DE1177265B - Magnetischer Werkstoff fuer Anwendung bei tiefen Temperaturen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: HOId

Deutsche Kl.: 21g-31/02

Nummer: 1177 265

Aktenzeichen: W 32424 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 14. Juni 1962

Auslegetag: 3. September 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Werkstoff für Anwendung bei tiefen Temperaturen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß er hauptsächlich aus der Verbindung Europiumoxyd (EuO) besteht.

Es wurde gefunden, daß die Verbindung EuO bei Temperaturen unterhalb ihres Curiepunktes von etwa 77° K ferromagnetisch ist. Messungen bestätigten die hierbei theoretisch erwartete Sättigung von 7 Bohrschen Magnetonen. Bei unterhalb des Curiepunktes liegenden Temperaturen und bei einer Dichte von etwa 8,25 beträgt ihr magnetisches Moment ΑπΜ = 24100 Gauß/cm³. Diesem Wert steht ein magnetisches Moment von etwa 21700 für Eisen und etwa 25000 für metallisches Gadolinium gegenüber.

Von noch größerer Bedeutung als der Vergleich mit leitenden ferromagnetischen Substanzen ist, vom Standpunkt der Anwendung aus gesehen, die Tatsache, daß EuO ein dielektrisches Material ist. Die Messungen haben spezifische Widerstände in der Größenordnung von 10⁹ bis 10¹⁰ Ohm · cm ergeben. Als magnetischer Isolator kann EuO mit den üblichen ferromagnetischen Materialien, wie Yttrium-Eisengranat, verglichen werden, die charakteristischerweise magnetische Momente in der Größenordnung 2500 Gauß/cm³ im unterhalb 77° K liegenden Temperaturbereich haben.

Kristallographische Untersuchungen haben eine NaCl-Struktur für EuO ergeben und stimmen mit der außerordentlich hohen Permeabilität und engen Linienbreite überein. In reiner Form hat EuO eine fast vernachlässigbare Hysteresis, jedoch können die üblichen Verfahren dazu benutzt werden, ihm eine Schleifencharakteristik zu geben.

Europiumoxyd ist in demjenigen Tieftemperaturbereich von Interesse, in dem die bei ihm vorhandene Vereinigung eines hohen elektrischen Widerstandes mit einem hohen magnetischen Sättigungsmoment eine Verkleinerung herkömmlicher magnetischer und Mikrowellen-Bauteile ermöglicht und eine Anzahl Vorrichtungen empfiehlt, deren Verwirklichung durch die Entwicklung eines Materials mit den Eigenschaften von EuO erfolgen konnte.

Der Werkstoff nach der Erfindung kann mit Vorteil beispielsweise in einem ein Bandleitungspaar aufweisenden Leistungsbegrenzer verwendet werden, ferner in einem Isolator des Faraday-Rotationstyps, in einem Wellenleiter-Schalter, in einem Zirkulator des Faraday-Rotationstyps, in einem der Feldsteuerung dienenden Rechteckhohlleiter usw.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

Magnetischer Werkstoff für Anwendung bei
tiefen Temperaturen

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

^xo Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Bernd Two Matthias, Berkeley Heights,
N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Juli 1961 (127 634) - -

F i g. 1 die Beziehung zwischen dem magnetischen Moment und der Temperatur in Kelvingraden von Europiumoxyd unterhalb des Curiepunktes,

F i g. 2 eine Ansicht einer Vorrichtung, die einen Kern aus EuO verwendet,

F i g. 3 eine Aufsicht einer zweiten Vorrichtung, die einen Kern aus magnetischem Material nach der Erfindung verwendet,

F i g. 4 eine Aufsicht einer anderen Vorrichtung, die einen Kern aus EuO verwendet,

F i g. 5 eine zum Teil geschnittene perspektivische Ansicht eines Leistungsbegrenzers, der einen Körper aus EuO verwendet,

Fig. 6 erne perspektivische Ansicht eines Mikrowellenisolators, der eine Faraday-Drehung in einer Stange aus EuO verwendet,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiterschalters, der einen Körper aus der Verbindung nach der Erfindung verwendet,

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht eines Zirkulators, der eine Faraday-Drehung in einem EuO-EIement verwendet, und

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, die einen rechteckigen Wellenleiter verwendet, bei dem das aktive Element ein Körper aus EuO ist.

Die Darstellung der Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem magnetischen Moment und der Temperatur. Die Einheit auf der Abszisse ist in Kelvin-

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graden angegeben. Doppelte Einheiten sind auf der Ordinate angegeben, nämlich die magnetische Sättigung in Bohr-Magnetonen auf der linken und das magnetische Moment (4.ύΜ) in Gauß/cm^:i auf der rechten Seite. Die Kurvenform ist bekannt und zeigt einen höchsten Betrag von etwa 7 Bohr-Magnetonen oder 24100 Gauß/cm³ bei 0° K und die Magnetisierung Null bei der Curietemperatur von 77° K.

F i g. 2 zeigt eine übliche Solenoidausbildung, die

Eine in einer gegebenen Richtung, z. B. von 27 nach 28, durch den Leiter wandernde Welle erfährt eine Drehung von 45° durch das Element 25 und tritt so aus der Öffnung 28. Eine in umgekehrter Richtung 5 wandernde Welle wird in der gleichen Richtung um 45° gedreht, ist somit nach der Drehung um 90° zur Hauptachse der Öffnung 27 gerichtet und kann deshalb nicht übertragen werden.

F i g. 7 zeigt schematisch eine ebenso auf dem einen Kern 1 aus EuO und eine Wicklung 2 enthält. io gyromagnetischen Prinzip beruhende Schalteinrich-Eine Kühleinrichtung 3 zum Kühlen des Körpers 1 tung. Der spezielle Schalter kann als eine einpolige auf eine Temperatur bei oder unter dem Curiepunkt Umschalteeinrichtung arbeiten und besteht aus dem von 77° K ist schematisch gezeigt. Die dargestellte Element 35 aus EuO innerhalb des kreisförmigen Anordnung kann vielen verschiedenen Zwecken Leiters 36, der mit rechteckigen, um 90° versetzten dienen, z. B. kann sie als Verzögerungsleitung mit 15 Wellenleitern 37 und 38 versehen ist. Das Element magnetischem Kern oder als Antennenstab ver- 35, das durch nicht dargestellte Einrichtungen, die

aber den in F i g. 6 gezeigten ähnlich sein können, magnetisch gesättigt wird, erzeugt eine Drehung um 45°. Je nach der Richtung des Sättigungsfeldes er-20 folgt die Drehung der bei 39 eintretenden elektromagnetischen Welle im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Eine entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende 45°-Drehung schaltet die Welle, deren Polarisation durch den Pfeil 40 schematisch darge-

oder Erhöhung der Spannung ist, wird die Wicklung 25 stellt ist, zum Leiter 37, während eine im Uhrzeiger-10 oder 11 als primär bezeichnet. Wegen des hohen sinn verlaufende 45°-Drehung die Welle zum Leiter

38 schaltet.

F i g. 8 zeigt einen Mikrowellenzirkulator, der aus dem Element 45 aus EuO innerhalb eines kreisför-

ten Art von Interesse bei Schaltungen, die halb- 3° migen Leiters 46 besteht, der mit zwei Paaren von leitende Speicherelemente oder andere cryogenische rechteckigen Leitern 47, 48 und 49, 50 versehen ist,

wobei jedes Paar im rechten Winkel angeordnet ist und das zweite Paar in einem Winkel von 45° zum ersten Paar versetzt ist. Für die dargestellte Winkel-

W. De'Grasse in »Electrical Manufacturing«, Fe- 35 beziehung und unter der Voraussetzung einer posibruar 1959, S. 61 ff. beschrieben worden ist. Die Vor- tiven 45°-Drehung im Element45 wird die durch den richtung kann als Begrenzer arbeiten und ist von der Wellenleiter 48 ankommende Welle durch das EIe-Leistungssättigung des Kugelelementes 15, das hier ment 45 gedreht und vom Leiter 50 aufgenommen, aus EuO besteht, abhängig, das als nichtreziprokes Die vom Leiter 50 ankommende Welle wird durch Kopplungselement für die Bandleitungen 16 und 17 40 den Leiter 47 aufgenommen, die vom Leiter 47 andient, die bei 18 und 19 enden, was als Eingang und kommende Welle durch den Leiter 49 und die vom Ausgang in der genannten Reihenfolge betrachtet Leiter 49 kommende Welle tritt am Leiter 48 aus. werden kann. Diese Vorrichtung, die für Bandüber- Die Einrichtung nach F i g. 9 enthält einen recht-

tragungsleitungen charakteristisch ist, ist elektrisch eckigen Leiter 55 mit dem Element 56 aus EuO. einer Koaxialleitung äquivalent und enthält zusatz- 45 Mikrowellenelemente, die solche rechteckigen Leiter lieh zu den Funktionselementen Stromwege 20 und verwenden, können verschiedenen Zwecken dienen, 21. Eine elektrische Isolation ist erforderlich, um die die auf feldgesteuerten Wirkungen beruhen. Wenn Elemente 16,17,18 und 19 von den Stromwegen 20 das magnetische Element, wie dargestellt, außerhalb und 21 zu isolieren. Europiumoxyd ist für die Ver- der Hauptachse angeordnet ist, ergeben sich daraus wendung in einem »DeGrasse-Begrenzer« besonders 50 verschiedene nichtreziproke Phasen- und Dämpfungswegen der niedrigen Verluste geeignet. eigenschaften.

Die Vorrichtung nach F i g. 6 ist charakteristisch Zur Vereinfachung ist in keiner der F i g. 3 bis 9

für Faraday-Drehungs-Isolatoren. Die gezeigte Vor- die Kühlvorrichtung dargestellt, die in der einfachsten richtung verwendet ein EuO-Element 25, das konzen- Form ein Dewar-Behälter mit flüssigem Helium, irisch in dem kreisförmigen Wellenleiter 26 liegt, der 55 Wasserstoff oder Stickstoff sein kann und die selbstmit Öffnungen 27 und 28 versehen ist, wobei in dem verständlich notwendig ist, um den aktiven Körper Beispiel die eine um 45° in bezug auf die andere ge- aus EuO bei oder unter seinem Curiepunkt von dreht ist. Das Element 25 ist magnetisch durch das 77° K zu halten.

magnetische Feld gesättigt, das durch den Gleich- Die Mikrowelleneinrichtungen nach den F i g. 6

strom erzeugt wird, der von der Quelle 29 zugeführt 60 bis 9 sind in verschiedenen Standardwerken beschriewird und durch die Wicklung 30 fließt, die den Teil ben, z. B. »Solid State Magnetic and Dielectric des Leiters 26 umgibt, der das magnetische Element Devices«, herausgegeben von H. W. Katz, John enthält. Ein absorbierender Flügel 31 dämpft die Wiley und Söhne, 1959, S. 289, 291, 293 ff. Wellenenergie so, daß die Reflexion auf ein Minimum Obwohl die F i g. 6 bis 9 im Zusammenhang mit

gebracht wird. Die Anordnung ist im Betrieb von der 65 Mikrowellenenergie beschrieben worden sind, sind Nicht-Reziprozität des gyromagnetischen Effektes, diese auch für Einrichtungen repräsentativ, die bei der durch die magnetischen Materialien hervor- noch höheren Frequenzen, die auch jene des Lichtgerufen wird, abhängig. spektrums enthalten, arbeiten. Da EuO bei wenig

wendet werden.

F i g. 3 stellt einen toroidalen Induktor mit einer Wicklung 5 um einen toroidalen Kern 6 aus EuO dar, der einen Luftspalt 7 aufweist.

Der Ringkernübertrager nach F i g. 4 hat einen herkömmlichen Aufbau und enthält Wicklungen 10 und 11 um den Kern 12 aus EuO. In Abhängigkeit davon, ob die gewünschte Wirkung eine Erniedrigung

magnetischen Momentes, der guten Isolationseigenschaften und des damit verbundenen Fehlens von Wirbelstromverlusten sind Übertrager der geschilder-

Vorrichtungen verwenden.

Die in F i g. 5 dargestellte Vorrichtung kann als Filtergyrator-Begrenzer betrachtet werden, der von

stens einigen im Lichtspektrum enthaltenen Wellenlängen durchscheinend ist, können Vorrichtungen, die Elemente dieses Materials enthalten, als Lichtventile oder Modulatoren arbeiten oder irgendeinem anderen Zweck, für den die Eigenschaften der Materialien passend sind, dienen.

Europiumoxyd ist nicht ein im Handel erhältliches Material, und es stellte sich als notwendig heraus, die Proben, an denen die angegebenen Messungen gemacht wurden, selbst herzustellen. Die Verbindung wird aus dem im Handel erhältlichen Oxyd Eu₂O₃ leicht hergestellt, indem man die Menge des elementaren Europiums dazugibt, die notwendig ist, die Zusammensetzung in die EuO-Stöchiometrie zu bringen, und diese Mischung so erhitzt, daß eine vollständige Reaktion erfolgt. Experimentell hat sich ergeben, daß das Erhitzen einer pulverisierten Mischung für eine Zeitdauer von ungefähr 8 Stunden bei einer Temperatur von etwa 1190° C genügt. Eine Röntgenstrahlen-Pulverbestimmung am Ende dieser Zeitdauer gibt an, daß das Material einphasiges EuO ist. Proben wurden in abgedichteten Quarzröhren auf diese Art behandelt, wobei nicht darauf geachtet wurde, daß Luft ausgeschlossen wurde. Jedoch ist die zusätzliche Vorsorge der Beheizung in einer inerten Atmosphäre, z. B. Helium, von der Chemie des Systems her wünschenswert.

Alle angegebenen Messungen wurden an gepreßten Pulvermischungen durchgeführt. Obwohl das Anwenden eines Verfahrens zum Züchten von Einkristallen zu erwarten ist, damit das Material für den Handel nutzbringend wird, zeigt seine nahezu isotrope Natur, daß die Vorteile, die man bei Verwendung von Einkristallen gewinnt, im Verhältnis zum polykristallinen Material nicht so groß sind, wie man es auf Grund der Erfahrung mit üblichen ferromagnetischen Materialien erwarten könnte.

Es ist festgestellt worden, daß EuO hochpermeabel ist und ihm im wesentlichen eine Richtung leichter Magnetisierbarkeit fehlt. Schleifeneigenschaften, die wesentlich für die Verwendung in einer Speichereinrichtung sind, können gleichwohl durch die Verwendung von Verunreinigungen in bekannter Weise wie bei Ferritmaterialien mit Rechteckschleifen erzielt werden. Nach der Erfahrung ist zu erwarten, daß sich Rechteckschleifeneigenschaften durch Einbringen kleiner Mengen (in der Größenordnung von Vio⁰/») von Terbium oder anderen seltenen Erden ergeben.

Bekanntlich können andere Gründe für das Einbringen anderer Bestandteile zusammen mit dem EuO nach der Erfindung bestehen. Obwohl die Erfindung z. B. in bezug auf die reine Verbindung EuO beschrieben ist, kann z. B. der Wunsch, sein magnetisches Moment pro Volumeneinheit zu vermindern oder die Herstellung zu erleichtern, das Einbringen von verschiedenen Füllmassen oder den chemischen Ersatz nichtmagnetischer Elemente vorschreiben.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Magnetischer Werkstoff für Anwendung bei tiefen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß er hauptsächlich aus der ferromagnetischen Verbindung Europiumoxyd (EuO) besteht.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem oder mehreren magnetischen Bauelementen.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem ein Bandleitungspaar aufweisenden Leistungsbegrenzer.

4. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem Isolator des Faraday-Rotationstyps.

5. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem Wellenleiterschalter.

6. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem Zirkulator des Faraday-Rotationstyps.

7. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem magnetisch steuerbaren Rechteckhohlleiter.

8. Magnetisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Halten der Werkstofftemperatur auf einen unterhalb 77° K liegenden Wert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
H. W. Katz, »Solid State Magnetic and Dielectric

Devices«, 1959, S. 289;

»Physical Review«, November 1959, S. 624; Juni

1960, S. 1490;
»Physical Review Letters«, September 1961,

S. 160.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 659/326 8. 64

Bundesdruckerei Berlin