend beschriebenen Masertyp Temperatur gebracht und auf diese Weise in einen verwendet, vorgeschlagen, daß ein Molekülstrom, in Zustand versetzt, der sich zur Verstärkung eines eindem die Anzahl der Moleküle in hohem Energiezustand treffenden Mikrowellensignals der erwähnten Resogrößer als die Anzahl derjenigen in niedrigem Energie- nanzfrequenz während der Relaxationszeit des umzustand ist, dadurch erhalten werden könnte, daß der 65 gekehrten Systems eignet. Um die Schwierigkeiten zu Molekülstrom vorher Hochfrequenzfeldern ausgesetzt vermeiden, die sich bei dieser Anordnung aus der Tatwird, die Übergänge zwischen zwei Energieniveaus, sache ergeben, daß die Frequenz des die Umkehrung die ein zwischenliegendes Energieniveau einschließen, bewirkenden Signals derjenigen des vom Medium zu bewirken. Infolgedessen übersteigt im Sättigungs- verstärkenden Signals gleich sein soll, wird ein weizustand entweder die Anzahl der Moleküle im hoch- 70 terer 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 ankommende Signal mit einer anderen 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 Negativtemperaturverteilung benutzen. Außer der komplizierten Struktur einer solchen ein Gas benutzenden Vorrichtung liegt weiter die Tatsache vor, daß nachgewiesen werden kann, daß mit einem festen Stoff als Medium mit Negativtemperaturverteilung eine erheblich niedrigere Rauschzahl erzielbar ist als mit einem ein Gas verwendenden Maser, und zwar vorwiegend, weil bei Anwendung eines festen Stoffs bei einer niedrigeren Betriebstemperatur gearbeitet werden kann.

Die Erfindung bezweckt denn auch zunächst, einen Festkörper-Maser zu schaffen, der zu inhärent kontinuierlichem 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. Alle diese Vorteile sind mit einem Maser gemäß der Erfindung erzielbar.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Koppeln eines Verstärkers mit negativem Widerstand und geringem Eigenrauschen mit einer Belastung. Die Anwendung eines nichtreziproken Kopplungselementes zwischen der Belastung und dem Verstärker dient zur Vermeidung von Rückwirkung des Rauschens der Belastung, z. B. auf die Maserverstärkungsvorrichtung. Denn da eine Maservorrichtung ein Verstärker mit negativem Widerstand und geringem Eigenrauschen ist, sollen zur Beibehaltung des Vorteils des niedrigen Rauschpegels auch die anderen Rauschquellen niedriggehalten werden. Insbesondere gilt dies für die Belastung. Wenn die Maservorrichtung einfach mit der Belastung gekoppelt wird, wird das in der Belastung entstehende Rauschen wieder in die Maservorrichtung zurückkehren, und da diese ein Verstärker mit negativem Widerstand ist, wird dieses Rauschen mitverstärkt, so daß, wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, der Vorteil des niedrigen Rauschpegels der Vorrichtung durch Ankopplung an die Belastung wieder für einen wichtigen Teil verlorenginge. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung, die in der Anwendung eines nichtreziproken Elementes bestehen, mit anderen Worten, eines einseitig in der Richtung zur Belastung durchlässigen Kopplungselementes mit niedrigem Rauschen, wodurch Rückkopplung des Rauschens der Belastung in den negativen Widerstand vermieden wird, haben den Vorteil, daß keine besonderen Kühlungsmaßnahmen hinsichtlich der Belastung getroffen zu werden brauchen. Dies ist auf alle Maservorrichtungen und auf analog arbeitende Vorrichtungen anwendbar, in denen die Verstärkung mit niedrigem Rauschpegel durch einen negativen Widerstand herbeigeführt wird, mit anderen Worten, diese Maßnahme ist allgemein und in derselben Weise anwendbar auf alle Verstärker mit negativem Widerstand und geringem Eigenrauschen.

Der Effekt und die Maßnahme sind allerdings im

wesentlichen auf Verstärker mit niedrigem Eigenrauschpegel und mit negativem Widerstand beschränkt, denn bei dem üblichen Verstärker ohne negativen Widerstand und ohne niedrigen Rauschpegel besteht keine Gefahr, daß bei Rückkopplung das Rauschen der Belastung durch den Verstärker wieder verstärkt

¹S wird, auf der anderen Seite ist diese Maßnahme nur zweckmäßig für solche Verstärker mit niedrigem Rauschpegel.

Ein Maser gemäß der Erfindung enthält einen Festkörper, der ein Energieniveausystem mit wenigstens drei Energieniveaus aufweist. Dieses Energieniveausystem kann beispielsweise von Zentren herrühren, die in den Festkörper eingebaut sind. Ferner enthält ein Maser gemäß der Erfindung wenigstens eine Mikrowellenenergiequelle zum Zuführen wenigstens eines Hilfssignals an den Festkörper, das in diesem Übergänge von einem niedrigeren Energieniveau zu einem nicht angrenzenden höheren Energieniveau bewirkt und dadurch eine Negativtemperaturverteilung der Besetzung eines zwischen diesen beiden primären Energieniveaus liegenden Energieniveaus und eines anderen Energieniveaus veranlaßt. Weiter sind Mittel zum Zu- und Abführen eines Mikrowellenbetriebssignals zum bzw. vom Festkörper vorgesehen, das durch Herbeiführung von Übergängen zwischen den beiden letzterwähnten sekundären Energieniveaus die Negativtemperaturverteilung der sekundären Energieniveaus ausnutzt.

Die Energiedifferenzen zwischen den betreffenden Energieniveaus werden entsprechend den zur Verwendung erwünschten Frequenzbereichen gewählt. Gemäß dem Planckschen Gesetz entspricht die Frequenz des Hilfssignals der Energiedifferenz zwischen den beiden primären Energieniveaus, während die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen den

⁴^ beiden sekundären Energieniveaus entspricht.

Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der ein Festkörper verwendet wird, bei 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 Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines zwischen den beiden primären Energieniveaus liegenden Zwischenenergieniveaus und eines der beiden primären Energieniveaus.

Es ist jedoch auch möglich, daß das Hilfssignal eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung zweier zwischen den beiden primären Energieniveaus liegenden Zwischenenergieniveaus bewiirkt. Dadurch, daß die Frequenz des Betriebssignals entsprechend der Energiedifferenz zweier solcher Energieniveaus gewählt wird, zwischen denen eine Negativtemperaturverteilung herrscht, kann diese beispielsweise zur Verstärkung benutzt werden. In diesen Fällen umfaßt das dem Hilfssignal entsprechende Energie-Intervall das dem Betriebssignal entsprechende

Energieintervall, so daß in diesen Fällen die Frequenz des Hilfssignals stets größer als die Frequenz des Betriebssignals ist.

Eine besondere Vorrichtung gemäß der Erfindung ist auch die, welche einen Festkörper benutzt, der ein Energieniveausystem von mindestens vier Energieniveaus aufweist, wobei wenigstens eine Mikrowellenenergiequelle zum Zuführen wenigstens zweier Hilfssignale an den festen Stoff vorgesehen ist. Mindestens eines dieser Hilfssignale bewirkt dabei Übergänge über ein erstes Energieintervall, das von zwei nicht aneinander angrenzenden Energieniveaus gebildet wird, während wenigstens ein weiteres Hilfssignal Übergänge über ein zweites, an das zuerst erwähnte Energieintervall angrenzendes Energieintervall zwisehen zwei Energieniveaus bewirkt. Die Hilfssignale erzeugen im Festkörper eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveaus und eines außerhalb des ersten Energieinter- ao valls liegenden Energieniveaus. Ein Mikrowellenbetriebssignal benutzt dabei durch die Herstellung von Übergängen zwischen diesen zwei Energieniveaus deren Negativtemperaturverteilung. Bevorzugte Ausführungsformen eines solchen Masers gemaß der Erfindung mit mehrfachen Übergängen sind bespielsweise die, bei denen das erste Intervall niedriger als das zweite Energieintervall ist, während die Hilfssignale eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveaus und des höchsten Energieniveaus des zweiten Energieintervalls bewirken, und auch die, bei denen das erste Energieintervall höher als das zweite Energieintervall liegt, während die Hilfssignale eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveaus und des niedrigsten Energieniveaus des zweiten Energieintervalls bewirken. Die Frequenz des Betriebssignals entspricht dabei der Energiedifferenz zwischen den betreffenden beiden Energieniveaus, zwischen denen die Negativtemperaturverteilung herrscht. Bei diesen beiden Ausführungsformen kann das zweite Energieintervall auch von zwei nicht aneinandergrenzenden Energieniveaus gebildet werden.

Eine weitere Ausführungsform eines Masers mit mehrfachen Übergängen gemäß der Erfindung ist diejenige, bei der nicht nur das erwähnte erste Energieintervall, sondern auch das erwähnte zweite Energieintervall von zwei nicht aneinandergrenzenden Energieniveaus gebildet werden, während die Hilfssignale eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveaus und eines im zweiten 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 erste Energieintervall höher oder aber niedriger als das zweite Energieintervall im Energieschema des festen Stoffes liegt. Wenn jetzt bei einer solchen Vorrichtung gemäß der Erfindung mit mehrfachen Übergängen der Festkörper ein Energieniveausystem besitzt, in dem das Energieintervall zwischen dem im ersten Energieintervall liegenden Zwischenenergieniveau und dem außerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Energieniveau größer als das erste Energieintervall und größer als das zweite 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 erste Energieintervall und das zweite Energieintervall praktisch gleich groß sind, wird der besondere Vorteil erzielt, daß nur eine Mikrowellenquelle zum Zuführen beider Hilfssignale vorgesehen sein muß.

Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich ein paramagnetischer fester Stoff, vorzugsweise ein ionisch gebundenes paramagnetisches Salz oder Oxyd, besonders zur Verwendung als Festkörper. Ferner sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, durch die der Festkörper auf wenige Grade Kelvin abgekühlt werden kann, um die Vorteile des geringen Rauschens völlig erreichen zu können.

Die Erfindung wird an Hand einiger Figuren näher erläutert.

Fig. 1 stellt ein Niveauschema eines Festkörpers mit mehreren Energieniveaus 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 eiiner Vorrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert wird, werden zunächst die allgemeinen Grundsätze erörtert, die bei der Wahl eines Festkörpers, der sich zur Anwendung als Medium mit Negativtemperaturverteilung eignet, wichtig sind.

Bequemlichkeitshalber wird ein Festkörper betrachtet, der bei den niedrigen Temperaturen, diie besonders vorteilhaft zum Betrieb sind, einen dreifachen Grundzustand aufweist mit Energieabständen zwischen den Energieniveaus E₁, E₂ und E₃, die im Mikrowellenbereich liegen (s. Fig. 1). Es wird angenommen, daß die Wahrscheinlichkeit eines Ülierganges zwischen den Energieniveaus E₁ und E₃ und zwischen den Energieniveaus E₂ und E₃ hinreichend groß ist. Die verschiedenen Energiezustände erfahren eine Wechselwirkung mit dem Kristallgitter, das bei der erwünschten Betriebstemperatur als ein Temperaturbad 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 E₁ und E₃ voneinander entspricht, um Übergänge vom Niveau E₁ zum Niveau E₃ zu bewirken. Es ergibt sich jetzt hinsichtlich der Besetzung dieser beiden Niveaus eine neue Gleichgewichtslage Unter der Einwirkung der auffallenden Strahlung und des Spingitterrelaxationsmechanismus. Wenn die Intensität des Hilfssignals groß genug ist und die Spingitterrelaxationszeit 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 E₁ und E₃. Im erste-

ren Falle ist Maserwirkung bei derjenigen Frequenz möglich, die der Energiedifferenz zwischen den Niveaus E₁ und E₂ entspricht, während im letzteren Falle Maserwirkung bei einer Frequenz möglich ist, die der Energiedifferenz zwischen den Niveaus E₂ und E₃ entspricht. Obgleich in der Figur das Energiewerden. Diese Mischung von Spinzuständen ergibt sich auch in einem nichtaxialen Kristallfeld ohne das Vorhandensein eines Magnetfeldes.

Paramagnetische Salze, die bereits eingehend be-5 schrieben wurden und welche die erwünschten Eigenschaften aufweisen, sind unter anderem Nickelfluorsilikate und Gadoliniumäthylsulfat. Entsprechende Eigenschaften weisen auch die ionisch gebundenen paramagnetischen Salze oder Oxyde wenigstens eines

niveau -E₂ näher beim Energieniveau E₃ als beim Energieniveau E₁ dargestellt ist, ist dies praktisch belanglos; das EnergieniveauE₂ kann sich auf jeder

beliebigen Höhe zwischen den nicht aneinander an- io der Elemente aus den Übergangsgruppen, beispielsgrenzenden Energieniveaus E₁ und E₃ befinden. Nur weise der Eisengruppe und der Gruppe der seltenen wenn zufälligerweise das Energieniveau E₂ gerade Erden, auf. Die vorstehend besonders erwähnten in der Mitte zwischen den Energieniveaus E₁ und Kristalle haben den Vorteil, daß Ijei ihnen sämtliche E₃ liegt, können im vorliegenden Beispiel praktisch magnetischen Ionen das gleiche Kristallfeld besitzen Schwierigkeiten auftreten, weil dann infolge der 15 und daß Hyperfeinstruktur des Kernes fehlt. Hiergleichen Größe der Energieintervalle Strahlungs- durch wird die Anzahl der möglichen Übergänge beemission auftritt, die von dem einen Paar Energie- schränkt.

niveaus, zwischen denen die Negativremperaturvertei- Zweckmäßig finden in magnetischer Hinsicht ver-

lung herrscht, herrührt, jedoch auch Strahlungs- dünnte Salze Anwendung, um die Linienbreite zu beabsorption auftreten kann durch das andere Paar »0 schränken und die individuellen Resonanzübergänge Energieniveaus, zwischen denen eine Positivtempera- voneinander zu trennen. Ein Einkristall beispielsturverteilung herrscht, die das Spiegelbild der Nega- weise, der zu 95^fl/o aus ZnSiF₆—6 H₂O und zu 5% tivtemperaturverteilung zwischen dem einen Niveau- aus dem isomorphen Nickelsatz besteht, weist eine paar sein kann. In diesem Sonderfall könnte somit die Linienbreite von 50 örsted und eine mittlere Kristall-Maserwirkung durch die Strahlungsabsorption im 25 feldaufspaltung <5 der Nickelionen auf, die gleich festen Stoff zunichtegemacht werden. 0,12 cm"¹ ist. Bei einer effektiven Spinzahl 1 sind drei

Zwischen den Energieniveaus E₁ und E₃ können Energieniveaus von Belang, während aus Messungen sich auch mehrere Zwischenenergieniveaus befinden. hervorging, daß die Spin-Gitterrelaxationszeit bei 2° Maserwirkung ist dann auch zwischen zwei dieser Kelvin etwa 10~⁴ Sekunden ist. Die in diesem Zusam-Zwischenenergieniveaus möglich. Die vorstehend be- 30 menhang wichtigen Eigenschaften dieser Salze sind schriebenen technischen Verfahren sind auf analoge in einem Aufsatz in den Proceedings of the Physical

Society A, 63, S. 29 (1950), beschrieben worden.

Ein anderer Einkristall, der zu 99% aus La (C₂ H₅ S O₄) 3 · 9 H₂O und zu 1% aus dem iso-35 morphen Gadoliniumsalz besteht, hat eine effektive Spinzahl S = ¹Jz. Beim Fehlen eines Feldes gibt es vier Doppeltniveaus, die durch eine Kristallfeldaufspaltung b von 0,113cm-¹,0,083cm"¹ bzw.0,046cm-¹, bei 20° Kelvin gemessen, voneinander getrennt sind. Oxyde den Vorzug. Weiter können auch feste Stoffe 40 Diese Spaltungen sind praktisch unabhängig von der mit Kernspinsystemen, wie beispielsweise diamagne- Temperatur. Die Linienbreite beträgt 7 örsted. Diese tische Stoffe mit einem Kernspinsystem, Anwendung Breite kann dadurch um einen Faktor 3 verringert finden. Die Wahl eines solchen Stoffes ist in hohem werden, daß Deuterium enthaltende Salze Verwendung Maße davon abhängig, ob in ihm geeignete Energie- finden. Die Relaxationszeit beträgt etwa 10~² Sekunniveaus bestehen und ob Matrizenelemente des ma- 45 den bei 2° Kelvin. In diesem Zusammenhang wichtige gnetischen Momentoperators zwischen den verschie- Eigenschaften dieses Salzes sind in einem Aufsatz in denen Spinniveaus auftreten. Der Absorptionsvorgang den Proceedings of the Royal Society, A, 223, S. 15 und der angeregte Emissionsvorgang sind unmittelbar (1954), beschrieben worden.

von diesem Operator abhängig, die Relaxationsgliieder Zur Erläuterung der Erfindung wird jetzt die Aus-

jedoch hängen auch über die Spinbahnkopplung vom 50 führungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfin-Spindrehimpulsmomentoperator ab. Es ist wichtig, dung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, näher erörtert, daß sämtliche nicht diagonalen Elemente zwischen den Als Medium mit Negativtemperaturverteilung findet drei Spinniveaus ungleich Null sind. Dies wird da- bei dieser Vorrichtung, die insbesondere zur Verstärdurch erzielt, daß das paramagnetische Salz mit einer kung eines Signals von 1420 MHz hergestellt ist, der Kriistallfeldaufspaltung δ in ein magnetisches Feld ge- 55 verdünnte Nickelfluorsilikatkristall Anwendung, der bracht wird, das einen Winkel mit der Achse eines vorstehend bereits näher beschrieben wurde. Die Vor-Kristallfeldes einschließt. Die Stärke dieses Feldes richtung 10 enthält einen koaxialen Hohlraumresonawird so gewählt, daß die Zeemanenergife mit der tor 11 einer in der Mikrowellentechnik bekannten Art, Kristallfeldaufspaltung vergleichbar ist. In diesem Falle der im Grundzustand bei der Betriebssignalfrequenz werden die Zustände mit magnetischen Quantenzahlen 60 schwingt und bei der Frequenz des Hilfssignals, das m_s alle miteinander vermischt. Die Vermischung der dazu Verwendung findet, um Übergänge von niedrigem Spinzustände durch Wechselwirkung zwischen der Niveau E₁ zum hohen Niveau E₃ zu erzeugen, gemäß Zeemanenergie und der Kristallfeldenergie, die ver- einem höheren Wellentyp schwingt. Die Hilfssignalgleichbare Werte aufweisen, ist wichtig. Die Energie- frequenz beträgt 10 000 MHz. Weil es erwünscht ist, niveaus und die Matrizenelemente des Spindrehimpuls- 65 den Hohlraumresonator unabhängig auf die beiden momentoperators können durch einenumerische Lösung Resonanzfrequenzen einstellen zu können, ist er mit der charakteristischen Gleichung der Hamiltonschen einem dielektrischen Element 12, vorzugsweise einem Funktion des Spins ermittelt werden. Wenn die An- Stück Rutil, versehen, dessen Gestalt einem Kreiszahl der Spinniveaus größer als drei ist, können aus sektor ähnlich ist und dessen Stelle nachgeregelt wird, ihnen für den Betrieb drei geeignete Niveaus gewählt 70 um den Hohlraumresonator auf die höhere der zwei

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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

li

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 Nickelfluorsilikatsalzes angebracht. Aus einer Berechnung geht hervor, daß für einen Hohlraumresonator, der bei einer Betriebstemperatur von 2° Kelvin ein Q von 10⁴ und ein Volumen von 60 cm³ aufweist, die Bedingungen für Verstärkung erfüllt werden, wenn die Anzahl der Elektronenspins im Kristall größer als 3 · 10¹⁸ ist. Die erforderliche Mindestanzahl von Nickelionen ist in etwa 0,02 cm³ des verdünnten Nickelfluorsilikatsalzes 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 Energieniveausystem 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 paramagnetisehen 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 E₁ und E₃ zu erreichen. Sättigung tritt beispielsweise auf, wenn die magnetische Feldstärke des Hilfssignals im Kristall angenähert 0,2 örsted 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 Nutzbandbreite 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. Hierzu 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, um so höher ist auch der Rauschpegel und um so geringer die Spin-Gitterrelaxationszeit. Diese Verkürzung der Relaxationszeit hat zur Folge, daß die magnetische Feldstärke des Hilfssignals erhöht werden muß, um Sättigung zwi-

ao sehen den Niveaus E₁ und E₃ 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 gesteuert wird, einen geraden Wellenleiter, beispielsweise einen Hohlleiter zu verwenden. In einem Teil dieses Hohlleiters wird dabei das Medium mit der Negativtemperaturverteilung angebracht. Bei einer solchen Vorrichtung wird das Betriebssignal beim Durchgang durch den Wellenleiter durch denjenigen Teil hindurchgeführt, der das Medium mit der Negativtemperaturverteilung 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 angewendet werden, jedoch auch, wenn er auf einem genügend hohen 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 jedoch die Eingangskopplung überflüssig und wird denn auch vorzugsweise fortgelassen. Mit einem Messer 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 allgemeinen 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

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 ferromagnetiechen ab. Dies verringert das Bedürfnis nach Schutzmaß- S Materials anzuwenden. Dieser Gyrator ist ein kennnahmen gegen das Ausbrennen des Masers. zeichnender Teil eines Zirkulators vom Typ, der im Ein Maser gemäß der Erfindung kann auf einfache vorstehend erwähnten Aufsatz in »The Bell System Weise an jeder gewünschten Stelle eines ausgedehnten Technical Journal« beschrieben worden ist. Die An-Wellenübertragungssystems angeordnet werden. An Wendung paramagnetischen Materials ist im vorliegen-Hand der Abbildung der Fig. 3 wird jetzt noch eine io den Falle dadurch möglich, daß bei der erwähnten typische Anwendung eines Masers gemäß der Erfin- niedrigen Temperatur die erzielbare Magnetisierung dung als Vorverstärker in einem Empfangsgerät er- groß genug wird. Vorzugsweise wird außerdem die läutert. laufende Belastung am Arm d auf niedriger Tempe-Bei dieser Vorrichtung findet eine Antenne 21 An- ratur gehalten. Weil der Zirkulator bereits die Nutzwendung zum Auffangen von Übertragungssignalen, 15 last vom festen Stoff trennt und infolgedessen Rück- und diese Signale werden dann einem Arm α eines wirkung der Last auf den festen Stoff verringert, ist Zirkulators 22 zugeführt. Unter einem Zirkulator es wahrscheinlich nicht nötig, besondere Maßnahmen wird in der Mikrowellentechnik ein nichtreziprokes in bezug auf die Nutzlast durchzuführen. In der Übertragungselement verstanden. In einem Aufsatz: Zeichnung ist mittels der gestrichelten Linie 28 ange- »The microwave gyrator« im Bell System Technical 20 geben, daß die von dieser gestrichelten Linie umgebe-Journal, Jahrgang 31, S. 1 bis 31 (1952), ist ein Zir- nen Elemente in einer geeigneten Kühlanlage untergekulator beschrieben, der sich zur Verwendung in der bracht sind.

erwähnten Vorrichtung eignet. Es ist kennzeichnend Einfachheitshalber sind die verschiedenen Filterfür einen solchen Zirkulator, daß die dem Arm α zu- elemente, die dazu benutzt werden, um die Übertrageführte Energie sich selektiv in Richtung des 25 gung des Hilfssignals auf die Nutzlast auf ein Min-Armes b fortpflanzt. Der Arm b des Zirkulators dient destmaß zu beschränken, nicht dargestellt, weil sie von zur Zufuhr des Betriebssignals an den Maser 23, der einem Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres anvorzugsweise vom in Fig. 2 dargestellten Typ ist, wo- gebracht werden können. Es wird darauf hingewiesen, bei jedoch die Kopplungssonden zur Zu- und Abfuhr daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des zu verstärkenden Signals zusammenfallen. Das 3° und Anordnungen nur zur Erläuterung der allgemei-Ausgangssignal wird über die gleiche Kopplungs- nen Grundsätze der Erfindung dienen. Ein Fachmann schleife, die zur Einführung des Signals in den Hohl- kann verschiedenartige Änderungen vornehmen, ohne raumresonator dient, aus diesem Hohlraumresonator den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Namentabgeführt. Aus dem Hohlraumresonator wird das lieh sind unterschiedliche feste Stoffe mit der ge-Ausgangssignal dem Arm b zugeführt und pflanzt sich 35 wünschten Verteilung der Energieniveaus verwenddann selektiv in Richtung des Armes c durch den Zir- bar. Insbesondere kann ein Maser gemäß der Erfinkulator fort. Das Hilfssignal wird vom Hilfsoszillator dung hergestellt werden, der Änderungen in den 24 dem Hohlraumresonator zugeführt. Der Arm c des Kernquantenzahlen benutzt. Als Medium mit Negativ-Zirkulators liefert seinerseits die Energie an die Be- temperaturverteilung kann beispielsweise ein paralastung 25, die meist eine weitere Stufe des Empfän- 40 magnetisches Salz oder ein organischer freier Rest gers oder, wenn eine größere Verstärkung, als mit mit Hyperfeinstruktur Anwendung finden, so daß der einer einzigen Maserstufe erreicht werden kann, ver- elektronischen Zeemanspaltung eine hyperfeine Auflangt wird, der Hohlraumresonator einer zweiten spaltung überlagert wird, so daß sich ein Mehrfach-Maserstufe ist. Um zu verhüten, daß Energie, die in- energieniveausystem ergibt. Auch können feste Stoffe folge von Fehlanpassung an der Belastung reflektiert 45 Verwendung finden mit Niveaus der Kernspins mit wird, wieder zur Belastung zurückkehrt, enthält der Vierpolwechselwirkung in nichtkubischen diamagnetischen Kristallen, wie beispielsweise Jod. Zum Erhalten der gewünschten Nichtgleichgewichtsverteilung im Medium können Übergänge zwischen Energie-50 niveaus, 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

riger Temperatur, und zwar auf wenigen Graden 55 der Erfindung mehrere Parameter, deren Änderungen Kelvin gehalten wird. Um die Maserwirkung bei einer dazu benutzt werden können, um entweder die Ampliderartigen Temperatur noch weiter zu verbessern, ist tude oder die Frequenzkurve des Ausgangssignals zu es auch von Belang, das Rauschen sämtlicher weiteren ändern.

möglichen Quellen auf ein Mindestmaß zu beschrän- Es wird noch darauf hingewiesen, daß, obgleich der

ken. Deshalb werden vorzugsweise der feste Stoff, das 60 Ausdruck Maser auf einen Betrieb im Mikrowellennichtreziproke Übertragungselement, beispielsweise gebiet hinweist, durch die Wahl geeigneter Betriebsder Zirkulator, die praktisch angepaßte Belastung des Verhältnisse Verstärkung sogar bei Frequenzen erziel-Armes d und auch der Hohlraumresonator auf wenige bar ist, die unterhalb der üblicherweise als untere Grade Kelvin abgekühlt. Die Antenne sieht in Wirk- Grenze betrachteten Grenze des Mikrowellenbereiches lichkeit die Strahlungstemperatur des interstellaren 65 liegen. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird denn Raumes und wird infolgedessen keine wichtige auch die untere Grenze des zu verwendenden Mikro-Rauschquelle sein. Da der Zirkulator einen Signal- Wellenbereiches auf eine Frequenz von 100 MHz oder verlust zwischen der Antenne und dem Maser mit sich sogar niedriger verlegt.

bringt, wird er jedoch vorzugsweise gleichfalls auf Wie hier vorstehend bereits beschrieben wurde,

der niedrigen Temperatur gehalten, auf die der feste 7° können die Grundsätze der Erfindung auch auf Vor-

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 mrt
Rücksicht auf die Erzielung einer möglichst guten
Rauschcharakteristik eines Masers gemäß der Erfindung vorteilhaft, daß dieser auf verhältnismäßig nied-

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richtungen 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. Man betrachte einen festen Stoff, der ein Energieniveausystem mit vier Energieniveaus E₁, E₂, E₃ und Ε_Λ aufweist. Ein Beispiel eines solchen festen Stoffes ist das vorstehend bereits näher beschriebene Gadolipiumsalz. Dem festen Stoff wird ein Hilfssignal mit einer geeigneten Frequenz zugeführt, um Übergänge zwischen den Niveaus E₁ und E₂ zu bewirken, und zwar derart, daß Sättigung dieser Niveaus erreicht wird Und 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 artgrenzenden Niveaus E₂ und E₁ zu bewirken, wodurch sich Sättigung ergibt und die Besetzungen auch dieser beiden Niveaus praktisch ausgeglichen werden. Unter diesen ao Umständen läßt sich im zwischenHegenderi Niveau E₃ eine Besetzung erzielen, die größer als die Besetzung des Niveaus E₁ ist. Hierfür ist ein Betrieb bei niedriger Temperatur wichtig. Ein Signal mit einer Frequenz, die der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus E₁ und E₃ entspricht, kann jetzt verstärkt werden. Durch passende Wahl der Betriebsparameter ist es möglich, den Energieabstand der Niveaus JS₁ und E_z voneinander größer als die Energieintervälle zwischen E₂ und E₄ einerseits und zwischen E₁ und E₂ 3» andererseits zu wählen. Dies ermöglicht die Verstärkung eines Betriebssignals mit einer Frequenz, die höher als die Frequenzen der Hilfssignale ist. Es ergibt sich noch ein besonderer Vorteil, wenn das Energieintervall E₂, E₄ und das Energieintervall E₁, E₂ gleich groß sind. Es genügt dann eine einzige Hilfsfrequenz, um beide Übergänge zu bewirken.

Es dürfte ohne weiteres einleuchten, daß noch viele andere Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die mehrfache Übergänge benutzen, möglich sind. Einige besondere Ausführungsformen wurden bereits vorstehend angegeben.

Claims

pATENTANSPBÜCHE:

1. Vorrichtung zur Verstärkung, Erzeugung oder Frequenzumwandlung eines Mikrowellensignals durch angeregte Strahlungsemission, dadurch gekentizekfanetj daß diese Vorrichtung enthält:

a) einen Festkörper, der ein Energieniveausystem von wenigstens drei Energienkveaus aufweist,

b) mindestens eine Mikrowellenenergiequelle zur Zuführung wenigstens eines Hilfssignals an den Festkörper, das in diesem Übergänge von einem niedrigeren Energieniveau zu einem nicht daran grenzenden höheren Energieniveau bewirkt und dadurch eine Negativ-^ temperaturverteilung der Besetzung eines zwischen diesen beiden primären Energieniveaus liegenden Energreniveaus und eines anderen Energieniveaus veranlaßt, und

c) Mittel zur Zu- und Abfuhr eines Mikrowellenbetriebssignals zum bzw. vom Festkörper, welches durch Herbeiführung von Übergängen zwischen den beiden letztgenannten, sekundären Energieniveaus die Negativtemperaturverteilung der Besetzung der sekundären Energieniveaus ausnutzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Hilfssignals der Energiedifferenz zwischen den beiden primären Energieniveaus entspricht, während die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen den beiden sekundären Energieniveaus entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörper verwendet wird, bei dem die Energiedifferenz der beiden primären Energieniveaus sich von derjenigen der beiden sekundären Energieniveaus unterscheidet, und daß die Frequenzen des Hiäfssignals und des Betriebssignals sich entsprechend voneinander unterscheiden.

4. Vorrichtung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssignal eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines der beiden primären Energieniveaus und eines der zwischenliegenden Energieniveaus herbeiführt, während die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen diesen zwischenliegenden Energreniveau und demjenigen der beiden primären Energieniveaus entspricht, in bezug auf wekhes die Negätivtemperaturverteilung herrscht.

5. Vorrichtung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssignal eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung zweier zwischen den beiden primären Energieniveaus lifcgenden Energieniveatts herbeiführt, während die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz dieser beiden zwischenliegenden Energieniveaus entspricht.

6. Vorrichtung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörper mit einem Energieniveausystem von mindestens vier Energieniveaus verwendet wird und mindestens eine Mikrowelleneriergiequelle zürn Zuführen wenigstens zweier Hilfssignale an den festen Stoff vorgesehen ist, von denen wenigstens ein Hilfssignal Übergänge über ekt erstes Energieintervall herbeiführt, das von zwei nicht aneinander angrenzenden Energieniveaus gebildet wird, und wenigstens ein weiteres Hilfssignal Übergänge über ein zweites, an das erste Intervall angrenzendes Energieintervall zwischen zwei Energieniveaus herbeiführt, welche Hilfssignale im Festkörper eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines im ersten Energieintervall liegenden Zwischenenergieniveaus und eines außerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Energieniveaus bewirken, und daß ein Mikrowellenbetriebssignal durch Herbeiführung von Übergängen zwischen den beiden Energieniveaus deren Negativtemperaturverteilung benutzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Energieintervall höher als das zweite Energieintervall liegt und die Hilfssignale eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung des erwähnten Zwischenenergieniveaus und des niedrigeren Energieniveaus des zweiten Energieintervalls herbeiführen und daß die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen diesen beiden Niveaus entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Intervall niedriger als das zweite Energieintervall liegt und die Hilfssignale eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung des erwähnten Zwischenenergieniveaus und des höheren Energieniveaus des zweiten Energieintervalls herbeiführen und daß die

Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen diesen beiden Energieniveaus entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch das zweite Energieintervall von zwei nicht aneinander angrenzenden Energieniveaus des erwähnten Systems gebildet wird, während die Hilfssignale eine Negativtemperaturverteilung hinsichtlich der Besetzung eines innerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveaus und eines im zweiten Energieintervall liegenden Zwischenenergieniveaus herbeiführen und die Frequenz des Betriebssignals der Energiedifferenz zwischen diesen beiden Energieniveaus entspricht.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörper verwendet wird, bei dem das Energieintervall zwischen dem innerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Zwischenenergieniveau und dem außerhalb des ersten Energieintervalls liegenden Energieniveau größer als das erste Energieintervall und als das zweite Energieintervall ist, und daß die Frequenz des Betriebssignals entsprechend größer als diejenige der Hilfssignale ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Energieintervall und das zweite Energieintervall praktisch gleich groß sind und nur eine Mikrowellenquelle zur Zuführung beider Hilfssignale mit einer entsprechenden Frequenz vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines paramagnetischen Festkörpers.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein ionisch gebundenes paramagnetisches Salz oder Oxyd ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und/oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein ionisch gebundenes paramagnetisches Salz oder Oxyd mindestens eines der Elemente aus den Übergangsgruppen von Eisen und den seltenen Erden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Nickelfluorsilikatsalz ist.

16. Vorrrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Gadoliniumsalz ist.

17. Vorrrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Stoff mit einem Kernspinsystem ist.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abkühlen des Festkörpers auf wenige Grade Kelvin vorgesehen sind.

19. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die ein statisches magnetisches Feld im Festkörper angelegt wird, das die Energieniveaus beeinflußt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld, insbesondere seine Feldstärke und Richtung, zum Einstellen der erwünschten Energieintervalle zwischen den Energieniveaus regelbar ist.

21. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Festkörper in einem Hohlraumresonator befindet, der wenigstens zwei verschiedene Resonanzmoden verschiedener Frequenz aufweist, deren eine der Frequenz des Hilf ssignals entspricht, während eine andere derjenigen des Betriebssignals entspricht, und daß am Hohlraumresonator Mittel zum energetischen Austausch eines Betriebssignals und wenigstens eines Hilfssignals mit dem Hohlraumresonator vorgesehen sind.

22. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Abfuhr eines Mikrowellenbetriebssignals von dem Festkörper zu einer Belastung ein nichtreziprokes Übertragungselement enthalten, wodurch die Rückwirkung der Belastung auf den festen Stoff verringert wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zu- und Abfuhr des Betriebssignals zum bzw. vom Festkörper einen Zirkulator mit verschiedenen Zweigen enthalten und daß einem Zweig das zu verstärkende Betriebssignal zugeführt wird, während ein folgender Zweig das zu verstärkende Signal dem Festkörper zugeführt und das verstärkte Betriebssignal aus dem Festkörper abführt und ein weiterer darauffolgender Zweig das verstärkte Betriebssignal der Belastung zuführt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator einen weiteren Zweig aufweist, der dem zuletzt erwähnten Zweig folgt und durch eine praktisch angepaßte Belastung abgeschlossen ist.

25. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abkühlen des Festkörpers, des nichtreziproken Übertragungselementes, der praktisch angepaßten Belastung und des Hohlraumresonators auf wenige Grade Kelvin vorgesehen sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der ein Zirkulator als nichtreziprokes Übertragungselement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gyrator des Zirkulators aus einem paramagnetischen Stoff besteht.

27. Empfangsvorrichtung, die als Vorverstärker wenigstens eine Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen