DE1170019B - Anordnung zur Verstaerkung oder Erzeugung hochfrequenter Schwingungen unter Ausnutzung freier gyromagnetischer Resonanzen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H03f

Deutsche Kl.: 21 a4 - 29/50

Nummer: 1 170 019

Aktenzeichen: B 48719 IX d / 21 a4

Anmeldetag: ' 26. April 1958

Auslegetag: 14. Mai 1964

Es ist bekannt, für die Zwecke der Bestimmung der gyromagnetischen transversalen Relaxationszeit T₂ eine Materienmenge in einem polarisierenden Magnetfeld anzuordnen und kurzzeitig ein zu dem Magnetfeld senkrecht liegendes Magnetfeld zu erzeugen, um die Materienmenge in einen Zustand höherer Energie auszurichten, und in einem Schwingungskreis, dessen Magnetfeld senkrecht zu dem polarisierenden Magnetfeld liegt, den Abklingvorgang der Schwingungen zu untersuchen, welche beim Wiederverlassen des Zustandes höherer Energie erzeugt werden.

Die Ausrichtung der Materienmenge in den Zustand höherer Energie kann entweder durch ein intermittierendes magnetisches Gleichstromfeld oder durch ein intermittierendes Wechselstromfeld erfolgen, welches die Frequenz der Larmorfrequenz der gyromagnetisch wirksamen Teilchen in dem polarisierenden Feld hat.

Die Erfindung sieht vor, gyromagnetische Präzessionsschwingungen für die Zwecke der Verstärkung kohärenter hochfrequenter Schwingungen oder der Erzeugung solcher Schwingungen auszunutzen.

Die Erfindung verwendet zu diesem Zweck eine Anordnung, die äußerlich der vorstehend erörterten Meßanordnung ähnlich ist und eine gyromagnetische Materienmenge in einem Schwingungskreis vorsieht, dessen Magnetfeld senkrecht zur Richtung des polarisierenden konstanten Magnetfeldes liegt, wobei die Materienmenge durch ein intermittierendes Magnetfeld in den Zustand höherer Energie ausgerichtet wird und in den Phasen der abklingenden Ausrichtung Schwingungen von der Resonanzfrequenz des Schwingungskreises erzeugt werden; die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß bei einer solchen Anordnung zwecks Erzielung kohärenter Schwingungsverhältnisse die Kopplung zwischen dem Schwingungskreis und der Materienmenge so gewählt wird, daß die transversale Relaxationszeit der Materienmenge nahezu gleich oder größer ist als der Reziprokwert der unter Berücksichtigung der Rückwirkung des Schwingungskreises auf die Materienmenge sich ergebenden Zeitkonstanten des hochfrequenten Resonanzkreises.

Die Zeitkonstante des Resonanzkreises ist durch die gyromagnetischen Eigenschaften der in der Induktivität des Resonanzkreises vorgesehenen Materienmenge mitbestimmt, wobei wesentlich der Füllfaktor η der Materienmenge in bezug auf den Schwingungskreis in die Zeitkonstante des letzteren eingeht.

Anordnung zur Verstärkung oder Erzeugung
hochfrequenter Schwingungen unter Ausnutzung freier gyromagnetischer Resonanzen

Anmelder:

Felix Bloch,

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Sohn, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Weston Arthur Anderson, Palo Alto, Calif.,
James Tracy Arnold, Corvallis, Oreg.,
Felix Bloch, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. Mai 1957 (656 606)

Der Füllfaktor η
Ziehung

ist bestimmt durch die Be-

Volumen der Probe

gesamter Raum

In dieser Gleichung ist H_c das magnetische Feld, welches durch einen in dem Schwingungskreis fließenden Strom erzeugt wird, und Θ ist der Winkel zwischen dem genannten magnetischen Feld H_c und dem polarisierenden magnetischen Feld H₀. Dabei ist die sich unter Berücksichtigung der Rückwirkung auf die Materienmenge ergebende Zeitkonstante des hochfrequenten Resonanzkreises in Näherung bestimmt durch den Ausdruck:

wobei γ die Größe des gyromagnetischen Verhältnisses, Q der Gütefaktor des die Gruppe beeinflussenden Schwingungskreises und M₀ die Größe des totalen magnetischen Momentes der Gruppe in dem Energiezustand ist, der nicht der Gleichgewichtszustand ist. Die vorstehende Beziehung für die Zeitkonstante des hochfrequenten Resonanzkreises zeigt, daß ein hoher

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Füllfaktor sich ebenso wie ein hoher Gütefaktor des Anordnung zu ersetzen bestimmt ist, wobei die in

Schwingungskreises günstig auswirkt. Der Füllfaktor Fig. 19 zu ersetzenden Teile durch die Linie 20-20

hängt aber von der Größe des Winkels Θ ab, so daß umrahmt sind,

sich daraus die Wichtigkeit erklärt, daß der den Fig. 21 bis 25 schematische Darstellungen weiterer Schwingkreis durchfließende Strom ein Magnetfeld 5 Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Darerzeugt, welches senkrecht zu dem polarisierenden Stellungen teilweise in geschnittener Form gegeben Magnetfeld liegt. sind.

Es ist bereits der Vorschlag bekannt, eine Ver- Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform Stärkung eines hochfrequenten Signals unter Aus- befindet sich eine Menge Materie 1, welche eine nutzung gyromagnetischer Resonanzerscheinungen in io Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, beispielsder Weise durchzuführen, daß ein Hohlleiter von weise können es Protonen in Wasser sein, in einem einer stromdurchflossenen Spule umgeben ist, welche geeigneten, nicht magnetischen Behälter 2; der Beim Hohlleiter ein in Achsrichtung liegendes polari- halter befindet sich in einem polarisierenden masierendes Magnetfeld erzeugt. An der Eingangsseite gnetischen Feld H₀. Ein abgestimmter Kreis besteht des Hohlleiters wurden die zu verstärkenden hoch- 15 aus einer Detektorspule 3 und einer Parallelkapazität 4 frequenten Signale und zusätzlich im Impulsbetrieb und ist eng mit der gyromagnetischen Gruppe gehochfrequente Signale zur Zuführung vorgesehen, koppelt. Das eine Ende des abgestimmten Kreises ist wobei sowohl die zu verstärkenden Signale als auch an die eine Klemme eines Schalters 6 geführt,
die in Impulsform zugeführten erregenden Signale Ein Zeitschalter 7 dient dem Zweck, den Schalter 6 die Frequenz der Larmorfrequenz der gyromagne- 20 unter Anwendung eines steuernden elektromagnetischen Materienmenge hatten. Bei diesem vor- tischen Relais 8 zu betätigen. Der Schalter 6 besitzt bekannten Vorschlag wurden jedoch weder das Ver- zwei Schaltstellungen. In der einen Stellung, die hältnis zwischen der thermischen Relaxationszeit der durch die Klemme 9 repräsentiert ist, findet über zur Anwendung gelangenden Materienmenge relativ eine Leitung 11 Anschluß an eine Hochfrequenzzu der Zeitkonstanten des Nutzkreises beachtet, noch 25 quelle 12 statt. Die andere Schaltstellung des Schalauch befand sich, was, wie vorstehend bemerkt, im ters 6 ist durch die Klemme 13 bezeichnet, welche Sinne der Erfindung von Wichtigkeit ist, das die über eine Verbindungsleitung 14 Verbindung zu den Materienmenge erregende hochfrequente Magnetfeld Klemmen 15 und 16 bewirkt,
senkrecht zum polarisierenden Magnetfeld. Im Betrieb wird die Gruppe gyromagnetischer

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach- 3° Körper einem polarisierenden Feld für eine Zeitfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be- spanne ausgesetzt, die von der Größenordnung der schrieben. Es zeigt thermischen oder longitudinalen Relaxationszeit der

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer er- gyromagnetischen Gruppe ist; die Gruppe nimmt

findungsgemäßen Anordnung, dann einen Zustand eines thermischen Gleich-

F i g. 2 ein schematisches Vektordiagramm, welches 35 gewichtes an. Der Mechanismus, der der Energiein klassischer Weise den Mechanismus wiedergibt, übertragung von der gyromagnetischen Gruppe zu in welchem die Gruppe gyromagnetischer Körper von dem abgestimmten Kreis dient, kann in den Grundeinem niedrigen Energieniveau in ein höheres Energie- zügen unter Benutzung von zwei gedanklichen Vorniveau gebracht wird, Stellungen erläutert werden. Die eine Vorstellungsart

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Zeit- 40 besteht in der quantenmechanischen Behandlung

ablaufes der Steuerung einer Anordnung gemäß und gibt in den meisten Fällen eine exaktere Theorie

Fig. 1 und 4, der Arbeitsweise; diese strengere Behandlungsweise

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren ist indessen häufig schwieriger zu verstehen als die

Ausführungsbeispieles, klassische Behandlungsweise. Die klassische Be-

F ig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren 45 handlungsweise ist häufig leicht zu verstehen und

Ausführungsform, wird im nachstehenden benutzt werden, mit Aus-

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Zeit- nähme von Fällen, in welchen für die Zwecke der

ablaufes der Steuerung einer Anordnung gemäß Klarheit und Exaktheit die quantenmechanische Dar-

F i g. 5, stellung benutzt wird. Es ist indessen zu beachten,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren 50 daß der Mechanismus zur Erzielung kohärenter

Ausführungsform, Strahlung von gyromagnetischen Gruppen nach

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Zeit- beiden Methoden beschrieben werden kann,

ablaufes der Steuerung einer Anordnung gemäß In einer Gruppe gyromagnetischer Körper besitzt

F i g. 7, jeder Körper einen bestimmten Drehimpuls (spin)

Fig. 9 zeitlich aufeinanderfolgende Vektordia- 55 und ein bestimmtes magnetisches Moment. Es können

gramme, welche in klassischer Weise erläutern, wie daher die einzelnen gyromagnetischen Körper als

die gyromagnetische Gruppe in einen höheren sehr kleine sich drehende Magnete angesehen werden.

Energiezustand übergeführt wird, Bei Abwesenheit eines polarisierenden magnetischen

Fig. 10 bis 15 schematische Darstellungen weiterer Feldes sind, wenn sich die Gruppe in dem Zustand

Ausführungsformen der Erfindung, 60 des thermischen Gleichgewichtes befindet, die ver-

Fig. 16 schematische Vektordiagramme in zeit- schiedenen kleinen Magnete, d. h. die gyromagnelicher Reihenfolge, welche in klassischer Weise eine tischen Körper, statistisch verteilt und führen sta-Methode erläutern, um eine Gruppe gyromagnetischer tistische Schwingungen aus in Anbetracht der Wärme-Körper in einen höheren Energiezustand zu bringen, bewegung. Es ergibt sich daher, daß ebenso viele

Fig. 17 bis 19 schematische Darstellungen weiterer 65 mikroskopische Magnete in eine Richtung weisen,

Ausführungsformen der Erfindung, wie in genau die entgegengesetzte Richtung in jedem

F i g. 20 eine schematische Darstellung eines Ge- Zeitaugenblick, dergestalt, daß das gesamte ma-

rätes, welches einen Teil der in F i g. 19 dargestellten gnetische Moment oder die Vektorsumme aller

mikroskopischen magnetischen Momente im Mittel im wesentlichen Null ist.

Wenn indessen eine solche Gruppe gyromagnetischer Körper in ein polarisierendes Magnetfeld gebracht wird, ergibt sich ein Vorherrschen derjenigen mikroskopischen Magnete, die sich in dem polarisierenden magnetischen Feld in einer bestimmten Richtung ausrichten, verglichen mit der dazu entgegengesetzten Richtung; auf diese Weise ergibt sich ein gesamtes magnetisches Moment M₀ für die Gruppe. Das gesamte magnetische Moment M₀ kann man sich so vorstellen, daß es eine Präzessionsbewegung in bezug auf das gesamte magnetische Feld H₀ in dem gesamten Probekörper ausführt.

In Fig. 2 ist schematisch das Vektordiagramm dargestellt, welches in klassischer Weise eine gyromagnetische Gruppe beschreibt. Nachdem die gyromagnetischen Körper, welche die Gruppe bilden, in ein polarisierendes Magnetfeld gebracht sind, und zwar für eine Zeitdauer, die etwa der Dauer der thermischen Relaxationszeit der Gruppe entspricht, wird das magnetische Moment M₀ im wesentlichen mit dem polarisierenden magnetischen Feld Ti₀ ausgerichtet sein, wie dies in F i g. 2 durch die Klammer A angedeutet ist. Dieser Zustand der gyromagnetischen Gruppe wird als der Zustand der niedrigsten Energiestufe oder der Grundzustand angesehen und entspricht dem thermischen Gleichgewicht.

Das klassische Modell der gyromagnetischen Gruppe wird in einen höheren Energiezustand dadurch versetzt, daß eine winkelmäßige Versetzung zwischen dem magnetischen Moment M₀ und dem polarisierenden Feldvektor H₀ stattfindet. Der höchste Energiezustand, der erreicht werden kann, ergibt sich, wenn der Winkel ungefähr 180°, d. h. π Radian beträgt. Dieser höchste Energiezustand ist durch die punktierte Linie M₀ in F i g. 2 bezeichnet und durch die Klammer B charakterisiert.

Es sind an sich verschiedene Verfahren denkbar, um die gyromagnetische Gruppe in den Zustand höherer Energie zu versetzen; im nachfolgenden soll ein spezielles Verfahren an Hand von Fig. 1 beschrieben werden.

Ein zeitlich sich änderndes magnetisches FeIdH₁ wird der gyromagnetischen Gruppe unter einem Winkel von etwa 90° in bezug auf die Richtung des polarisierenden magnetischen Feldes H₀ zugeführt. Es ergibt sich auf diese Weise ein rotierendes magnetisches Feld H₁, welches im wesentlichen unter einem rechten Winkel in bezug auf das polarisierende magnetische Feld H₀ gerichtet ist und um das polarisierende magnetische Feld mit einer Winkelgeschwindigkeit rotiert, welche der Frequenz des zugeführten, zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes H₁ entspricht. Wenn die Frequenz des magnetischen Feldes H₁ gleich oder etwa gleich der Larmorfrequenz oder gyromagnetischen Resonanzfrequenz der Gruppe ist, rotieren beide, das zugeführte magnetische FeIdH₁ und das magnetische Moment M₀ mit im wesentlichen der gleichen Winkelgeschwindigkeit um das polarisierende magnetische Feld H₀.

Es wurde für Fig. 2 ein sich drehendes Koordinatensystem angenommen, dergestalt, daß das Modell sich so darstellt, wie es für einen Beobachter erscheinen würde, der in einem Kreis unter einem rechten Winkel zu dem polarisierenden magnetischen Feldvektor H₀ sich bewegt, und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit, welche der Geschwindigkeit des wechselnden magnetischen Feldes H₁ entspricht, welche gleich der Larmorfrequenz ist.

In dem sich drehenden Koordinatensystem wird,

wie das sich zeitlich ändernde magnetische FeIdH₁ zur Einwirkung auf die Gruppe gebracht wird, der polarisierende magnetische Feld vektor H₀ seiner Größe nach um den Faktor ^ω' verringert, wobei W₁

die Frequenz des zugeführten zeitlich schwankenden ίο magnetischen Feldes H₁ ist und γ die gyromagnetische Verhältniszahl. Es ergibt sich daher, daß, wenn die Frequenz ω_χ des zur Einwirkung gebrachten Feldes gleich der Larmorfrequenz der Gruppe ist, die

Größe -¹ gleich H_n ist und das effektive polari-

sierende magnetische Feld H_{0 eff} gleich Null ist. Dementsprechend bleibt dann nur das zur Wirkung gebrachte magnetische FeIdH₁ übrig, welches in dem rotierenden Koordinatensystem als ein gleichsinnig gerichteter magnetischer Feldvektor unter einen rechten Winkel zur Richtung H₀ und von der GrOBeH₁ erscheint.

In einem solchen Falle erscheint für das gesamte magnetische Moment M₀ der Materienmenge das zugeführte wechselnde magnetische Feld H₁ als das einzige polarisierende Feld, und es ergibt sich eine Präzession um H₁ mit einer neuen Larmorfrequenz, welche der magnetischen Feldintensität H₁ entspricht. Die neue Larmorfrequenz ω.₂ ergibt sich mathematisch als α>₂ = γ H₁.

Um die Gruppe in den Zustand höchster Energie zu versetzen, muß eine winkelmäßige Versetzung von 180° zwischen H₀ und M₀ bewirkt werden. Die Zeitdauer, während welcher das Feld H₁ zur Wirkung gebracht wird, wird gerade so gewählt, daß sich die erforderliche. 180° Präzession von M₀ ergibt, wodurch die Gruppe in den höheren Energiezustand, der kein Gleichgewichtszustand ist, gebracht wird. Die korrekte Zeitdauer τ des Impulses ist mathematisch definiert durch die Beziehung τ = -^. . Das

zeitlich sich ändernde Feld H₁ könnte auch für eine andere Zeitdauer der Materienmenge zugeführt werden, um die nicht Gleichgewichtsenergiezustände hervorzurufen.

Der Zeitschalter 7 betätigt ein Relais 8, welches die Wechselstromquelle 12 mit dem abgestimmten Kreis verbindet. Die Quelle 12 liefert einen Impuls eines zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes H₁ von der Frequenz der Larmorfrequenz an die gyromagnetische Gruppe im wesentlichen unter einem rechten Winkel in bezug auf das polarisierende magnetische Feld H₀.

Nachdem das zeitlich sich ändernde magnetische Feld H₁ auf die gyromagnetische Gruppe für eine Zeitspanne r gewirkt hat, ist die gyromagnetische Gruppe in den höheren Energiezustand gebracht. Es wird dann die Stromquelle 12 durch Betätigung des Relais 8 abgeschaltet, wobei die Betätigung des Relais durch den Zeitschalter 7 erfolgt, und es wird dann der abgestimmte Kreis an die Eingangs- und Ausgangsklemmen 15 und 16 geschaltet.

In diesem Zeitpunkt, je nachdem wie eng der Resonanzkreis mit der gyromagnetischen Gruppe gekoppelt wurde, kann die Gruppe als ein Verstärker für ein zugeführtes Signal, welches etwa die Frequenz der Larmorfrequenz besitzt, oder auch als ein Schwingungserzeuger dienen, wobei die Schwingungs-

frequenz die Larmorfrequenz ist, die sich unter der Wirkung des polarisierenden magnetischen Feldes H₀ ergibt.

Die Kopplungsbedingungen zur regenerativen Schwingungserzeugung werden nunmehr erörtert. Allgemein gesprochen muß die Kopplung zwischen dem abgestimmten Kreis und der Gruppe gyromagnetischer Körper hinreichend groß sein, so daß zufällig erfolgende Übergänge der einzelnen gyro-

Kreis einen <2-Wert von ungefähr 100 besitzt. M₀ ist für Wasser ungefähr von der Größe 3 · 10-« Gauß. Die Füllfaktoren sind ungefähr ein Drittel, was sich dadurch erzielen läßt, das man das Probematerial in 5 das Innere der Detektorspule 3 bringt. Das gyromagnetische Verhältnis für Protonen ist ungefähr 2,4 · 10-* C. G. S.-Einheiten. Die transversale Relaxationszeit T₂ hängt von der Homogenität des magnetischen Feldes H₀ ab; für die Protonen von Wasser

magnetischen Körper von dem Zustand einer höheren io bei Raumtemperatur ist T., ungefähr ¹It Sekunde. Energiestufe in eine niedrigere Energiestufe einen Setzt man diese Werte der verschiedenen Variablen Strom hinreichender Stärke in dem abgestimmten in die vorstehend angegebene Beziehung ein, so sieht Kreis hervorrufen, so daß die Anregung einer kohä- man, daß T₂ ungefähr 15mal größer ist als die rechte renten Emission anderer gyromagnetischer Körper, Seite des Ausdruckes, so daß in einfacher Weise die welche die Gruppe bilden, erfolgt. Auf diese Weise 15 Bedingung für eine regenerative Schwingungserzeuwird die gyromagnetische Gruppe dazu angeregt, gung erfüllt ist. Die Frequenz des Oszillators ist kohärent und in sich aufbauender Weise Energie an gleich der Larmorfrequenz der Protonen in einem den abgestimmten Kreis abzugeben. Wenn dieses 10 000-Gauß-Feld oder etwa 40 Megahertz. Die Fre-Maß der engen Kopplung zwischen dem abgestimmten quenz des Oszillators kann dadurch verändert wer-Kreis und der Gruppe der verschiedenen Körper 20 den, daß die Größe des polarisierenden Feldes H_a nicht vorhanden ist, werden die einzelnen gyro- verändert wird.

magnetischen Körper nicht Präzessionen in kohä- Für die Zwecke der Verstärkung soll die Kopp-

renter Weise um das polarisierende Magnetfeld H₀ lung zwischen der Gruppe der gyromagnetischen bei Abwesenheit eines von außen zugeführten Feldes Körper und dem abgestimmten Kreis nicht so groß der Larmorfrequenz ausführen; es würde indessen 25 sein wie im Falle der regenerativen Schwingungseine Präzession mit der Larmorfrequenz in nicht erzeugung, da von selbst stattfindende Übergänge phasengerechter Beziehung stattfinden, wobei Ener- nicht regenerative kohärente Übergänge anregen gie an den vorhandenen Probekörper abgegeben wird. sollen. Es ist zweckmäßig, die Kopplung zwischen Die Kopplungsverhältnisse, die zur regenerativen dem abgestimmten Kreis und der Gruppe gyro-Schwingung führen, lassen sich mathematisch durch 30 magnetischer Körper so einzustellen, daß sie gerade die nachfolgende Ungleichung ausdrücken: etwas geringer ist als die Kopplung, die zur selb

ständigen Schwingungserzeugung erforderlich ist. Es sollte indessen das Maß der Kopplung hinreichend groß sein, so daß ein zugeführtes Signal, welches 35 etwa von der Größe der Larmorfrequenz ist, zusätzliche kohärente Übergänge erregt und dadurch eine Verstärkung bewirkt.

Mathematisch gesprochen kann die Kopplung, die für eine Verstärkung zweckmäßig ist, durch die

magnetische Moment M₀ erzeugt werden, wenn die 40 nachfolgende angenähert erfüllte Gleichung aus-Kopplungsbedingungen für regenerative Schwingun- gedrückt werden: gen oder für Verstärkung nicht erfüllt sind. Wenn
auch durch Zuführung eines äußeren, zeitlich sich
ändernden magnetischen Feldes von der Larmorfrequenz in der Gruppe gyromagnetischer Körper 45
eine kohärente Präzession hervorgerufen wird und
ein Signal in einer Detektorspule angezeigt werden
kann, so ist doch die Leistung, die in dem angezeigten
Signal liegt, wesentlich geringer als die Leistung des

zugeführten Signals, welches die Präzession hervor- 50 und die Eingangsklemmen 16 und 15 mit der Gruppe ruft. Bei den bisher benutzten Anordnungen wurde gyromagnetischer Körper gekoppelt wurden, befindet eine Gruppe gyromagnetischer Körper in einen Ener- sich die Anordnung in einem Zustand, welcher eine giezustand versetzt, der kein Gleichgewichtszustand gewisse Lebensdauer besitzt. Während dieser Lebenswar, und es wurde eine Energieabstrahlung aus- dauer kann der Zustand sich von selbst so erregen, genutzt, ohne daß ein äußeres Signal benutzt wurde, 55 daß eine regenerative Schwingungserzeugung stattso daß das angezeigte Signal in dem abgestimmten findet, oder es kann auch Erregung durch Zuführung Kreis exponentielles Abklingen zeigte, aber kein
regenerativer Aufbau wie bei der Erfindung stattfand.

Wenn man die vorstehenden mathematischen Be- 60
dingungen überprüft, so erkennt man, daß verschiedene Faktoren beachtet werden müssen, damit in der
Anordnung sich die Wirkungsweise eines regenerativen Oszillators ergibt. Als ein Beispiel sollen nunmehr die Verhältnisse eines Oszillators gemäß der 6g Gleichgewichtszustand ist, hervorgerufen wurde, beErfindung erörtert werden. Es sei angenommen, daß ginnt sich das gesamte magnetische Moment M₀ das polarisierende magnetische Feld H₀ von der wieder mit dem polarisierenden Feld H₀ mit einer Stärke 10 000 Gauß ist, und daß der abgestimmte Zeitkonstanten T₁ auszurichten.

Die im vorstehend beschriebenen, angeregten regenerativen Schwingungen dürfen nicht mit den Signalen verwechselt werden, die in einer Detektorspule durch das eine Präzessionsbewegung ausführende

4 .-τ

In F i g. 3 ist das Diagramm einer zeitlichen Folge der Funktion in einer Anordnung nach Fig. 1 im Zeitmaßstab dargestellt. Nachdem der Zeitschalter 7 das Relais betätigt hat, so daß die Ausgangsklemmen

eines Signals stattfinden, welches etwa die Larmorfrequenz besitzt, so daß eine Verstärkung zu erzielen ist.

Der sich auswirkende Vorgang, welcher die Lebensdauer des Energiezustandes, der nicht ein Gleichgewichtszustand ist, bestimmt, kann einfach auf Grund des Modells gemäß F i g. 2 übersehen werden. Nachdem der Energiezustand, welcher nicht ein

9 10

Da die Detektorspule 3 eine Achse besitzt, die tischer Körper ist ungefähr gleich T₂ der trans-

etwa unter einem rechten Winkel zu dem polarisie- versalen Relaxationszeit.

renden magnetischen Feld H₀ verläuft, ist die Stärke Die Verzögerungszeitdauer in dem Zeitfolgediades in der Detektorspule induzierten Signals im gramm ist in F i g. 3 zu erkennen. Nach Verstreichen wesentlichen proportional dem Sinus des Winkels des 5 der Verzögerungszeitdauer schaltet der Zeitschalter Vektors M₀ mit dem polarisierenden magnetischen die zeitlich veränderliche Stromquelle 12 ein und es FeIdH₀. In Anbetracht dieser Tatsache beginnt das wird auf diese Weise die Gruppe gyromagnetischer Signal, welches in der Detektorspule erregt wird, mit Körper in den Nichtgleichgewichtszustand gebracht, einem minimalen Wert und schaukelt sich zu einem und es hat dann das System einen vollständigen Ar-Maximalwert auf, wenn der Vektor M₀ im wesent- io beitszyklus durchlaufen.

liehen rechtwinklig zu H₀ liegt; es rindet dann eine Bei der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung Abnahme bis auf Null statt, wenn M₀ ausgerichtet gemäß F i g. 1 ist charakteristisch, daß die Eingangsmit H₀ liegt. klemmen und die Ausgangsklemmen elektrisch die-Die Phasenkohärenz der Präzession der mikro- selben Klemmen sind. Diese Eigenschaft ist typisch skopischen gyromagnetischen Körper hängt von der 15 für Verstärker des »Maser«-Typs, und das Schema Homogenität des polarisierenden magnetischen FeI- der F i g. 1 zeigt zwei Klemmen, eine Eingangsklemme des H₀ ab, und da es praktisch schwierig ist, ein 15 und eine Ausgangsklemme 16, lediglich zu dem außerordentlich homogenes magnetisches Feld H₀ in Zwecke der Erläuterung. Wenn die Anordnung gedem gesamten Probekörper zu erzeugen, beginnen maß F i g. 1 für die Zwecke der Schwingungserzeudie mikroskopischen magnetischen Momente ihre 20 gung verwendet wird, muß der Belastungskreis ledig-Phasenkohärenz zu verlieren, was ein Schwinden des lieh an die Ausgangsklemme 16 angeschaltet werden, gesamten magnetischen Momentes M₀ des Probe- In F i g. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform körpers zur Folge hat. Dieses Schwinden des gesamten des in F i g. 1 beschriebenen Gerätes gezeigt. Bei der magnetischen Momentes M₀ hat zur Folge, daß die Ausführungsform gemäß F i g. 1 dient der abge-Amplitude des angezeigten Signals weiter abnimmt. 25 stimmte Schwingungskreis dreierlei Zwecken: er dient Der Verlust an Phasenkohärenz verringert also prak- dem Zweck, den 180°-Impuls eines zeitlich sich äntisch die ausnutzbare Lebensdauer des Nichtgleich- dernden Feldes der Gruppe gyromagnetischer Körper gewichtszustandes. Diese geringere ausnutzbare Le- zuzuführen, um dieselben in den entsprechenden bensdauer des Nichtgleichgewichtszustandes wird mit Energiezustand zu bringen, und ferner dem Zweck, T₂, der transversalen Relaxationszeit, bezeichnet. 30 die Gruppe gyromagnetischer Körper zur kohärenten Verzögerungen verschiedener Dauer werden sich Energieabstrahlung anzuregen, und dem Zweck, von hinsichtlich der Arbeitszyklen sowohl einer Verstär- der Gruppe der gyromagnetischen Körper eine kohäkeranordnung als auch einer Oszillatoranordnung rente Strahlung abzuleiten, um dieselbe in einem gemäß der Erfindung ergeben. Während dieser Ver- Belastungskreis auszunutzen. Wenn die verschiedenen zögerungen kann die Gruppe gyromagnetischer Kör- 35 Energiequellen und Belastungen direkt mit dem abper nicht für die Zwecke der Verstärkung oder gestimmten Kreis verbunden werden, ist es verhält-Schwingungserzeugung benutzt werden. Diese Peri- nismäßig schwierig, sicherzustellen, daß maximale öden der Verzögerung sind ungefähr gleich dem Zeit- Leistungsübertragung zwischen den verschiedenen unterschied zwischen der theoretischen Lebensdauer Energiequellen und der Belastung stattfindet, da mit T₁ und der Dauer, während welcher die Gruppe 40 Fehlanpassung zwischen dem abgestimmten Kreis gyromagnetischer Körper für die Zwecke der Ver- und der Impedanz der Belastung oder der Energiestärkung oder Schwingungserzeugung ausgenutzt wer- quellen zu rechnen ist.

den kann. Es ist notwendig, diese Verzögerungszeiten Maximale Leistungsübertragung zwischen den vorzusehen, damit die mikroskopischen magnetischen Energiequellen und der Belastung wird durch AnMomente sich mit dem polarisierenden magnetischen 45 Wendung der Anordnung gemäß F i g. 4 erleichtert, Feld H₀ ausrichten, bevor ein Impuls des zeitlich welche getrennte Kopplung zwischen den verschieschwankenden Feldes H₁ der Gruppe von gyro- denen Energiequellen oder Belastungen und dem magnetischen Körpern zugeführt wird, für den abgestimmten Kreis bzw. der Gruppe gyromagne-Zweck, die Erregung eines Nichtgleichgewichts- tischer Körper zeigt. Im Falle der F i g. 4 ist die zeitzustandes zu bewirken. 5° Hch schwankende Energiequelle 12 mit dem abge-Die ausnutzbare Lebensdauer der Gruppe gyro- stimmten Kreis unter Anwendung einer besonderen magnetischer Körper, welche für die Zwecke der induzierenden Spule 17 gekoppelt. Der Eingangskreis Verstärkung ausgenutzt werden kann, ist ungefähr ist mit dem abgestimmten Kreis über eine Spule 18 gleich der Zeit, welche erforderlich ist, um im Wege gekoppelt, und der Ausgangskreis oder die Belastung der Präzession das gesamte magnetische Feld M₀ in 55 ist mit dem abgestimmten Kreis über eine Spule 19 die 90°-Stellung zu bringen. Mit anderen Worten gekoppelt. Die Windungen der Spule 19 können so ausgedrückt, ist diese Zeitdauer gleich der Zeit, wäh- gewählt werden, daß eine Anpassung der Belastung rend welcher der Vektor M₀ eine Komponente in stattfindet. Bei einer anderen Ausführungsform der Richtung des polarisierenden magnetischen Feldes H₀ Erfindung gemäß F i g. 4 kann es zweckmäßig sein, besitzt, welche demselben entgegengerichtet ist. Die 60 die Energiequelle von sämtlichen Kreisen, ausausnutzbare Lebensdauer der Gruppe gyromagne- genommen von der Gruppe gyromagnetischer Körper, tischer Körper, welche im obigen Sinne für die zu entkoppeln. Die einzige Bedingung ist dann, daß Zwecke der Verstärkung ausgenutzt werden kann, ist ein Schwingungskreis fest mit der Gruppe gyroauf diese Weise gegeben, da eine Verstärkung nur magnetischer Körper gekoppelt ist.
stattfinden kann, wenn M₀ eine Komponente besitzt, 65 Die Arbeitsweise der Anordnung gemäß F i g. 4 ist die dem magnetischen Feld H₀ entgegengesetzt ist. im wesentlichen die gleiche wie die einer Anordnung Die für die Zwecke der Schwingungserzeugung gemäß F i g. 1 und die einzelnen Arbeitsstufen sind ausnutzbare Lebensdauer der Gruppe gyromagne- in Fig. 3 wiedergegeben. Nachdem der Probekörper 1

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in ein polarisierendes Magnetfeld H₀ für eine hin- tätigt der Zeitschalter 29 wiederum den Schalter 25

reichend lange Zeit gebracht wurde, so daß die Mög- und verbindet die Gruppe gyromagnetischer Körper

lichkeit vorhanden war, daß das gesamte magnetische mit der Klemme 38 und der Belastung. Es kann nun-

Moment M₀ der Gruppe gyromagnetischer Körper mehr die erste Gruppe gyromagnetischer Körper für sich in dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ 5 eine bestimmte Zeitdauer der Verstärkung oder

ausgerichtet hat, schaltet der Zeitschalter 7 eine Schwingungserzeugung verwendet werden, wobei die

Hochfrequenzquelle 12 für eine Zeitdauer an, die hin- Zeitdauer davon abhängt, wie fest der erste Schwin-

reichend ist, um die Gruppe gyromagnetischer Kör- gungskreis mit der Gruppe gyromagnetischer Körper

per in den Nichtgleichgewichtszustand zu bringen. In gekoppelt ist.

diesem Zeitpunkt wird die Hochfrequenzquelle 12 io Während der ausnutzbaren Lebensdauer der ersten durch den Zeitschalter 7 abgeschaltet, und es folgt Gruppe gyromagnetischer Körper erregt der Zeiteine Zeitdauer, in der die Vorrichtung als Verstärker schalter 29 das zweite Relais 28 und verbindet den oder Schwingungserzeuger dienen kann, je nachdem, zweiten abgestimmten Kreis mit der Hochfrequenzwie fest die Kopplung des abgestimmten Kreises mit quelle 33. Das zeitlich sich ändernde magnetische der Gruppe gyromagnetischer Körper ist. 15 Feld H₁, welches die Larmorfrequenz der zweiten

In Anbetracht der Phaseninkohärenz der mikro- Gruppe gyromagnetischer Körper besitzt, wird dem

skopischen gyromagnetischen Körper ergibt sich eine zweiten Probekörper 22 für eine Zeitdauer zugeführt,

Periode des Abklingens, in der die Signale zu klein die groß genug ist, die zweite Gruppe gyromagne-

sind, so daß nicht festgestellt wird, daß das gesamte tischer Körper in den Zustand höherer Energie zu

magnetische Moment M₀ noch nicht mit dem polari- 20 bringen. Wenn der Zustand höherer Energie erreicht

sierenden magnetischen Feld H₀ sich ausgerichtet ist, erregt der Zeitschalter das zweite Relais 28, so

hat. Wenn sich das gesamte magnetische Moment M₀ daß der zweite abgestimmte Kreis mit dem Belastungs-

mit dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ aus- kreis verbunden wird.

gerichtet hat, schaltet der Zeitschalter 7 wiederum Gleichzeitig hiermit erregt der Zeitschalter zusätz-

die Hochfrequenzquelle 12 ein und bewirkt, daß die 25 lieh das erste Relais, so daß der erste abgestimmte

Gruppe gyromagnetischer Körper in den höheren Kreis von dem Nutzkreis abgeschaltet wird. Nach

Energiezustand übergeht, so daß das System wie- einer kurzen Zeitdauer, welche gestattet, daß das

derum für einen weiteren Arbeitszyklus vor- gesamte magnetische Moment der ersten Gruppe

bereitet ist. gyromagnetischer Körper im wesentlichen sich mit

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der 30 dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ ausrichtet, Erfindung, bei der die nicht erwünschten Verzöge- erregt der Zeitschalter 29 wiederum das erste Relais rungsperioden bei den Arbeitszyklen der Anordnun- 27 und verbindet die Hochfrequenzquelle 33 mit dem gen gemäß Fig. 1 und 4 vermieden werden ersten Abstimmkreis, so daß der erste Probekörper können. In diesem Falle befinden sich zwei Probe- wiederum in den Zustand höherer Energiestufe gekörper von Materie 21 und 22 in verschiedenen Tei- 35 bracht wird. Wenn die erstgenannte Gruppe gyrolen eines polarisierenden magnetischen Feldes, wobei magnetischer Körper in den Zustand höherer Enerbeide Probekörper Gruppen gyromagnetischer Kör- giestufe gebracht ist, betätigt der Zeitschalter das per enthalten. Die beiden abgestimmten Kreise sind erste Relais 27 und schaltet den ersten abgestimmten im wesentlichen von gleicher Art wie die abgestimm- Kreis an den Belastungskreis. Gleichzeitig damit beten Kreise der F i g. 1 und 4. 40 tätigt der Zeitschalter 29 das zweite Relais 28 und

Jeder der abgestimmten Kreise ist fest mit einem löst die Verbindung des zweiten abgestimmten Kreider beiden gyromagnetischen Probekörper gekoppelt. ses mit dem Belastungskreis, und damit beginnt ein Die abgestimmten Kreise sind über Leitungen 23 und neuer Arbeitszyklus.

24 mit den Schaltern 25 und 26 verbunden. Jeder In F i g. 6 ist das Arbeitsdiagramm der Anordnung Schalter besitzt wenigstens drei Stellungen und wird 45 gemäß F i g. 5 zeitmäßig dargestellt, und es ist zu erdurch zwei elektromagnetische Relais 27 bzw. 28 be- kennen, daß die Anordnung gemäß F i g. 5 eine kontätigt. Die elektromagnetischen Relais 27 und 28 tinuierliche Arbeitsweise sowohl in bezug auf Verwerden durch Impulse betätigt, welche von einem Stärkung als auch in bezug auf Schwingungserzeu-Zeitschalter 29 über Leitungen 31 und 32 abgeleitet gung gestattet unter Ausnutzung von Strahlungswerden. Eine Hochfrequenzquelle 33 ist mit den 50 anregung in gyromagnetischen Körpern.
Klemmen 34 und 35 der beiden Schalter 25 und 26 Obwohl die Anordnung gemäß F i g. 5 für die verbunden. Die Klemmen 36 und 37 der beiden Zwecke der Übersichtlichkeit unter Anwendung von Schalter sind an eine gemeinsame Eingangs-Ausgangs- Anordnungen gemäß F i g. 1 erläutert wurde, kön-Klemme 38 geschaltet. nen auch Anordnungen gemäß F i g. 4, welche eine

Im Betrieb speist der Zeitschalter 29 zunächst das 55 bessere Impedanzanpassung gestatten, statt dessen

Relais 27, so daß dadurch der Schalter 25 betätigt Anwendung finden.

wird und die Hochfrequenzquelle 33 an den ersten In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der

abgestimmten Kreis angeschaltet wird. Die Hoch- Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform

frequenzquelle 33 liefert ein zeitlich sich änderndes befindet sich ein Probekörper, bestehend aus Materie

magnetisches Feld H₁, welches die Frequenz der Lar- 60 39, der aus gyromagnetischen Körpern sich zusam-

morfrequenz der Gruppe gyromagnetischer Körper mensetzt, in einem polarisierenden magnetischen

besitzt, an den abgestimmten Kreis; das Feld wirkt Feld H₀, welches durch ein Solenoid 41 erregt wird,

für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um die Ein abgestimmter Kreis, wie in Fig. 1 dargestellt,

Gruppe gyromagnetischer Körper, aus welcher der ist fest mit der Gruppe gyromagnetischer Körper, die

Probekörper 21 gebildet wird, in den Zustand höhe- 65 in dem Probekörper 39 enthalten sind, gekoppelt. In

rer Energie zu bringen. Nachdem die Gruppe gyro- Verbindung mit dem Solenoid 41 sind zwei Klemmen

magnetischer Körper des ersten Probekörpers 21 in 42 und 43 vorgesehen, welche mit einer Gleichstrom-

den Zustand höherer Energiestufe gebracht ist, be- quelle 44 über einen Umschalter 45 verbunden sind.

13 14

Der Polwendeschalter 45 wird durch ein Relais 46 sitzt relativ zu den zuvor erörterten Ausführungsbetätigt, welches wiederum Steuerimpulse über die beispielen den Vorteil, daß kontinuierlich Verstär-Leitung 47 von einem Zeitsteuergerät 48 erhält. Bei kung oder Schwingungserzeugung, je nach Wunsch, Betätigen des Umschalters 45 wird die Richtung des unter Anwendung eines Probekörpers stattfinden Gleichstromes, der von der Gleichstromquelle 44 ge- 5 kann. Hierbei ist der Mechanismus, durch welchen liefert wird, insoweit er das Solenoid 41 durchfließt, die der Verstärkung oder Schwingungserzeugung dieumgedreht, so daß das magnetische Feld H₀ sich um- nende Gruppe gyromagnetischer Körper in den Zukehrt, stand höherer Energiestufe gebracht wird, ein konti-

Im Betrieb (vgl. hierzu die Fig. 7, 8 und 9) wird nuierlicher, der gleichzeitig mit dem Mechanismus

das magnetische Feld H₀ durch das Solenoid 41 zu- io der Entnahme von Energie für die Zwecke der

nächst in einer Richtung erzeugt. Nach einer ge- Schwingungen oder Verstärkung arbeitet,

wissen Zeitdauer erreicht die Gruppe gyromagne- Eine Menge Materie 52, welche eine erste und eine

tischer Körper den Zustand thermischen Gleich- zweite Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, bei-

gewichtes. Das klassische Modell für den thermischen spielsweise Kerne und Elektronen, befindet sich in

Gleichgewichtszustand ist in Fi g. 9 a gezeigt, wo das 15 einem geeigneten Behälter und ist einem polarisieren-

magnetische Moment M₀ der Gruppe gyromagne- den Magnetfeld H₀ ausgesetzt. Ein abgestimmter

tischer Körper im wesentlichen ausgerichtet mit dem Schwingungskreis, welcher mindestens zwei Schwin-

polarisierenden magnetischen Feld H₀ ist. Wenn gungsfrequenzen besitzt und aus zwei miteinander

das thermische Gleichgewicht erreicht ist, betätigt der gekoppelten Schwingungskreisen besteht, ist vorge-

Zeitschalter 48 das Relais 46, welches wiederum die 20 sehen. Der erste Schwingungskreis besteht aus einer

Stellung des Umschalters 45 umkehrt. Auf diese Spule 53 und einer ersten Parallelkapazität 54. Der

Weise wird schnell die Polarität des Stromes durch zweite Schwingungskreis besteht aus einer Spule 50

das Solenoid 41 umgekehrt, und dementsprechend und einer Parallelkapazität 55. Die beiden Schwin-

kehrt sich die Polarität des polarisierenden magne- gungskreise sind mittels einer Kapazität 60 gekoppelt,

tischen Feldes H₀ um. 25 Die Spule 53 ist um die Menge Materie gewickelt

Wenn das polarisierende magnetische Feld H₀ und ist induktiv mit der ersten und der zweiten schnell umgekehrt wird, folgt das totale magnetische Gruppe gyromagnetischer Körper gekoppelt. Die Moment M₀ der Gruppe gyromagnetischer Körper Frequenz der einen Eigenschwingung des abgenicht sofort der schnellen Änderung des Vektors H₀. stimmten Kreises ist die Larmörfrequenz der ersten Statt dessen zeigt, unmittelbar nachdem das magne- 30 Gruppe gyromagnetischer Körper. Die zweite Eigentische Feld umgekehrt wurde, das magnetische Mo- schwingung des abgestimmten Kreises ist die Larment M₀ in eine Richtung, welche entgegengesetzt morfrequenz der zweiten Gruppe gyromagnetischer dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ ist, in Körper. Die erste Resonanzschwingung des abgewelchem die Gruppe magnetischer Körper sich be- stimmten Kreises ist fest mit der ersten Gruppe gyrofindet. Auf diese Weise ist die Gruppe gyromagne- 35 magnetischer Körper gekoppelt. Eine Hochfrequenztischer Körper in einen Nichtgleichgewichtszustand, quelle 12 ist mit dem abgestimmten Kreis gekoppelt d. h. einen Energiezustand höherer Energiestufe ge- und bewirkt ein zeitlich sich änderndes magnetisches bracht. Der Nichtgleichgewichtszustand ist in dem Feld H₁ von der Larmörfrequenz der zweiten Gruppe Vektormodell gemäß Fig. 9b dargestellt. Wie zuvor gyromagnetischer Körper.

im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 4 erörtert 40 Im Betrieb wird die Hochfrequenzquelle 12 erregt,

wurde, besitzt der Nichtgleichgewichtszustand eine und das Signal wird der zweiten Gruppe gyromagne-

bestimmte Lebensdauer, während der er für die tischer Körper zugeführt. Das zeitlich sich ändernde

Zwecke der Verstärkung oder Schwingungserzeugung Feld H₁, welches durch die Energiequelle 12 erzeugt

benutzt werden kann, je nachdem, wie fest der ab- wird, besitzt im wesentlichen die Larmörfrequenz der

gestimmte Kreis mit der Gruppe gyromagnetischer 45 zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper, so daß es

Körper gekoppelt ist. mit denselben sich in Resonanz befindet. Bei einer

Eine Zwischenperiode, während welcher die bevorzugten Ausführungsform ist die Amplitude des

Gruppe gyromagnetischer Körper nicht für die zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes H₁ so

Zwecke der Verstärkung oder Schwingungserzeugung groß, daß im wesentlichen teilweise gesättigte Reso-

ausnutzbar ist, ergibt sich bei einer Anordnung 50 nanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper

gemäß Fig. 7, ebenso wie dies im Hinblick auf bewirkt wird. In Anbetracht der charakteristischen

Fig. 1 und 4 festgestellt wurde. Wenn indessen diese Eigenschaften des Materials sind die erste und die

kleine Zeitspanne verstrichen ist, wird das magne- zweite Gruppe gyromagnetischer Körper elektro-

tische Feld durch Erregen des Umschalters 45 wieder magnetisch miteinander in solcher Weise gekoppelt,

umgekehrt, und die Gruppe gyromagnetischer Kör- 55 daß teilweise gesättigte Resonanz der zweiten Gruppe

per wird daher in den Zustand höherer Energiestufe gyromagnetischer Körper eine negative Polarisation

gebracht, und es beginnt ein neuer Arbeitszyklus. der ersten Gruppe gyromagnetischer Körper bewirkt,

Es kann eine Mehrzahl ähnlicher Anordnungen, dergestalt, daß die erste Gruppe gyromagnetischer

wie in F i g. 7 beschrieben, verwendet werden in einer Körper zu einem Nichtgleichgewichtszustand angeregt

Zusammenschaltung gemäß F i g. 5, zu dem Zweck, 60 wird.

die Übergangsperioden zu vermeiden und dadurch Es kann dann die erste Gruppe gyromagnetischer

ein Gerät zu schaffen, welches kontinuierlich betrie- Körper in ihrem Nichtgleichgewichtszustand gleich-

ben werden kann. Der abgestimmte Kreis kann direkt, zeitig dazu verwendet werden, um kontinuierlich Ver-

wie Fig. 7 zeigt, mittels Leitung49 und Klemme51 Stärkung oder Schwingungserzeugung zu bewirken,

oder elektromagnetisch, wie im Zusammenhang mit 65 je nachdem, wie fest die erste Resonanzschwingung

F i g. 4 erörtert, angekoppelt werden. des abgestimmten Kreises mit der ersten Gruppe

In F i g. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der gyromagnetischer Körper gekoppelt ist, worauf noch

Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel be- des näheren eingegangen wird.

15 16

Ein typisches Beispiel einer Materie, welche zwei Es befindet sich eine Menge Materie 56, welche

Gruppen gyromagnetischer Körper besitzt, die in ge- eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe gyro-

eigneter Weise einander verwandt sind, so daß Reso- magnetischer Körper enthält, in einem hohlen, zylin-

nanz der zweiten Grappe gyromagnetischer Körper drischen, dielektrischen Körper 57, der in einem

die erste Grappe zu einem Nichtgleichgewichtszustand 5 polarisierenden magnetischen Feld H₀ angeordnet ist.

anregt, ist mit Arsen versetztes Silizium, welches Das Innere des dielektrischen Körpers 57 besteht aus

1,3 · 10¹⁷ Arsenatome pro Kubikzentimeter Silizium einer dünnen Belegung leitenden Materials, beispiels-

besitzt. In diesem Falle besitzt die zweite Gruppe weise aus Silber, wodurch ein Hohlraumresonator 58,

gyromagnetischer Körper nicht gebundene Elektronen welcher Mikrowellenfrequenz besitzt, gebildet wird,

im äußeren Kreis der als Donator wirkenden Arsen- io Eine öffnung 59 bildet ein Ankopplungsmittel in

atome. Wenn diese nicht gebundenen Elektronen in Form einer Blende und ist an die leitende Belegung

eine Resonanzbeziehung gebracht werden, bewirkt an dem einen Ende des dielektrischen Hohlkörpers

die elektromagnetische Kopplung zwischen den Elek- 57 angekoppelt, so daß elektrische Kopplung mit

tronen und den Kernen der Donatoratome, daß die dem Hohlraumresonator 58 möglich ist. Der Hohl-

Arsenkerne einen Zustand höherer Energiestufe an- 15 raumresonator 58 besitzt eine Resonanzfrequenz bei

nehmen. der Larmorfrequenz der zweiten Gruppe gyromagne-

Die Art der Kopplung zwischen den Elektronen in tischer Körper und wird zweckmäßigerweise in der

den äußeren Kreisen und den Kernen in einem mit Grundschwingung, der TM-Schwingung, betrieben.

Arsendonatoren versetzten Siliziumkörper wird am Ein Mikrowellengenerator 61, beispielsweise ein

besten im Wege der quantenmechanischen Theorie 20 Klystronoszillator, ist mit dem Hohlraumresonator

beschrieben und ist als I · 5-Kopplung zu bezeichnen. 58 über einen Hohlleiter 62 und die Kopplungs-

Es ist festzustellen, daß viele typische Beispiele, blende 59 gekoppelt. Ein zweiter abgestimmter Kreis,

welche zwei miteinander zusammenwirkende Gruppen der aus konzentrierten Schaltelementen besteht und

von gyromagnetischen Körpern der vorstehend be- eine Spule 63 und eine Parallelkapazität 64 besitzt,

schriebenen Art besitzen, feste Körper sind und nicht 25 ist eng mit der ersten Grappe gyromagnetischer Kör-

Flüssigkeiten oder Gase. In festen Körpern wirken per, die sich in dem Hohlraumresonator befinden,

die geringen Atomabstände und die dadurch bedingte gekoppelt. Der zweite abgestimmte Kreis ist auf die

Wärmebewegung bei Raumtemperatur in dem Sinne, Larmorfrequenz der ersten Grappe gyromagnetischer

daß die gewünschte Wirkung zwischen der ersten Körper abgestimmt. Im Betrieb wird die zweite

und zweiten Grappe gyromagnetischer Körper gestört 30 Gruppe gyromagnetischer Körper in den Zustand der

wird. Es ist indessen möglich, diese nachteiligen Resonanz dadurch versetzt, daß Hochfrequenzenergie

Effekte dadurch zu umgehen, daß die Temperatur von dem Mikrowellengenerator 61 über den Hohl-

des Probekörpers hinreichend verringert wird, bei- leiter 62 und die Ankopplungsblende 59 der Menge

spielsweise auf die Temperatur des flüssigen Heliums, Materie 56 zugeführt wird. Infolge der Wechselwir-

d. h. auf ungefähr 2° Kelvin gebracht wird. Die tech- 35 kung zwischen der ersten und der zweiten Grappe

nischen Mittel, um die Temperatur von Stoffen auf gyromagnetischer Körper wird die erste Gruppe in

niedrige Temperaturen zu bringen, sind an sich be- den Zustand einer Energiestufe versetzt, welche

kannt, und dies bedarf daher keiner weiteren Er- keinen Gleichgewichtszustand darstellt, so daß je

örterung. nachdem, wie fest die Kopplung des zweiten abge-

Es kann eine Mehrzahl von Kreisen, die magnetisch 40 stimmten Kreises mit der ersten Grappe gyromagne-

mit den Gruppen gyromagnetischer Körper gekoppelt tischer Körper ist, Verstärkung oder Schwingungs-

sind, verwendet werden, welche die verschiedenen erzeugung stattfinden kann.

Funktionen, die der einzige abgestimmte Kreis gemäß Der dünne Belag leitenden Materials, welcher sich

Fig. 10 erfüllt, ausüben. Die Trennung der verschie- an der Innenwandung des dielektrischen Hohlraumes

denen Arbeitsfunktionen kann durch Anwendung 45 57 befindet, dient dem Zweck, im wesentlichen sämt-

verschiedener Kreise erfolgen, wie dies im Zusam- liehe Mikrowellenenergie innerhalb des umschlosse-

menhang mit Fig. 4 erörtert wurde, und es kann nen Volumens zu halten. Dies ergibt sich in Anbe-

auf diese Weise eine Anpassung der Impedanzen er- tracht der geringen Skineffekttiefe der Ströme von

folgen. Mikrowellenfrequenz. Andererseits schirmt diese

In Fig. 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel 5° dünne Belegung den Probekörper nicht von dem der Erfindung beschrieben. Bei diesem Ausführungs- Feld der niedrigeren Frequenz des zweiten abgebeispiel ist die allgemeine Arbeitsweise im wesent- stimmten Kreises ab, da die Skineffekttiefe bei diesen liehen die gleiche wie bei der in F i g. 10 dargestellten Frequenzen wesentlich größer ist als die Dicke des Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß in diesem leitenden Belages. Bei einem anderen Ausführungs-Falle die gyromagnetische Resonanzfrequenz der 55 beispiel kann die Detektorspule 63 innerhalb des zweiten Grappe gyromagnetischer Körper eine Hohlraumresonators 58 vorgesehen sein, in welchem Mikrowellenfrequenz ist und zu hoch liegt, als daß Falle die Spule 63 so angeordnet ist, daß das magneein bei einer niedrigen Frequenz anwendbarer tische Feld des Hohlraumresonators nicht von dem Schwingungskreis mit konzentrierten Reaktanzen gyromagnetisch wirksamen Material durch die Spule Anwendung finden könnte. Obwohl die Resonanz- 60 63 abgeschirmt wird.

frequenz der zweiten Grappe der gyromagnetischen In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform der Körper bei einer Mikrowellenfrequenz liegen kann, Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform stimmt kann die Resonanzfrequenz der ersten Grappe gyro- im wesentlichen mit derjenigen gemäß Fig. 11 übermagnetischer. Körper zu niedrig sein, so daß Schwin- ein, abgesehen davon, daß bei dieser Ausführungsgungskreise mit kontinuierlich verteilten Reaktanzen, 65 form die gyromagnetischen Resonanzfrequenzen der d. h. Hohlleiter und Hohlresonatoren, hierfür nicht ersten Grappe und der zweiten Grappe gyromagne-Anwendung finden können. In einem solchen Falle tischer Körper innerhalb des Mikrowellenbereiches empfiehlt sich die Anordnung gemäß Fig. 11. liegt. Die Anwendung des Wortes »Grappe gyro-

magnetischer Körper« entspricht der zuvor gegebenen Definition der Gruppe, wobei ein einzelner gyromagnetischer Stofi eine Mehrzahl Gruppen gyromagnetischer Körper bilden kann, wobei jede Gruppe gyromagnetischer Körper einem möglichen Übergang zwischen Energieniveaus entspricht. Eine Menge Materie 65, welche eine erste und eine zweite Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, die zueinander in gewünschter Beziehung stehen, wird in das polarisierende magnetische Feld H₀ gebracht. Die Menge Materie 65 wird in einen Hohlraumresonator 46 gebracht, welcher zwei Schwingungsarten besitzt, je eine Schwingungsart bei der Resonanzfrequenz einer jeden Gruppe gyromagnetischer Körper. Der Probekörper 65 befindet sich in dem Hohlraumresonator 66 in solcher Weise, daß er in wesentlichem Maße magnetisch gekoppelt mit den beiden Resonanzformen ist. Der erforderliche Frequenzunterschied der beiden Resonanzformen des Hohlraumresonators kann im Wege der Technik der Hohlraumresonatoren gemäß Fig. 12 erhalten werden, wobei zwei Hohlraumresonatoren eng miteinander gekoppelt sind und zwei Resonanzarten bilden. In gewissen Fällen, wo eine harmonische Beziehung zwischen den Resonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper besteht, kann ein einziger Hohlraumresonator verwendet werden, welcher imstande ist. Resonanz bei den gewünschten harmonischen Resonanzen zu zeigen. Eine Quelle 67, welche zeitlich sich ändernde Energie erzeugt, die mit der Larmorfrequenz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper schwankt, ist über einen Hohlleiter 68 und eine Kopplungsblende 69 mit dem Hohlraumresonator 66 gekoppelt. In gleicher Weise ist die Belastung 70 mit dem Hohlraumresonator 66 über einen Hohlleiter 71 und eine Blende 72 gekoppelt. Ein typischer Stoff 65, der zwei Gruppen gyromagnetischer Resonanzen im Mikrowellenbereich besitzt, die zueinander in solcher Beziehung stehen, daß die eine Gruppe die zweite Gruppe gyromagnetischer Körper zum Übergang in den Zustand höherer Energie anregt, ist magnetisch verdünntes Gadolinium-Äthyl-Sulfat, welches als zusätzliche Verunreinigung Cerium enthält, so daß der Krystall ungefähr 0,5 % Gd⁺++ und ungefähr 0,2 °/o Ce+++ enthält. Ein anderes Beispiel ist ein Einkristall von Nickel-Fluorsilikat mit 50/0 Ni und 95% ZnSi F₆ · 6H₂O. Die gewünschte Beziehung zwischen den Gruppen gyromagnetischer Körper in diesen Fällen ist nicht in erster Linie eine / ■ ^-Wechselwirkung. Statt dessen besteht eine günstige Beziehung zwischen den Relaxationszeiten zwischen den Energieniveaus. Es ist festgestellt worden, daß ein höheres Energieniveau eine Relaxationszeit in bezug auf ein bestimmtes niedrigeres Energieniveau besitzt, welche wesentlich geringer ist als die Relaxationszeit von dem genannten niedrigeren Energieniveau zu einem noch niedrigerem Energieniveau. Wenn daher unter Zuführen von Energie zu den gyromagnetischen Körpern dieselben zu der bestimmten höheren Energiestufe angeregt werden, werden sie schnell Übergänge zu dem genannten niedrigen Energieniveau ausführen, so daß dieses Energieniveau um so mehr besetzt wird, und es ergibt sich daher ein Nichtgleichgewichtszustand, von welchem kohärente Ausstrahlung bewirkt werden kann.

Die in F i g. 12 dargestellte Anordnung kann dem Zweck dienen, kontinuierlich eine Verstärkung zugeführter Signale zu bewirken; die Anordnung kann auch als Oszillator, der mit der Larmorfrequenz der ersten Gruppe gyromagnetischer Körper arbeitet, wirken, wobei sich die eine oder die andere Wirkungsweise ergibt, je nachdem, wie fest die erstgenannte Eigenschwingungsform des Hohlraumresonators mit der ersten Gruppe gyromagnetischer Körper des Probekörpers gekoppelt ist. Die Anordnungen gemäß Fig. 10, 11 und 12 ergeben auch die Möglichkeit eines Frequenzwandlers, wobei ein Eingangssignal bei einer Frequenz in ein Ausgangssignal bei einer zweiten Frequenz verwandelt wird. Insbesondere kann die Anordnung so wirken, daß, wenn ein Signal der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper mit der Larmorfrequenz derselben zugeführt wird, die erstgenannte Gruppe in einen Nichtgleichgewichtsenergiezustand gebracht wird. Die Kopplung zwischen der ersten Schwingungsform des abgestimmten Kreises und der ersten Gruppe gyromagnetischer Körper wird so gewählt, daß selbständige regenerative Erzeugung von Schwingungen stattfindet, wie zuvor dargelegt wurde. Auf diese Weise wird das Signal, welches der Anordnung mit der Larmorfrequenz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper zugeführt wird, in ein Signal umgewandelt, welches die Larmorfrequenz der ersten Gruppe gyromagnetischer Körper besitzt.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform dient dem Zweck, die Zwischenzeitspanne im Arbeitszyklus möglichst klein zu halten, während der die Anordnung nicht verwendet werden kann und die sich bei der Benutzung der Anordnungen gemäß Fig. 1 und 4 ergibt. Eine Probemengenmaterie 1, die eine Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, befindet sich in einem Behälter, und ein säulenförmiger Teil derselben taucht in ein polarisierendes magnetisches Feld H₀. Ein abgestimmter Resonanzkreis besteht aus einer Spule 3 und einer parallel dazu angeordneten Kapazität 4 und ist fest mit der Gruppe gyromagnetischer Körper, welche sich in dem säulenförmigen Teil befinden, gekoppelt. Ein Schalter 72 ist vorgesehen, welcher abwechselnd eine Hochfrequenzquelle 12 und die Ausgangsklemmen 74 der Anordnung an den abgestimmten Kreis anschließen. Ein Zeitschalter 75 dient dem Zweck, einen Schalter 73 zu betätigen. Der Zeitschalter 75 betätigt ferner eine Pumpe 76, welche intermittierend so wirkt, daß schnell die Materiemenge innerhalb des Wirkungsbereiches des abgestimmten Kreises mit einer anderen Materien-• menge ausgetauscht wird.

Im Betrieb bewirkt der Zeitschalter 75, daß durch die Tätigkeit des Schalters 73 ein zeitlich sich änderndes magnetisches Feld H₁ von der Frequenz der Larmorfrequenz der Gruppe gyromagnetischer Körper, welches von der Hochfrequenzquelle 12 erzeugt wird, den gyromagnetischen Körpern, die sich innerhalb des abgestimmten Kreises befinden, zugeführt wird. Das zeitlich sich ändernde magnetische Feld H₁ wird für eine Zeitspanne zur Wirksamkeit gebracht, welche ausreichend ist, die Gruppe gyromagnetischer Körper in den Nichtgleichgewichtszustand zu bringen, so wie dies zuvor im Hinblick auf Fig. 1 erörtert wurde. Der Zeitschalter 75 betätigt dann den Schalter 73, schaltet die Hochfrequenzquelle 12 ab und schaltet die Ausgangsklemme 74 an den abgestimmten Kreis an. Es kann dann der Nichtgleichgewichtszustand der Gruppe gyromagnetischer

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Körper ausgenutzt werden, um Verstärkung oder Schwingungserzeugung zu bewirken, je nachdem, wie fest die Kopplung des abgestimmten Kreises mit der Gruppe gyromagnetischer Körper ist, so wie das zuvor erörtert wurde.

Wenn der Nichtgleichgewichtsenergiezustand bis zu einem solchen Grade abgenommen hat, in welchem die Gruppe gyromagnetischer Körper nicht weiter ein Signal hinreichender Amplitude erzeugt, welches sich ausnutzen läßt, setzt der Zeitschalter 75 die Pumpe 76 in Tätigkeit und verschiebt dadurch schnell die Menge Materie außerhalb des Wirkungsbereiches des abgestimmten Kreises und ersetzt sie durch eine neue Menge Materie, welche bereits polarisiert ist und daher in einem Zustand für direkte Strahlung sich befindet, so daß Überführung in einen Zustand höherer Energie stattfinden kann.

Die Pumpe 76 kann eine Zentrifugalpumpe sein, mit Hilfe derer, bei Bedarf, die zusätzliche Materie von dem Reservoir und der Säule angesaugt werden kann, so daß dieselbe in den Bereich des abgestimmten Kreises gelangt. Andererseits kann die Pumpe 76 auch von üblicher Kolbenart sein, beispielsweise dergestalt, daß ein erstes Materievolumen in den Bereich des abgestimmten Kreises gebracht wird, und dann bei dem nächsten Pumpenhub in entgegengesetzter Richtung das erste Materievolumen durch ein zweites Volumen ersetzt wird. Bei der Anwendung einer eine Hin- und Herbewegung ausführenden Pumpe ist das Reservoir und der säulenförmige Gefäßteil nicht unbedingt erforderlich, und es kann die Materie entweder fest, flüssig oder gasförmig sein. Wenn die erste Materienmenge durch eine neue Materienmenge ersetzt ist, betätigt der Zeitschalter 75 den Schalter 73 und es wird der Gruppe gyromagnetischer Körper Hochfrequenzenergie von der Energiequelle 12 zugeführt, dergestalt, daß die Gruppe gyromagnetischer Körper in den höheren Energiezustand gebracht werden kann und ein neuer Arbeitszyklus beginnen kann.

Obwohl die Anordnung gemäß Fig. 13 im wesentlichen der Betriebsweise und dem Gerät gemäß Fig. 1 entspricht, kann auch die Anordnung nach F i g. 4 verwendet werden, welche bessere Impedanzanpassung zwischen den Belastungskreisen und den Energiequellen besitzt.

In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Eine Säule von in Pfeilrichtung strömender Materie 1, die eine Gruppe gyromagnetischer Körper aufweist, befindet sich in dem polarisierenden magnetischen Feld H_n. Ein abgestimmter Kreis besteht aus einer Spule 3 und einer Parallelkapazität 4 und ist fest mit der Gruppe gyromagnetischer Körper gekoppelt. Eine zweite Spule 77 ist stromaufwärts in bezug auf den abgestimmten Kreis vorgesehen und ist von dem letzteren elektromagnetisch entkoppelt. Die Achse der Spule 77 liegt im wesentlichen unter einem rechten Winkel zu dem polarisierenden magnetischen Feld H_n. Eine Hochfrequenzquelle 12 dient dem Zweck, die zweite Hochfrequenzspule 77 zu erregen.

Im Betrieb wird die Gruppe gyromagnetischer Körper hinreichend lang in das polarisierende Magnetfeld H₀ gebracht, so daß sich thermisches Gleichgewicht in der Gruppe gyromagnetischer Körper ergibt. Die Gruppe bewegt sich dann beispielsweise im Wege der Strömung in den Bereich des zeitlich sich ändernden Feldes H₁, welches mittels der zweiten Spule 77 erzeugt wird und das sich im wesentlichen unter einem rechten Winkel zu dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ befindet. Das magnetische Wechselfeld H₁. welches von der Hochfrequenzquelle 12 erzeugt wird, besitzt im wesentlichen die Larmorfrequenz der Gruppe gyromagnetischer Körper innerhalb des polarisierenden magnetischen Feldes H_n und besitzt eine hinreichende Amplitude, so daß es eine nichtadiabatische 180°- Umkehr des magnetischen Momentes M₀ der Gruppe gyromagnetischer Körper in einer Zeit bewirkt, während welcher die Gruppe gyromagnetischer Körper den Wirkungsbereich der zweiten Hochfrequenzspule 77 durchsetzt.

Auf diese Weise wird die Gruppe gyromagnetischer Körper in einen höheren Nichtgleichgewichtsenergiezustand versetzt, so wie dies zuvor in bezug auf Fig. 1 erörtert wurde. Es kann sowohl die Stärke des magnetischen Wechselfeldes H₁ als auch die Geschwindigkeit der Bewegung der gyromagnetischen Gruppe verändert werden, so daß die gewünschte 180°-Umkehr des magnetischen Momentes M₀ resultiert.
Die gyromagnetische Gruppe, die in den Nichtgleichgewichtszustand versetzt wurde, bewegt sich in dem Wirkungsbereich des abgestimmten Kreises, wodurch die gyromagnetische Gruppe angeregt wird, in kohärenter Weise ihre Energie an den abgestimmten Kreis abzugeben. Es kann kontinuierliche Ver-Stärkung oder auch kontinuierliche regenerative Schwingungserzeugung erfolgen, je nach der Stärke der Kopplung zwischen dem abgestimmten Kreis und der Gruppe gyromagnetischer Körper, wie dies zuvor erörtert wurde.

Die Geschwindigkeit der Bewegung der gyromagnetischen Gruppe bei der Bewegung von dem Wirkungsbereich des zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes H₁ zu dem abgestimmten Kreis ist hinreichend hoch, so daß die Zeit, die benötigt wird, um die Entfernung zwischen diesen beiden Kreisen zurückzulegen, klein ist, verglichen mit der thermischen Relaxationszeit T₁ der gyromagnetischen Gruppe. Dieses ist erforderlich, um sicherzustellen, daß eine hinreichende Lebensdauer im Nichtgleichgewichtsenergiezustand vorhanden ist, wenn die Gruppe zu dem abgestimmten Kreis gelangt, dergestalt, daß die Gruppe Energie an den abgestimmten Kreis während der Zeit zu liefern vermag, während welcher sie den abgestimmten Kreis durchsetzt.

Es wurde nur ein einziger abgestimmter Kreis in Fig. 14 gezeigt, es können jedoch auch die Merkmale der F i g. 4 bei einer Anordnung gemäß F i g. 14 Anwendung finden, zu dem Zweck, die Impedanzanpassung zwischen dem abgestimmten Kreis und den Energiequellen zu verbessern.

In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ein säulenförmiger Abschnitt einer Menge in Pfeilrichtung strömender Materie 1, welche eine Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, befindet sich in einem polarisierenden magnetischen Feld H₀. Der abgestimmte Kreis umfaßt eine Spule 3 und eine parallel dazu angeordnete Kapazität 4 und ist fest mit der gyromagnetischen Gruppe gekoppelt. Der abgestimmte Kreis ist auf die Larmorfrequenz der gyromagnetischen Gruppe abgestimmt.

Eine Erregerspule 78 befindet sich stromaufwärts in bezug auf den abgestimmten Kreis und dient dem Zweck, der gyromagnetischen Gruppe ein zeitlich

21 22

sich änderndes magnetisches Feld H₁, das von der magnetischen Feldes H₁. Das Vektorbild b beschreibt

Hochfrequenzquelle 12 herrührt, zuzuführen. Es er- die Gruppe, wie sie in den Bereich des sich ändern-

...... ... , ,. „ ,. . dH₀ ■ den magnetischen Feldes H₁ gelangt. Man erkennt,

gibt sich em im wesenthchen linearer Gradient -^- in _{daß das} ⁸ _wirksame ^^ΰώζίαε Fdd H₀ um einen

dem polarisierenden magnetischen Feld H₀, der in 5 Betrag H_p verringert wird. Dabei ist
Richtung der Strömung der gyromagnetischen Gruppe

liegt, innerhalb der Erregerspule 78. Das polarisie- _ωι

rende magnetische Feld H₀ ist im Wirkungsbereich H_v = _y >
des abgestimmten Kreises im wesentlichen homogen.

Im Betrieb befindet sich die Materienmenge 1, 10

welche die Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, und ω₁ ist die Frequenz des sich zeitlich ändernden

in dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ für magnetischen Feldes H₁.

eine hinreichend lange Zeitdauer, so daß sich ein Verfolgt man die Vektordarstellungen weiter, so

thermisches Gleichgewicht ausbilden kann. Die erkennt man, daß für verschiedene Lagen der gyro-

Gruppe bewegt sich dann in dem Wirkungsbereich 15 magnetischen Gruppe entsprechend den Lagen b, c,

des zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes H₁, d, e und / der Fi g. 15 die Resultierende von H₁

welches von der Hochfrequenzenergiequelle 12 er- und H₀-H₁₁ zunächst im wesenthchen ausgerichtet

zeugt wird. Die Frequenz des zugeführten magne- mit H₀ ist und allmählich zu einer Stellung übergeht,

tischen Feldes H₁ ist so gewählt, daß sie im wesent- die im wesentlichen 180° versetzt gegen H₀ liegt. Da

liehen der Larmorfrequenz der Gruppe bei dem 20 das resultierende magnetische Feld sich allmählich

polarisierenden magnetischen Feld H₀ in der Mitte ändert, folgt das magnetische Moment M₀ der gyro-

des Bereiches des linearen Gradienten innerhalb magnetischen Gruppe der Resultierenden und hat

des Wirkungsbereiches der Erregerspule 78 ent- das Bestreben, mit derselben ausgerichtet zu bleiben,

spricht. Wenn die Gruppe weiter vorrückt bis in eine

Die gyromagnetische Gruppe unterliegt einer adia- 25 Stellung, in welcher sie sich gerade jenseits des Einbatischen Umkehr und gelangt in den höheren flußbereiches des magnetischen Feldes H₁ befindet, Energiezustand, wenn sie dem sich zeitlich ändern- so befindet sich die Gruppe, die, allmählich in den magnetischen Feld H₁ und zugleich dem Gra- der Phase dem resultierenden Feld folgend, gedreht

·,. . dir,, . j 1 · · j ,.· τ. wird, 180° außer Phase zu dem polarisierenden

dienten ^ m dem polarisierenden magnetischen _{3o mag};_{etischen Feld Hq und auf diese} ^_{eise in einem}

Feld H₀ ausgesetzt ist. Zustand höherer Energiestufe. Der übergang der Wenn die Gruppe magnetischer Körper aus dem gyromagnetischen Gruppe von dem Zustand gerin-Bereich des von außen erzeugten magnetischen gerer Energie in den Zustand höherer Energie, der Feldes H₁ herausgelangt, gelangt sie in den Wirkungs- sich in dieser Weise vollzieht, wird bekannterweise bereich des Resonanzkreises, welcher auf die Reso- 35 als ein adiabatischer Übergang bezeichnet,
nanzfrequenz der gyromagnetischen Gruppe abge- In Fig. 17 ist eine andere Ausführungsform der stimmt ist, die dieselbe besitzt, wenn sie in einem Erfindung dargestellt. Die Anordnung gemäß F i g. 17 homogenen polarisierenden magnetischen Feld H₀ und deren Wirkungsweise ist im wesentlichen gleichinnerhalb des abgestimmten Kreises ausgesetzt ist. artig mit Fig. 15, mit der Ausnahme, daß das polari-Die Zeitdauer, die erforderlich ist, damit die gyro- 40 sierende magnetische Feld H₀ durch einen Magneten magnetische Gruppe die Entfernung zwischen dem 79 erzeugt wird. Die Polflächen des Magneten beWirkungsbereich des magnetischen Feldes H₁ und sitzen geeignete Formgebung, so daß sich ein linearer dem abgestimmten Kreis zurücklegt, muß gering sein, Feldgradient in Richtung der Bewegung der gyroverglichen mit der thermischen Relaxationszeit T₁ magnetischen Gruppe ergibt. Insbesondere verjüngt der gyromagnetischen Gruppe. Dies ist erforderlich, 45 sich der Abstand der Polflächen in Richtung der damit noch eine hinreichend große Lebensdauer für Bewegung der gyromagnetischen Gruppe, so daß auf den Verbleib in dem Nichtgleichgewichtsenergiezu- diese Weise der Gradient resultiert,
stand vorhanden ist, während die gyromagnetische Obwohl die Anordnung so dargestellt ist, daß die Gruppe den Wirkungsbereich des abgestimmten sich ändernde Polspaltbreite darin besteht, daß der Kreises durchsetzt. Die Anordnung gemäß Fig. 15 50 Polabstand in Richtung der Bewegung der Materienkann für die Zwecke der kontinuierlichen Verstär- menge zunimmt, so ist dies keine grundsätzliche Bekung oder auch der kontinuierlichen Schwingungs- dingung; tatsächlich kann die Abstandszunahme auch erzeugung benutzt werden, je nachdem, wie fest der in entgegengesetzter Richtung erfolgen, dergestalt, abgestimmte Kreis mit der gyromagnetischen Gruppe daß der Polabstand in Richtung der Bewegung der gekoppelt ist, worauf bereits zuvor hingewiesen 55 gyromagnetischen Gruppe abnimmt. Es ist darauf wurde. hinzuweisen, daß der Polabstand in dem Bereich, in In Fig. 16 ist ein klassisches Vektormodell der welchem sich der abgestimmte Kreis befindet, sich Gruppe in dem rotierenden Koordinatensystem wieder- nicht ändert, daß dort vielmehr ein homogenes gegeben, dergestalt, daß der Vorgang der adiaba- magnetisches Feld erforderlich ist, um die kohärente tischen Umkehr der Energiezustände erläutert wird, 60 Emission von der gyromagnetischen Gruppe zu erweicher bei der Anordnung gemäß F i g. 15 eine Rolle zielen.

spielt. Verschiedene Vektoren, die nacheinander ein- Obwohl bei den Ausführungsformen gemäß F ig. 15 genommene Stellungen der gyromagnetischen Gruppe und 17 ein einziger abgestimmter Kreis vorgesehen wiedergeben, sollen den Vorgang beschreiben, wäh- ist, um die Kopplung mit der gyromagnetischen rend die Gruppe sich durch den Bereich des magne- 65 Gruppe zu bewirken, so kann trotzdem eine Mehrtischen Feldgradienten bewegt. Das Vektorbild α zahl von Spulen, wie in F i g. 4 erörtert wurde, vorbeschreibt die Gruppe in einer Stellung außerhalb gesehen sein, um eine bessere Impedanzanpassung des Einflußbereiches des zeitlich sich ändernden zu erreichen. Fernerhin kann der Gradient in dem

polarisierenden Magnetfeld dadurch bewirkt werden, daß eine geeignete Anordnung von Spulen, die von Gleichstrom durchflossen sind, vorgesehen ist.

In Fig. 18 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Fig. 18 zeigt die Anwendung der zuvor erörterten Anordnungen für die Zwecke der Erzielung eines abstimmbaren Empfängers von außerordentlich geringem Störpegel und geringer Bandbreite. Eine Menge Materie 1, die eine Gruppe gyromagnetischer Körper umfaßt, befindet sich in einem polarisierenden magnetischen Feld H₀, welches beispielsweise von einem Magneten 81 erzeugt wird. Die gyromagnetische Gruppe wird in einen Nichtgleichgewichtszustand versetzt; beispielsweise kann hierfür die Anordnung gemäß Fig. 14 Anwendung finden. Die gyromagnetische Gruppe, die in den Nichtgleichgewichtszustand versetzt ist, gelangt dann in den Wirkungsbereich des abgestimmten Kreises, so wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 erörtert wurde.

Eine Antenne 82 nimmt ein ankommendes Signal auf und leitet es über Leitung 83 zu einer Erregerspule 84, die elektromagnetisch mit der gyromagnetischen Gruppe im Bereich des abgestimmten Kreises gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen der gyromagnetischen Gruppe und dem abgestimmten Kreis ist so bemessen, daß die Anordnung als Verstärker wirkt.

Signale, die über die Erregerspule 84 zugeführt werden, erregen die gyromagnetische Gruppe zu kohärenten Übergängen, wenn ihre Frequenz im wesentlichen der Larmorfrequenz der gyromagnetischen Gruppe entspricht. Es werden daher verstärkte Signale in dem abgestimmten Kreis erzeugt. Die Signale werden einem Verstärker 85 zugeführt, von welchem sie verstärkt und einem Detektor 86 zugeleitet werden. Der Detektor 86 erzeugt ein Gleichstromsignal, welches proportional dem empfangenen Signal der Antenne 82 ist. Es wird sodann das aufgenommene Signal einem Registriergerät 87 oder einem Oszillographen oder einem anderen Anzeigemittel zugeführt.

Die Frequenz des Empfängers kann dadurch geändert werden, daß die Stärke des polarisierenden magnetischen Feldes H₀, welches auf die gyromagnetische Gruppe wirkt, verändert wird. Es ist zu diesem Zweck eine Zusatzspule 88 vorgesehen, der ein geeigneter Gleichstrom von einer Abstimmvorrichtung 89 zugeführt wird, so daß ein Feld erzeugt wird, welches sich zu dem gesamten magnetischen, polarisierenden Feld H₀ hinzuaddiert bzw. -subtrahiert und dadurch den Empfänger abstimmt.

In Fig. 19 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um ein gyromagnetisches Resonanzspektrometer außerordentlich hohen Auflösungsvermögens. Die Materienmenge 91, die untersucht werden soll und die eine oder mehrere Gruppen gyromagnetischer Körper enthält, befindet sich in einem polarisierenden magnetischen Feld H₀, welches durch einen Magneten 92 erzeugt wird. Ein Schwingungskreis hoher Güte, der aus einer Spule 93 und einer Parallelkapazität 94 gebildet ist, ist mit der Materienmenge 91, welche untersucht werden soll, gekoppelt. Eine Hochfrequenzerregerspule 95 ist in der Nähe der Materienmenge vorgesehen und hat ihre Achse im wesentlichen unter einem rechten Winkel zu dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ und zu der Achse der Spule 93 orientiert. Eine Hochfrequenzquelle 96 ist vorgesehen, welche die Erregerspule 95 erregt. Eine Ablenkspule 97 ist beiderseits der zu untersuchenden Materienmenge 91 vorgesehen und wird von einem Durchlaufgenerator 98 erregt, so daß auf diese Weise das gesamte magnetische Feld H₀, welches auf die zu untersuchende Materienmenge 91 wirkt, verändert wird.

Ein gyromagnetischer Verstärker, der zuvor im Zusammenhang mit Fig. 17 beschriebenen Art, ist

ίο vorgesehen, um die Signale, die von dem zu untersuchenden Materienkörper 91 erhalten werden, zu verstärken. Der Eingangskreis des gyromagnetischen Verstärkers besteht aus einer Erregerspule 99, die mit dem abgestimmten Kreis gekoppelt ist, der seinerseits mit der zu untersuchenden Materienmenge 91 gekoppelt ist. Der Ausgangskreis des gyromagnetischen Verstärkers ist mit einem normalen Verstärker 101 gekoppelt. Die Durchlaufspule 97 ist räumlich von dem gyromagnetischen Verstärker getrennt, so daß Änderungen in dem polarisierenden magnetischen Feld H₀, die durch die Spule 97 hervorgerufen werden, nicht auf den gyromagnetischen Verstärker wirken. Das verstärkte Signal wird dann einem Detektor 102 zugeführt, durch weichen das Signal in einen Gleichstrom verwandelt wird, der sich ändert, falls Resonanzen vorhanden sind. Anzeige des Signals erfolgt dann mittels eines Anzeige- oder Registriergerätes 103.

Eine elektromagnetische Abschirmung 104, die beispielsweise aus Kupfer bestehen kann, befindet sich zwischen der zu untersuchenden Materienmenge 91 und der gyromagnetischen Anordnung, welche dem Zweck der Verstärkung dient, so daß ungewünschte Energiekopplung von der Hochfrequenzerregerspule 95 auf die Eingangserregerspule 99 des gyromagnetischen Verstärkers vermieden wird.

Im Betrieb wird ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld H₁, welches eine feste Frequenz in der Nähe der Larmorfrequenz der zu untersuchenden Materienmenge 91 besitzt, von einer Hochfrequenzquelle 96 erzeugt und mittels einer Erregerspule 95 der zu untersuchenden Materienmenge 91 zugeführt. Ein polarisierendes magnetisches Feld H_n wird der zu untersuchenden Materienmenge zugeführt, und seine Stärke wird durch den Durchlaufgenerator 98 unter Anwendung der Durchlaufspulen 97 verändert, bis das gesamte magnetische Feld H₀, welches zur Einwirkung auf die Materienmenge gelangt, der Intensität entspricht, welche erforderlich ist, um gyromagnetische Resonanz der gyromagnetischen Gruppe, sofern eine vorhanden ist, in der zu untersuchenden Materienmenge zu bewirken. Im Falle der Resonanz der gyromagnetischen Gruppe, die sich in der Materienmenge 91 befindet, wird ein Signal in dem abgestimmten Kreis induziert und der Erregerspule 99 des gyromagnetischen Verstärkers zugeführt.

Der gyromagnetische Verstärker verstärkt die Resonanzsignale, die von der Materienmenge 91, welche untersucht wird, erhalten werden. Diese verstärkten Resonanzsignale werden dann einem Verstärker 101 zugeführt, in welchem die Signale weiter verstärkt werden, und darauf einem Detektor 102 zugeleitet. Das durch den Detektor erzeugte Signal wird dann einem Anzeige- und Aufzeichengerät 103 zwecks Wiedergabe zugeführt.

Dadurch, daß ein gyromagnetischer Verstärker die erste Verstärkerstufe des gyromagnetischen Resonanz, signals bildet, ergibt sich ein außerordentlich niedriger

Störpegel für die Beobachtung des gyromagnetischen Resonanzphänomens.

Obwohl bei der Anordnung gemäß Fig. 19 die gyromagnetische Verstärkeranordnung der Fig. 17 verwendet wurde, können auch die Verstärkerausführungsformen gemäß Fig. 5, 10, 11, 12 und 14 ebenco verwendet werden. Es kann auch, falls intermittierende Verstärkung zulässig ist, ein Verstärker gemäß Fig. 1, 4, 7 und 13 Anwendung finden. Bei Mikrowellenfrequenzen werden die Mikrowellenäquivalente der vorgenannten Verstärker benutzt.

Bei einer Ausgestaltung der Anordnung gemäß Fig. 19 kann die Hochfrequenzquelle 96 so ausgebildet sein, daß sie ein verhältnismäßig breitbandiges Signal erzeugt, dergestalt, daß gleichzeitig gyromagnetische Resonanzen einer Mehrzahl gyromagnetischer Gruppen erregt werden, sofern solche in der Materienmenge 91, die untersucht wird, vorhanden sind. Der gyromagnetische Verstärker, der seinem Wesen nach ein sehr schmalbandiger Verstärker ist, wird in bezug auf seine Frequenz durch das gyromagnetische Resonanzspektrum, welches von der zu untersuchenden Materienmenge abgeleitet wird, mittels des Durchlaufgenerators 98 variiert, wobei der genannte Generator, wie in Fig. 18 gezeigt, ein sich änderndes polarisierendes magnetisches Feld H₀ für den gyromagnetischen Verstärker liefert. Wenn der gyromagnetische Verstärker in dieser Weise betrieben wird, wird er nacheinander die verschiedenen Resonanzsignale, die von der Materienmenge 91 erhalten werden, verstärken nach Maßgabe des dem gyromagnetischen Verstärker zugeführten Durchlauffeldes.

In Fig. 20 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das gyromagnetische Spektrometer gemäß Fig. 19 ist nicht beschränkt auf die Anwendung sogenannter gekreuzter Spulen, um die gyromagnetischen Resonanzen der Materienmenge 91, die untersucht werden soll, anzuzeigen. Insbesondere zeigt F i g. 20 eine andere Ausführungsform, die für einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 19, der mit der Linie 20-20 umrissen ist, benutzt werden kann. Es ist bei dieser Ausführungsform eine Brückenmethode vorgesehen, um die gyromagnetische Resonanz der zu untersuchenden Materienmenge 91 anzuzeigen.

Die Materienmenge 91, welche untersucht wird, befindet sich in einem polarisierenden magnetischen Feld H₀. Ein abgestimmter Kreis besteht aus der Spule 93 und einer Parallelkapazität 94 und ist mit der Materienmenge 91 gekoppelt. Der abgestimmte Kreis bildet einen Arm einer Brückenanordnung 105, während die übrigen Arme der Brückenanordnung 105 durch die gestrichelten Linien umrissen sind. Die Brückenanordnung 105 ist üblicher Bauart und ist in dem Artikel von Herbert L. Anderson in »The Physical Review«, Bd. 76, S. 1460,1949, beschrieben. Die Hochfrequenzquelle 96 liefert ein mit fester Frequenz sich zeitlich änderndes magnetisches Feld H₁ an die Brückenanordnung 105. Die Brücke 105 ist so ausgebildet, daß sie bei Abwesenheit einer gyromagnetischen Resonanz in der gyromagnetischen Gruppe abgeglichen ist. Die Durchlaufspulen 97 sind beiderseits der zu untersuchenden Materienmenge 91 angeordnet und dienen dem Zweck, das gesamte magnetische Feld H₀, welches auf die gyromagnetische Substanz wirkt, zu verändern, wenn sie durch den Ablenkgenerator 98 erregt werden. Die Ausgangsspannung der Brückenanordnung 105 wird der Erregerspule 99 (Fig. 19) des gyromagnetischen Verstärkers über die Leitung 100 zugeführt.

Im Betrieb liefert die Hochfrequenzquelle 96 ein zeitlich sich änderndes magnetisches Feld H₁ einer festen Frequenz an die Brücke 105. Der Ablenkgenerator 98 verändert das gesamte magnetische Feld H₀, welches auf die gyromagnetische Gruppe wirkt, sofern eine gyromagnetische Gruppe in der zu

ίο untersuchenden Materienmenge 91 vorhanden ist. Wenn das gesamte magnetische Feld H₀, welches auf die gyromagnetische Gruppe zur Einwirkung gebracht wird, dem magnetischen Feldwert H₀ entspricht, welcher eine gyromagnetische Resonanz von der Frequenz des sich zeitlich ändernden Feldes H₁ bewirkt, so ergibt sich in der gyromagnetischen Gruppe eine Resonanz, und es wird das Netzwerk 105 außer Brückengleichgewicht gebracht. Wenn die Brückenanordnung sich außer Gleichgewicht befindet, so wird ein Signal von der Brücke 105 der Erregerspule 99 des magnetischen Verstärkers zugeführt, so daß das Signal verstärkt und wie in F i g. 19 danach einem Verstärker 101 zugeführt wird, sowie einem Detektor 102 und einem Anzeigegerät 103.

In Fig. 21 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein gyromagnetisches Resonanzspektrometer, welches sich durch eine außerordentlich stabile und hohe Auflösung eines Resonanzspektrums auszeichnet.

Die Anordnung entspricht im wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 19 mit dem Unterschied, daß die Hochfrequenzquelle96 der Fig. 19 durch einen gyromagnetischen Oszillator ersetzt wird, wie er in Fig. 17 beschrieben wurde. Eine zweite Säule 106 einer sich bewegenden Materienmenge 1, welche eine Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, wird durch einen Bereich geleitet, in welchem die Gruppe gleichzeitig einem linearen Gradienten eines polarisierenden magnetischen Feldes H₀ in Richtung der Bewegung der Gruppe ausgesetzt ist und einem zeitlich sich ändernden magnetischen Feld H₁, welches von einer Hochfrequenzquelle 12 abgeleitet wird. Auf diese Weise wird die gyromagnetische Gruppe in den Zustand eines höheren Energieniveaus, wie zuvor erörtert, versetzt.

Die gyromagnetische Gruppe, die auf diese Weise in einen Nichtgleichgewichtszustand versetzt ist, durchsetzt den Wirkungsbereich eines fest angekoppelten abgestimmten Kreises, der auf die Lamorfrequenz der gyromagnetischen Gruppe abgestimmt ist. Der abgestimmte Kreis ist fest mit der Gruppe, wie zuvor erörtert, gekoppelt, so daß eine Schwingungserzeugung stattfindet und man die Wirkungsweise eines gyromagnetischen regenerativen Oszillators erhält. Die auf diese Weise in dem abgestimmten Kreis hervorgerufenen Signale werden der Materienmenge 91, die untersucht werden soll, mittels der Erregerspule 95 zugeführt, so daß auf diese Weise eine gyromagnetische Resonanz in der gyromagnetischen Gruppe, insofern eine solche vorhanden ist, erregt wird.

Diese Art eines gyromagnetischen Spektrometers ist ein außerordentlich stabiles Gerät, da der zu untersuchende Probekörper, der gyromagnetische Oszillator und der gyromagnetische Verstärker sämtlich in dem gleichen Magnetfeld H₀ sich befinden und identischen zeitlichen Schwankungen unterworfen

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sind, so daß nachteilige Auswirkungen kleiner Schwankungen des totalen magnetischen Feldes sich aufheben.

Obwohl im Zusammenhang mit dem Spektrometer gemäß F i g. 21 der Verstärker und der Schwingungserzeuger gemäß F i g. 17 erörtert wurden, können auch der gyromagnetische Oszillator und der gyromagnetische Verstärker gemäß F i g. 21 durch irgendwelche anderen gyromagnetischen Verstärker und Oszilla-

Eine geeignete Materienmenge 114 kann beispielsweise Silizium mit Arsenverunreinigung sein, wodurch man Elektronengruppen erhält, die eine geeignete transverse Relaxationszeit T., besitzen.

Ein Zeitsteuerschalter 115 dient dem Zweck, selektiv eine Hochfrequenzquelle 116, beispielsweise einen Klystronoszillator zu erregen, dergestalt, daß ein zeitlich sich änderndes magnetisches Feld H₁ im wesentlichen von der Larmorfrequenz der gyro-

toren, wie sie zuvor erörtert wurden, ersetzt werden. i₀ magnetischen Gruppe erhalten wird. Das zeitlich Es kann ferner das Spektrometer gemäß Fig. 21 da- sich ändernde magnetische FeIdH₁ wird einem durch abgeändert werden, daß der gyromagnetische
Verstärker in Fortfall kommt und das durch den ab

gestimmten Kreis aufgenommene Resonanzsignal

kreisförmigen Resonator 117 (Zirkulator) an der Klemme α zugeführt und zu einer Klemme b geleitet, wo das Signal in einen Hohlleiter 118 eintritt und direkt dem Verstärker 101 zugeführt wird. ₁₅ durch denselben zu einer Sende-Empfangs-Schalt-

In Fig. 22 ist eine weitere Ausführungsform der röhre 119 geleitet wird. Die Sende-Empfangs-Schalt-

röhre 119 ist so ausgebildet, daß sie bei Empfang des zeitlich sich ändernden Magnetfeldes H₁ gezündet

wird, so daß dann H₁ zurück in den Hohlleiter 118

Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform zeigt ein Gerät, durch welches Meßdaten, die in Form von Stromwerten gewonnen werden, in Informationen

frequenzmäßiger Natur umgewandelt werden. Die 20 und zu der Anordnung 117 reflektiert wird. Die reumgewandelte Information frequenzmäßiger Art kann flektierte Energie H₁ tritt an der Klemme b wiederum in einer Speichervorrichtung gespeichert werden und, in den kreisförmigen Teil 117 (Zirkulator) bei der falls erforderlich, für spätere Verarbeitung der Meß- Klemme b ein und wird durch die Klemme c weiterdaten ein Programm bilden. geführt, von der die Energie H₁ über den Hohlleiter

Es befindet sich ein gyromagnetischer regenerativer 25 121 zu dem Hohlraumresonator 122 geleitet wird.

Oszillator der zuvor im Zusammenhang mit Fig. 14 Der Hohlraumresonator 122 ist so bemessen, daß

beschriebenen Art in einem polarisierenden ma- er eine Resonanz bei der gyromagnetischen Resonanz-

gnetischen Feldii₀, welches durch einen Magneten frequenz der gyromagnetischen Anordnung besitzt

107 hervorgerufen wird. Eine Spule 108, welche ein und eine Gruppe gyromagnetischer Körper enthält,

magnetisches Zusatzfeld liefert, ist vorgesehen, um 30 Das Zeitsteuergerät 115 erregt die Energiequelle 116

die gesamte Feldstärke H₀ in dem Wirkungsbereich hinreichend lange für eine Zeit τ, so daß die gyro-

des abgestimmten Kreises des gyromagnetischen Os- magnetische Gruppe in den Zustand höherer Energie-

zillators zu verändern. Die Spule 108 ist so bemessen, stufe gebracht wird, wie dies im Zusammenhang mit

daß sie ein magnetisches Feld in gleicher oder in Fig. 1 erläutert wurde. Wenn die Gruppe sich in

entgegengesetzter Wirkung zu dem gesamten ma- 35 dem Zustand höherer Energie befindet, schaltet die

gnetischen Feld H₀ erzeugt, und zwar nach Maßgabe Zeitsteuerstufe 115 die Energiequelle 116 ab, und die des Stromes, der die Spule 108 durchfließt. Das magnetische Zusatzfeld, welches durch die Spule 108
erzeugt wird, kann eine lineare Funktion des Stromes

sein, der die Spule 108 durchfließt, und so kann die Frequenz des gyromagnetischen regenerativen Oszillators eine lineare Funktion des Stromsignals sein, welches der Spule 108 zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein Stromwert in ein Signal frequenzmäßiger Art umgewandelt werden.

Der abgestimmte Kreis des gyromagnetischen Oszillators ist mit einem Verstärker 109 gekoppelt, so daß die Schwingungen verstärkt werden. Der Ausgangskreis des Verstärkers ist dann mit einer

Gruppe befindet sich nun in einem Zustand, in welchem sie Signale, die ihr zugeführt werden, verstärken kann.

Die Antenne 123 nimmt die Radarsignale, welche verstärkt werden sollen, auf und leitet sie über den Hohlleiter 124 und das Dämpfungsglied 125 zu der Sende-Empfangs-Röhre 119 und der Klemme b der Zirkulatoranordnung 117. Das Radarsignal tritt an 45 der Klemme b in die Anordnung 117 ein und wird durch dieselbe zu der Klemme c geleitet, von dort zu dem Hohlraumresonator 122 und der gyromagnetischen Gruppe. Das Radarsignal erzeugt kohärente Emission der gyromagnetischen Gruppe, wird da-Speichervorrichtung 111 verbunden, die durch eine 50 durch wesentlich verstärkt und wird dann wieder Steuervorrichtung 112 gesteuert wird. Entsprechend über den Hohlleiter 121 zu der Klemme c der Zirder Steuervorrichtung 112 liefert die Speichervor- kulatoranordnung 117 geleitet. Das verstärkte Radarrichtung 111 das Signal an einen Belastungskreis 113. signal, welches bei der Klemme c der Zirkulator-Ein Stromverstärker 110 kann vorgesehen sein, um anordnung 117 eintritt, wird an der Klemme d wieder das Eingangssignal, welches ein Stromwert ist, zu 55 abgegeben und über den Hohlleiter 126 und die verstärken und dann der Feldspule 108 zuzuleiten. Sende-Empfangs-Röhre 127 zu der Mischstufe 128

geleitet.

Die Mischstufe 128 mischt die empfangenen Radarsignale mit den Signalen, die von dem lokalen Oszil-60 lator 129 abgeleitet sind, und erzeugt dadurch eine Zwischenfrequenz, die dem Verstärker 131 zugeführt wird. Die Zwischenfrequenz wird in dem Verstärker 131 verstärkt und von einem Detektor 132 in einem die Entfernung anzeigenden Anzeigegerät 133 zur Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, befindet 65 Anzeige gebracht, indem die relative Amplitude und sich in einem polarisierenden magnetischen Feld H₀ die Entfernung des Echosignals angezeigt wird.

Obwohl ein bestimmter Oszillator im Zusammenhang mit Fig. 22 beschrieben wurde, kann doch irgendeiner der zuvor erörterten Oszillatoren verwendet werden.

In Fig. 23 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform bildet ein Radarempfangsgerät von außerordentlich niedrigem Störpegel. Die Materienmenge 114, welche eine

von hinreichender Stärke, so daß die Larmorfrequenz der Gruppe von der Frequenz eines Radarsignals ist.

Die zweite Sende-Empfangs-Röhre 127 (TR-Röhre) verhindert, daß Energie von der Energiequelle 116,

die von dem Hohlraumresonator 122 in die Zirkulatoranordnung 117 reflektiert wird, zu der Mischstufe 128 gelangt und dieselbe übersteuert. Die zweite Sende-Empfangs-Röhre 127 ist so eingestellt, daß, wenn ihr Signale besonders hoher Amplitude zugeführt werden, sie zündet und dadurch der Hohlleiter 126 kurzgeschlossen wird und die Energie in die Zirkulatoranordnung 117 zurückreflektiert wird und von dort in die Energiequelle 117 hineinreflektiert wird.

Verschiedene Materialien 114 machen es erforderlich, daß das Material bis auf wenige Grad Kelvin abgekühlt wird. In einem solchen Falle wird der Hohlraumresonator 122, welcher die Materienmenge 114 enthält, in ein Bad von flüssigem Stickstoff oder Helium, welches sich in einem Behälter 134 befindet, eingetaucht.

Die Geräuschziffer eines Radarempfängers gemäß F i g. 23 kann außerordentlich niedrig gemacht werden, was, verglichen mit den bisher üblichen Radarempfängern, einen außerordentlich großen Vorteil bedeutet. Die Geräuschziffer eines gyromagnetischen Verstärkers unter Einfluß der ersten Mischstufe des Empfängers kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden: .

dabei bedeutet F_t die gesamte Geräuschziffer in db des gyromagnetischen Verstärkers einschließlich der Mischstufe des Empfängers, F₁ die Geräuschziffer in db des gyromagnetischen Verstärkers und F₂ die Geräuschziffer in db der Mischstufe; G ist der Leistungsgewinn in db des gyromagnetischen Verstärkers. Tatsächliche Geräuschziffern eines gyromagnetischen Verstärkers sind ungefähr 1 bis 2 db, während entsprechende Werte für die Geräuschziffer einer Mischstufe ungefähr 10 db sind. Erzielbare Gewinnziffern für den gyromagnetischen Verstärker liegen zwischen 10 und 100. Das Einsetzen dieser Ziffern in die oben genannte Gleichung zeigt, daß die. Geräuschziffer F_t für den Radarempfänger ungefähr 1,5 bis 3 db ist. Dies ist eine beträchtlich bessere Geräuschziffer, als man unter Anwendung üblicher Mittel bei Radarempfängern zur Zeit haben kann.

Das empfangene Signal, welches von der Antenne der gyromagnetischen Stufe für die Zwecke der Verstärkung zugeführt wird, ist nicht größer als die Amplitude, die erforderlich ist, um Sättigung der gyromagnetischen Anordnung zu erzielen. Wenn der Radarempfänger unter Bedingungen benutzt wird, unter denen er Signale empfängt, die größer sind, als dem Sättigungswert entspricht, so wird ein einstellbarer Dämpfungskreis 125, beispielsweise ein Ferrit-Amplidutenmodulator in dem Eingangshohlleiter 124 vorgesehen und mittels eines die Verstärkung regelnden Steuersignals, welches von dem Detektor 132 abgeleitet wird und über die Leitung 135 zugeführt wird, gesteuert, so daß das Eingangssignal nach Wunsch gedämpft werden kann, zu dem Zweck, es unterhalb der Schwelle der Sättigungsamplitude zu halten.

Hinsichtlich der Zeitsteuerung des Gerätes bestehen beträchtliche Variationsmöglichkeiten. In gewissen Fällen kann es wünschenswert sein, die gyromagnetischen Gruppen nach Empfang eines Echoimpulses zu einem Zustand höherer Energie anzuregen. In einem solchen Fall muß die Zeitdauer des Echoimpulses kleiner sein als die transversale Relaxationszeit T₂ der gyromagnetischen Gruppe, so daß der gesamte Impuls verstärkt wird. Darüber hinaus sollte die Iupulswiederholungsperiode größer sein als die longitudinale Relaxationszeit T₁ der gyromagnetischen Gruppe.

In dem Fall, in welchem die gyromagnetische Gruppe zu einem Zustand höherer Energie angeregt wird, nachdem eine Mehrzahl von Echoimpulsen empfangen wurden, muß die Differenz zwischen der longitudinalen Relaxationszeit T₁ und der transversalen Relaxationszeit T₂ kleiner als die Zeitdauer zwischen Impulsen sein, so daß die Gruppe zu einem Zustand höherer Energie zwischen Impulsen angeregt werden kann, ohne daß ein Impuls verlorengeht. Wenn es indessen zulässig ist, Impulse auszulassen, so kann die genannte Bedingung abgeschwächt werden.

Ein Radarempfänger gemäß Fig. 23 ist ein typisches Beispiel dafür, wie die Verstärkung von Signalen im Mikrowellenbereich ausgenutzt werden kann, so wie man es bei Radarsystemen zu tun pflegt. Es ist indessen die Ausführungsform nicht auf die Anwendung eines gyromagnetischen Verstärkers gemäß Fig. 1 beschränkt unter Zurechnung entsprechender Abänderungen, die durch die höheren zur Anwendung gelangenden Frequenzen bedingt sind, es können vielmehr auch die Verstärkerausführungsformen, die zuvor erörtert wurden, Anwendung finden. In Fig. 24 ist eine weitere Anwendung der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform eines Radarempfängers handelt es sich um eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 23, mit der Ausnahme, daß die Anordnung ein System darstellt, welches kontinuierliche Verstärkung der eintreffenden Radarsignale gewährleistet, und es wird dabei die Verstärkerausführungsform benutzt, die im Zusammenhang mit F i g. 12 erörtert wurde.

Es befindet sich insbesondere erne Materienmenge

65, welche mindestens zwei Gruppen gyromagnetischer Körper enthält, die in solcher Weise miteinander verwandt sind, daß eine zum Teil gesättigte Resonanz der einen Gruppe die zweite Gruppe in einen höheren Energiezustand versetzt, Anwendung, wobei die Materienmenge sich in einem polarisierenden magnetischen Feld H₀ befindet. Die Materienmenge 65 befindet sich in einem Hohlraumresonator

66, der zwei Hauptresonanzen besitzt, je eine Resonanz bei jeder der Larmorfrequenzen der gyromagnetischen Gruppen, die in der Materienmenge 65 enthalten sind.

Eine Energiequelle 67, welche zeitlich veränderliche elektromagnetische Energie von der Frequenz derjenigen Gruppe liefert, welche teilweise gesättigt werden soll, zu dem Zweck, die andere Gruppe in den höheren Energiezustand zu überführen, ist mit dem Hohlraumresonator. 66 über einen Hohlleiter 68 gekoppelt. Eine Antenne 123 nimmt Radarechosignale auf und leitet dieselben über einen Hohlleiter 124, eine einstellbare Dämpfungsstufe 125 und über eine Trennfuge 136 zu dem Hohlraumresonator 66. Die empfangenen Mikrowellensignale, die dem Hohlraumresonator zugeführt werden, werden der Gruppe gyromagnetischer Körper zugeführt, die indenNichtgleichgewichtszustand der Energie gebracht wurden, und es wird auf diese Weise kohärent angeregte

31 32

Emission von Strahlung hervorgerufen, weiche dem Eine Materienmenge 65, die eine Mehrzahl Gruppen Zweck dient, das empfangene Signal zu verstärken. gyromagnetischer Körper umfaßt, befindet sich in ge-Die Stufe 136 dient dem Zweck, zu verhindern, daß eigneter Weise in einem Hohlraumresonator andas verstärkte Empfangssignal von der Antenne 123 geordnet, welcher beispielsweise aus zwei miteinander ausgestrahlt wird, und daß Energie, die von der 5 eng gekoppelten Hohlräumen besteht, so daß die Energiequelle 67 stammt, von der Antenne 123 ab- beiden erwünschten Resonanzschwingungsformen gegestrahlt wird. währleistet sind. Der Hohlraum 66 wird von einer

Das verstärkte Signal wird von dem Hohlraum- Energiequelle 67 erregt, die ein zeitlich sich ändern-

resonator66 über eine Blende 72 ausgekoppelt und des Magnetfeld H₁ von der Frequenz der Larmorüber einen Hohlleiter 71 einer Filterstufe 137 zu- io frequenz der zweiten Gruppe erzeugt; dabei dient die

geführt. Die Filterstufe 137 ist so bemessen, daß sie zweite Gruppe gyromagnetischer Körper dem Zweck,

Signale von der Frequenz der Energiequelle 67 zu- die der Verstärkung dienende Gruppe zu einer

rückhält, daß sie aber Signale von der Frequenz der höheren Energiestufe anzuregen.

Radarsignale durchläßt. Das verstärkte Radarsignal Eine geeignete Antenne 141, die beispielsweise

wird dann einer Mischstufe 128 zugeführt, wo es mit 15 eine Hornantenne sein kann, wird auf einen Körper

der Frequenz eines lokalen Oszillators 129 gemischt gerichtet, dessen Temperatur gemessen werden soll,

wird und ein niedrigeres, zwischenfrequentes Signal Die Strahlung, die von dem Körper ausgeht, wird

erzeugt, welches dem Detektor 132 zugeführt wird. von der Antenne 141 empfangen und über einen

Das Ausgangssignal des Detektors wird dann einem Hohlleiter 142 zu einer einstellbaren Dämpfungsstufe Anzeigegerät 133, welches die Entfernung und den 20 143 und einem geeigneten Mikrowellenschalter 144 Azimut anzeigt, zugeführt. Wie bei dem Ausführungs- geleitet. Der Mikrowellenschalter kann von irgendbeispiel der Fig. 23 muß die Amplitude des an- einer bekannten Art sein. Der in der Zeichnung kommenden Signals niedriger sein, als dem Wert der wiedergegebene Schalter ist ein solcher, wie er in Sättigungsamplitude entspricht, damit für die Zwecke dem Aufsatz von W. L. Teeter in den I.R.E. Transder Verstärkung eine hinreichende Sättigung der 25 actions betreffend Mikrowellentheorie und Technik, gyromagnetischen Gruppe erzeugt wird. Dem- Bd. MTT-3, Oktober 1955, betitelt »Hochfrequenzentsprechend wird ein Verstärkungsregelungssignal breitbandiger Mikrowellenschalter«, beschrieben ist. von dem Detektor 132 abgeleitet und über eine Lei- In der einen Schaltstellung wird das ankommende tung 135 der Dämpfungsstufe 125 zugeführt. Signal von der Antenne 141 über eine Trennstufe 145

Es kann ein außerordentlich empfindlich und 30 zu dem Hohlraum 66 geleitet, welcher ein gyrostabil arbeitendes, für die Anzeige sich bewegender magnetisch aktives Medium enthält, das für die Objekte dienendes Radargerät dadurch erhalten Zwecke der Verstärkung des Signals ausgenutzt wird, werden, daß die bei den Ausführungsformen gemäß Der Schalter 144 wird durch einen Motor 146 an-F ig. 21, 23 und 24 zur Anwendung gelangenden Ge- getrieben und riegelt in seiner anderen Stellung die danken kombiniert werden. Es kann insbesondere 35 Antenne 141 von dem Verstärker ab und schaltet das Radarsignal, welches auf das Objekt gerichtet statt dessen als Bezugsquelle einen Widerstand als wird, von einem gyromagnetischen selbständigen Abschluß 147 an. Der Widerstandsabschluß 147 regenerativen Oszillator abgeleitet werden, welcher umfaßt verlustbehaftetes Material, beispielsweise sich in einem polarisierenden magnetischen FeIdH₀ Aquadag, in einem Hohlleiter, wobei die Impedanz befindet, das denselben kleinen Schwankungen zeit- 40 an die Impedanz des Schalters angepaßt ist, so daß licher Art unterworfen ist wie das magnetische maximale Energieübertragung von dem Abschluß-Feld H₀, welches auf die magnetische Gruppe für die widerstand 147 auf den Schalter 144 stattfindet.
Zwecke der Verstärkung des Echosignals wirkt. Das Der als Bezugsorgan dienende Abschlußwidergesamte magnetische Feld H₀, welches auf die gyro- stand 147 liefert ein Geräuschsignal an die Schaltmagnetischen Gruppen zur Einwirkung gebracht wird, 45 stufe, die von der Funktion des Abschlußwiderist in den meisten Fällen veränderbar und von anderer Standes 147 abhängt. Es wird auf diese Weise ein Intensität als das polarisierende magnetische Feld, Signal von dem Körper abgeleitet und dem Verstärker welches auf den gyromagnetischen Oszillator zur zugeführt, wenn die Schaltstufe sich in der einen Einwirkung gebracht wird, zu dem Zweck, Doppler- Stellung befindet, und wenn die Schaltstufe sich in verschiebungen in der Frequenz des Echosignals 50 der anderen Schaltstellung befindet, wird ein Signal auszunutzen. von dem Bezugswiderstand 147 abgeleitet und dem

In F i g. 25 ist eine weitere Ausführungsform der Er- Verstärker zugeführt.

findung dargestellt. Diese Ausführungsform zeigt ein Die Geräuschsignale, die dem gyromagnetischen außerordentlich empfindliches Radiometer, wie es Verstärker zugeführt werden, werden verstärkt und beispielsweise für Radio-Astronomie, für die Be- 55 zu einer Mischstufe 148 geleitet, wo sie mit einem Stimmung der Temperatur entfernter Körper und Signal gemischt werden, welches von einem lokalen für die Feststellung von Gegenständen verschiedener Oszillator 150 abgeleitet wird, so daß auf diese Temperatur und für viele andere Zwecke verwendet Weise ein Frequenzband einer niedrigeren Zwischenwerden kann. frequenz entsteht.

Es kann insbesondere die außerordentlich niedrige 60 Die niedrigere Zwischenfrequenz enthält die Ge-Geräuschziffer, die gemäß der Erfindung zu erzielen räuschsignale, die von dem Abschlußwiderstand 147 ist, dafür von Wichtigkeit sein, wenn es sich darum erhalten werden, und die von dem zu untersuchenhandelt, die Mikrowellenenergie, die von Körpern den Körper stammenden Signale, zuzüglich einer verschiedener Temperatur ausgestrahlt wird, zu ver- Frequenzkomponente, welche der Umschaltfrequenz stärken. Da der gyromagnetische Verstärker eine 65 des Schalters entspricht und in der Größe proportional außerordentlich niedrige Geräuschziffer besitzt, kann dem Unterschied in dem Geräusch oder der Tembei der Messung der Strahlung eines zu untersuchen- peratur des zu untersuchenden Körpers und des Abden Körpers hohe Empfindlichkeit erzielt werden. Schlußwiderstandes 147 ist. Das Zwischenfrequenz-

band wird einem Detektor 149 zugeführt und von demselben zu einem Verstärker 151 weitergeleiiet, in welchem die Niederfrequenzkomponenten des vom Detektor erhaltenen Signals, die der Schaltfrequenz entsprechen, verstärkt und von dort zu einer abgeglichenen Mischstufe 152 geleitet werden. In der Mischstufe werden die Niederfrequenzkomponenten, die von dem Verstärker 151 geliefert werden, mit einem ähnlichen Niederfrequenzsignal, das von einem Generator 153 geliefert wird, gemischt; der Generator 153 ist mit derselben Welle gekoppelt, mit der der Schalter 144 gekoppelt ist, dergestalt, daß von dem Generator 153 ein Signal erzeugt wird, welches die Frequenz der Schaltfrequenz besitzt. Die Ausgangsströme der Mischstufe 152 enthalten ein Gleich-Stromsignal oder ein Signal außerordentlich niedriger Frequenz, deren Amplitude proportional dem Unterschied zwischen der Temperatur des zu untersuchenden Körpers und der Temperatur des Abschlußwiderstandes 147 ist. Dieses Niederfrequenzsignal wird durch ein Niederfrequenzfilter 154 geleitet und dem Eingangskreis einer Anzeige- und Registrierstufe 155 zugeführt. Eine automatische Verstärkungsregelung verhindert, daß Übersättigung der verstärkenden gyromagnetischen Gruppe, die sich in dem Hohlraumresonator 66 befindet, stattfindet; dieses Signal wird von dem Detektor 149 abgeleitet und über eine Leitung 56 der Dämpfungsstufe 143 zugeführt.

Um besonders hohe Empfindlichkeit zu erzielen, können die einstellbare Dämpfungsstufe 143, der Bezugsabschlußwiderstand 147, die Trennstufe 145, der Hohlraumresonator 66 und der Abschlußwiderstand des Mikrowellenschalters 144 in flüssiges Helium oder ein anderes geeignetes Kühlungsmediüm gebracht werden, welches sich in einem Behälter 157 befindet. Wenn man das tut, werden die zusätzlich hervorgerufenen Widerstandsgeräuschströme auf einen minimalen Umfang gebracht.

Im Zusammenhang mit F i g. 25 wurde eine langsam arbeitende Schaltstufe 144 gezeigt, es können aber auch schneller arbeitende Schaltstufen, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten, verwendet werden, beispielsweise einstellbare Ferrit-Dämpfungsglieder, die durch eine Zeitsteuerung gesteuert werden, um schnellere Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen. Die Anordnung nach F i g. 25 kann in einfacher Weise so abgeändert werden, daß eine Azimut-Höhe-Anzeige einer bestimmten Fläche stattfindet. Dies kann man in der Weise bewirken, daß die Antenne 141 beispielsweise in Spiralform eine Abtastung vornimmt und daß das Oszilloskop synchron mit der Antennenabtastung zu einer Spiralabtastung veranlaßt wird. Auf diese Weise können die Höhe und das Azimut von Körpern verschiedener Temperatur angezeigt werden.

Sämtliche Oszillatorausführungsformen gemäß der Erfindung liefern eine Schwingung von einer Frequenz, die ein direktes Maß für die magnetische Feldstärke H₀ ist. Dementsprechend können auch die Anordnungen dazu benutzt werden, um die magnetische Feldstärke lediglich im Wege einer Frequenzmessung zu bestimmen.

Die vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung besitzen eine breitere Abstimmöglichkeit, als man bei Molekularanordnungen des Maser-Typs erreichen kann. Dieses ergibt sich daraus, daß die Larmorfrequenz einer gyromagnetischen Gruppe für die Zwecke der Verstärkung und Abstimmung ausgenutztwird und daß dabei die Larmorfrequenz eine Funktion des polarisierenden magnetischen Feldes ist, in welchem sich die betreffenden mikroskopischen gyromagnetischen Körper befinden. Es können daher sämtliche Ausführungsformen der Erfindung über ein verhältnismäßig breites Frequenzband durch Änderung der Feldstärke des polarisierenden magnetischen Feldes abgestimmt werden, vorausgesetzt, daß die Kopplungsbedingungen, die zuvor aufgestellt wurden, beachtet werden. Findet naturgemäß ein. Abstimmen über ein bestimmtes Maß hinaus statt, so müssen die verschiedenen abgestimmten Kreise, die mit der gyromagnetischen Gruppe gekoppelt sind, entsprechend der Änderung- des polarisierenden magnetischen Feldes abgestimmt werden. Abstimmungsmittel, die konzentrierte und verteilte Reaktivitäten benutzen, sind wohl bekannt, und es wurden daher solche Mittel nicht näher in der Erfindung charakterisiert.

In verschiedenen Fällen bezog sich die Beschreibung der Erfindung auf Kreise mit niedrigen Frequenzen, d. h. auf Kreise, die konzentrierte Reaktivitäten benutzen. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise auch bei Mikrowellenfrequenzen verwendbar, wie im Zusammenhang mit einigen Ausführungsformen beschrieben wurde, und der Umfang der Erfindung umschließt sämtliche Mikrowellenäquivalente, wie dies für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist.

Es sind verschiedene Änderungen und Abweichungen der zuvor erörterten Konstruktionen und die verschiedensten Abwandlungen der Erfindung möglich, ohne daß der grundsätzliche Gedanke der Erfindung dadurch verlassen wird. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß die in den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung erläuterten Beispiele Ausführungsbeispiele sind, die in keiner Weise den Umfang der Erfindung begrenzen sollen.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Verstärkung oder Erzeugung hochfrequenter Schwingungen in einem elektrischen Schwingungskreis, der eine gyromagnetische Materiemenge umschließt, welche sich in einem polarisierenden, senkrecht zum Magnetfeld des Schwingungskreises gerichteten Magnetfeld H₀ befindet und durch ein intermittierendes Magnetfeld in einen Zustand höherer Energie ausgerichtet wird und in den Phasen der abidingenden Ausrichtung Schwingungen von der der Resonanzfrequenz (ω₀) des Schwingungskreises entsprechenden Frequenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung kohärenter Schwingungsverhältnisse die Kopplung zwischen dem Schwingungskreis und der Materienmenge so gewählt ist, daß die transversale Relaxationszeit der Materienmenge nahezu gleich oder größer ist als der Reziprokwert der unter Berücksichtigung der Rückwirkung auf die Materienmenge maßgeblichen Zeitkonstanten des hochfrequenten Resonanzkreises.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende magnetische Feld H₀ sowie, hinsichtlich seines Gütefaktors β und der Orientierung in bezug auf das polarisierende Magnetfeld H₀ und die Menge gyromagne-

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tischer Materie (Faktor η), der Resonanzkreis so gewählt sind, daß die Beziehung gilt:

_T >L

wobei

T₂ = transversale Relaxationszeit der

Menge gyromagnetischfcr Materie, γ — gyromagnetische Konstante, Af₀ = magnetisches Moment/cm^s,

¹⁰

ist und mit H_c das magnetische Feld des Resonanzkreises und θ der Winkel zwischen H₀ und H_c bezeichnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ausrichtung der Menge gyromagnetischer Materie aus einem Hochfrequenzgenerator bestehen, dessen Frequenz der gewünschten Frequenz <w_t entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche abwechselnd den zur as Erzeugung der örtlichen Schwingungen vorgesehenen Generator und den Belastungskreis an den Resonanzkreis anschalten.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer T, während welcher der örtlich vorgesehene Generator das ausrichtende Magnetfeld H₁ in der Menge gyromagnetischer Materie erzeugt, der folgenden Beziehung entspricht:

π ^r j ^r 3 " *.

IyH_x I₇H₁

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Materienmengen von gleichem gyromagnetischem Verhalten in demselben polarisierenden Magnetfeld H, angeordnet sind und daß jede der beiden mit einem Resonanzkreis gekoppelt ist, dessen Resonanzfrequenz der Larmorfrequenz entspricht und daß abwechselnd gyromagnetische Ausrichtung durch eine Hochfrequenzquelle der Frequenz ω_β und anschließend abwechselnd Ankopplung an den Belastungskreis erfolgt, zu dem Zweck, ein kontinuierliches verstärktes Signal bzw. eine kontinuierlich erzeugte Schwingung zu liefern.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ausrichtung der gyromagnetischen Materienmengen darin bestehen, daß abwechselnd das polarisierende Magnetfeld H₉ umgekehrt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Perioden umgekehrter magnetischer Polarisation Perioden eines polarisationsfreien Zustandes folgen.

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der zur gyromagnetischen Ausrichtung vorgesehene Hochfrequenzgenerator mit zwei Resonanzkreisen verschiedener Abstimmfrequenzen ((O₁ und ω₂) gekoppelt ist und daß die gyromagnetische Materienmenge zwei Elementengruppen enthält, deren Larmorfrequenzen den genannten Frequenzen ω, und ω₂ entsprechen, wobei die Frequenz des vorgesehenen Generators der einen der beiden Frequenzen entspricht und die Frequenz des Resonanzkreises, welcher die Kopplung mit dem Belastungskreis bewirkt, der anderen der beiden Frequenzen entspricht.

10. Anordnung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die gyromagnetische Materienmenge, welche zwei Larmorfrequenzen besitzt, sich in einem Hohlraumresonator befindet, dessen Schwingungen durch einen örtlich vorgesehenen Generator erregt werden, wobei die Induktivität des auf die Nutzfrequenz abgestimmten Resonanzkreises den Hohlraumresonator umgibt.

11. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein polarisierendes magnetisches Feld H₀ eine Strömung einer gyromagnetischen Materie erfolgt und daß die Strömung zuerst die Erregerspuk eines Hochfrequenzgenerators durchfließt und danach den Resonanzkreis durchfließt, in welchem Entdämpfung bewirkt werden soll.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung gyromagnetischer Materie ein nichthomogenes polarisierendes magnetisches Feld durchsetzt, währest es sich durch die von dem örtlichen Hochfrequenzgenerator erregte Spule hindurchbewegt, wobei vorzugsweise ein Elektromagnet mit abgeschrägten Polschuhen Anwendung findet.

13. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche die Stärke des polarisierenden magnetischen Feldes H_t abzustimmen gestatten.

14. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden für die Zwecke der Verstärkung schwacher elektrischer Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Steuerwicklung vorgesehen ist, deren Windungsebene-parallel zum magnetischen Feld und senkrecht zu der Windungsebene des zu entdämpfenden Resonanzkreises liegt.

15. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden in Anwendung als gyromagnetische^ Spektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Materienmenge und eine weitere Materienmenge zur Entdämpfung eines Resonanzkreises und Erzeugung stabiler Schwingungen vorgesehen sind, wobei für beide Materienmengen das gleiche polarisierende Magnetfeld H₀ Anwendung findet und zusätzliche Mittel vorgesehen sind, welche die Stärke des die zu untersuchende Materienmenge durchsetzenden Magnetfeldes variieren.

16. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, insbesondere gyromagnetische Spektrometeranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzenergie einer ersten Gruppe gyromagnetischer Partikeln bei der gyromagnetischen Resonanzfrequenz derselben zugeführt wird und daß diese gyromagnetisch erregte Gruppe auf eine weitere Gruppe gyromagnetischer Partikeln einwirkt, welche sich im Felde eines auf die Resonanzfrequenz dieser Gruppe abgestimmten Resonanzkreises befindet und durch die Einwirkung der erstgenannten gyromagnetischen Gruppe in einen Zustand

höherer Energie übergeführt wird und bei kohärenter Rückkehr in den Grundzustand entdämpfend auf den ihr zugeordneten Schwingungskreis rückwirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift M 25603 VIII a/21a* (bekanntgemacht am 16. 2.1956);

USA.-Patentschrift Nr. 2 762 871;

»Zeitschrift für angewandte Physik«, 1954, Bd. VI, H. 7, S. 303 bis 310;

»Zeitschrift für Physik«, 1957, Bd. 149, S. 267 bis 275;

»The Physical Review«, 70, H. 7/8 (1. und 15. 10.1946), S. 474 ff., und 80, H. 4 (15.11.1950), S. 580 ff.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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