DE1125482B - Anordnung zum Speichern von Hochfrequenz-Impulsen nach dem Spin-Echo-Verfahren - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Hochfrequenz-Impulse nach dem sogenannten Spin-Echo-Verfahren zu speichern. Es ist dies sowohl unter Ausnutzung des Kern-Spins als auch des Elektronen-Spins möglich. Die für die Wirkung des Spin-Echo-Effekts maßgebende Larmor-Frequenz und daher auch die Trägerfrequenz der Impulse sind beim Kern-Spin und beim Elektronen-Spin (etwa 20 bzw. etwa 28 000 MHz) sehr verschieden. Der Erfindungsgegenstand betrifft eine derartige Anordnung zum Speichern von Hochfrequenzimpulsen nach dem Spin-Eoho-Verfahren, bei dem die Spin-Magnetmoment-Vektoren bei der Echobildung in einer bestimmten Ebene (Echoebene) umlaufen.

Bei diesem Spin-Echo-Verfahren bereitet die Entdeckung des Echos Schwierigkeiten, da dieses naturgemäß sehr viel mal schwächer (im allgemeinen mindestens 10^e-mal) ist als der zu speichernde Impuls. Bei Elektronen-Spin-Echos verwendet man bisher dazu einen Mikrowellenempfänger, der auf die Frequenz der Echosignale abgestimmt ist, also auf der gleichen Frequenz wie der Sender für die starken zu speichernden Impulse arbeitet. Bei den gewünschten und durch die Verwendung von Mikrowellen auch bedingten kleinen Abmessungen ist die einwandfreie Trennung von Empfangsteil vom Sendeteil kritisch. Es wäre ein Vorteil, wenn man zur Feststellung des Echos völlig auf die direkte Auswertung der schwachen Echoschwingung verzichten könnte. Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß ein Elektronen-Spin-Echo-Signal die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls dreht, der in der Richtung der Ebene der echoerzeugenden Magnetmomentvektoren verläuft.

Die Erfindung schafft diese Möglichkeit der Feststellung der Anwesenheit von Echo-Signalen im Speicherstoff, indem ein durch eine öffnung eines Hohlraumresonators der zur Anregung des Speicherstoffes mit den Hochfrequenz-Impulsen dient, senkrecht zur Einführungsrichtung der zu speichernden Impulse eintretender linear polarisierter Lichtstrahl durch den Speicherstoff hindurch in Richtung von dessen Echoebene und durch einen Analysator zu einem Photodetektor gelangt, der dann, wenn ein Echosignal auftritt, anspricht, weil die Polarisationsebene des Lichtstrahles im Speicherstoff um ihren Gleichgewichtszustand schwingt.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Speicherstoff aus einem Kristall aus LaCl₃ · 7H₂O oder GdCl₃ · 6H₂O mit Gd+++-Ionen in einer Konzentration von 0,01 % besteht. Es stellt dar

Fig. 1 eine schematische Zeichnung des Elektronen-Spin-Echo-Speichersystems nach der Erfindung,

Anordnung zum Speichern

von Hochfrequenz-Impulsen

nach dem Spin-Echo-Verfahren

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. August 1959 (Nr. 835 891)

Peter Pitirimovich Sorokin, Chappaqua, N. Y.

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

Fig. 2 eine Folge von Mikrowellenimpulsen, die Spin-Echos in einer Elektronen-Spin-Stoffprobe erzeugen können,

Fig. 2 A die Wirkung auf den Winkel der Polarisationsebene des Lichtstrahls, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Echosignal und dem Licht hervorgerufen wird,
Fig. 2 B den entsprechenden, aus dem Lichtfeststeller erlangten Ausgang,

Fig. 3 ein verallgemeinertes Termschema für ein Material, das sich zur Verwendung in dem Elektronen-Spin-Echo-Feststellsystem nach der Erfindung eignet,

Fig. 4 ein anderes Termschema für Gd+^S-Ionen in einem Kristall aus LaCl₃ · 7H₂O,
Fig. 4 A einen Teil des Diagramms von Fig. 4.
In Fig. 1 ist in stark schematischer Form ein Elektronen-Spin-Echo-Speichersystem dargestellt, in dem ein optisches Abfrageschema für die Feststellung des Vorhandenseins von Elektronen-Spin-Echos enthalten ist. Das System umfaßt einen Mikrowellen-Hohlraumresonator 1, der durch Eintauchen in einen Helium-Kälteregler unter 4⁰K gehalten wird und eine Mikrowellen-Eingangsöffnung 2 hat, durch die Mikrowellenimpulse nacheinander der Stoffprobe 3 zugeführt werden können. Ein äußeres magnetisches

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Claims (2)

1. 3 . 4

   Feld H₀ wird in Pfeilrichtung an den Stoff angelegt, In dem Elektronen-Spin-Echo-System nach der

   um die Spins in Feldrichtung auszurichten. Der Hohl- Erfindung wird bewirkt, daß die so erzeugten Spinraum hat eine solche Resonanz, daß ein Hoch- Echos mit dem polarisierten Lichtstrahl wie folgt zufrequenzfeld oder der »Informationsimpuls«, dessen =■ sammenwirken:

   Frequenz gleich der charakteristischen Larmor-Fre- 5 Im Augenblick der Erzeugung eines Echos erfahren quenz des Stoffes bei einem bestimmten magnetischen die Partikeln der beiden entarteten Energieniveaus Feld ist, rechtwinklig zu dem Feld H₀ angelegt werden des Grundzustandes, z.B. Sy= +1/2, Sy = —1/2, kann. Der Informationsimpuls übt eine Drehkraft auf eine Änderung mit der Larmor-Frequenz der Spins, das resultierende magnetische Moment aus, wodurch Dadurch werden die beiden zirkulär polarisierten dieses aus der Feldrichtung in die Y-Richtung weg- io Komponenten des auffallenden Lichtstrahls, die gedreht wird. Nach Wegnahme des Impulses prä- Übergänge aus dem Grundzustand zu höherenEnergiezedieren die Elektronen-Spins um das Zf₀-FeId niveaus bewirken können, abwechselnd absorbiert herum in der ΑΓΥ-Ebene und erzeugen Magneti- und durch den Kristall durchgelassen. Dann schwingt sierungskomponenten, die einen Winkel von z. B. 90° die Polarisationsebene des Lichtstrahls in der in mit der Richtung von H₀ bilden. 15 Fig. 2A gezeigten Weise. Diese Schwingungen

   Der Resonanzhohlraum ist außerdem mit einer wiederum werden durch den Photomultiplier als die Lichteingangsöffnung 4 versehen, durch welche ein Umhüllende von Fig.
2. 2 B festgestellt, linear polarisierter Lichtstrahl durch die Stoffprobe Fig. 3 ist ein verallgemeinertes Energieniveau-

   geleitet wird und so mit den Magnetisierungskom- diagramm für ein in dem optischen Abfragesystem ponenten entlang der Kristallachse zusammenwirken 20 nach der Erfindung zu verwendendes Material. Der kann. Das optische System besteht aus einer Licht- verwendete Teil des Spin-Systems ist der Grundquelle 5, einem Polarisator 6, einem Analysator 7 zustand ²S₁₁₂, der grob entartet ist, und das obere und einem Lichtfeststeller, z. B. einem Photomulti- Niveau ²P₁Z₂, das von dem Niveau ²S₃₁₂ durch Spinplier 8. Der Polarisator kann ein Nicoisches Prisma Bahnkopplung im Kristall abgespaltet ist. Die Lichtoder ein Polaroidfilm sein. Die über den Polarisator 6 35 frequenz wird so gewählt, daß sie dem Übergang gezogene gestrichelte Linie zeigt die Richtung des ²P₁₁₂ <—>²5_1/2 entspricht. Die Auswahlregel ^m= ±1 elektrischen Vektors des übertragenen Lichtes an und erfordert es dann, daß die beiden zirkulär polarisierten entspricht dem Pfeil 9. Wenn eine Folge von Mikro- Komponenten des Lichtstrahls, die durch die durchwellenimpulsen, die Spin-Echos in der Stoffprobe er- gehenden und gestrichelten vertikalen Linien in Fig. 3 zeugen können, an den Hohlraum angelegt wird, 30 dargestellt sind, nur die dargestellten Übergänge beschwingt die Polarisationsebene des Lichtstrahls jedes- wirken. Wenn ein Echosignal erscheint, werden die mal beim Erscheinen eines Echos. Das Maß der Partikeln des Grundzustandes abwechselnd aus-Drehung, die durch den Pfeil 9^4 angedeutet wird, getauscht und bewirken, daß die eine polarisierte gegenüber der Gleichgewichtsrichtung liegt bei etwa Komponente des Lichts auf Kosten der anderen ab-40° oder darüber. Der gekreuzte Analysator 7 am 35 sorbiert wird, wodurch die Polarisationsebene ver-Empf angsende des optischen Systems ist so ein- ändert wird.

   gestellt, daß er ohne Zuführung von Mikrowellen- Fig. 4 zeigt das Energieniveaudiagramm für ein ge-

   energie zu dem Hohlraum das Licht löscht. Es ent- eignetes Material, das als Elektronen-Spin-Echo-Stoflsteht jedesmal beim Erscheinen einer geeigneten Ma- probe in dem Feststellsystem nach der Erfindung begnetisierungskomponente, d. h. eines Spin-Echos, ein 40 nutzt wird, nämlich Gd⁺³-Ionen in einem Kristall aus Lichtimpuls aus dem System und wird dann von dem LaCl₃ ■ 7 H₂ O oder GdCl₃ · 6 H₂ O. Die Lichtfrequenz Photomultiplier 8 festgestellt. ist so, daß sie den Übergängen zwischen dem Grund-

   Es können viele verschiedene Konstruktionen von zustand ⁸S_7/2 und dem ersten angeregten Zustand ⁶P^₂ Resonanzhohlräumen verwendet werden, solange sie entspricht. Im Betriebszustand werden, wie es in das oben beschriebene Kriterium erfüllen, nämlich 45 Fig. 4 A veranschaulicht ist, die Zeeman-Niveaus des ein Kippfeld, das die Spin-Orientierung um einen Grund- und des angeregten Zustandes für die Echorechten Winkel dreht. Ein TE₂₁₀-Hohlraum ist z. B. feststellung in der oben beschriebenen Weise ausgut geeignet. Die Z-Dimension des Hohlraumes kann genutzt. Man erreicht hohe Drehungen der Polaribeliebig klein bis zu etwa 1 mm sein, was einem sationsebene von etwa 60° oder mehr, wenn ein ß-Wert von 50 oder Impulsen von 7 Millimikro- 50 Echo empfangen wird, bei Verwendung einer Stoffsekunden Dauer entspricht. Diese Hohlräume können probe, die etwa 0,01 °Λ> Gd⁺³ in einem Kristall von benutzt werden, ohne die Nutzpegel der entnomme- LaCl₃ · 7H₂O enthält.

   nen Spin-Echos zu verschlechtern, da in diesem Die in einem Elektronen-Spin-Echo-Speichersystem

   System das festgestellte Signal nicht von dem der hier beschriebenen Art verwendete optische Ab-Q-Wert der Mikrowellenhohlräume abhängig ist. 55 fragevorrichtung hat den Vorteil, daß der übliche auf Die Impulsfolge für die Informationsspeicherung die Larmor-Frequenz des Echoimpulses abgestimmte und -wiedergewinnung gemäß Fig. 2 entspricht dem Mikrowellenempfänger nicht nötig ist. Außerdem erherkömmlichen Muster von Kernresonanzsystemen. folgt die hier vorgeschlagene Feststellung mit Licht-Der »90°«-Impuls kippt die resultierende Magneti- frequenzen und schaltet damit sofort alle Probleme sierung der Stoffprobe weg aus der Richtung von H₀ 60 aus, die mit der direkten Sender-Empfänger-Über-(Z-Richtung) und erzeugt so eine Magnetisierungs- tragung verbunden sind, komponente in der Y-Richtung. Die Stoffprobe wird

   dann einem anderen Hochfrequenzimpuls, dem PATENTANSPRÜCHE:

   180°-Impuls (Erinnerungsimpuls), ausgesetzt, der 1. Anordnung zum Speichern von Hochfrequenz-

   auch senkrecht zum Hauptfeld H₀ steht. Nach einer 65 Impulsen nach dem Spin-Echo-Verfahren, bei Ruheperiode entwickelt die Stoffprobe ein eigenes dem die Spin-Magnetmoment-Vektoren bei der

   magnetisches Moment, ein sogenanntes »Spin-Echo«, Echobildung in einer bestimmten Ebene (Echo-

   das die Richtung senkrecht zum Hauptfeld hat. ebene) umlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Feststellung der Anwesenheit von Echosignalen im Speicherstoff erfolgt, indem ein durch eine Öffnung (4) eines Hohlraumresonators (1), der zur Anregung des Speicherstoffes mit den Hochfrequenzimpulsen dient, senkrecht zur Einführungsrichtung der zu speichernden Impulse eintretender, linear polarisierter Lichtstrahl durch den Speicherstoff hindurch in Richtung von dessen Echoebene und durch einen Analysator (7) zu einem Photodetektor (8) gelangt, der dann,

   wenn ein Echosignal auftritt, anspricht, weil die Polarisationsebene des Lichtstrahls im Speicherstoff um ihren Gleichgewichtszustand schwingt.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherstoff Gd⁺⁺+-Ionen in der Konzentration von etwa 0,01% enthält.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 961102, 961103, 961104.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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