DE1212172B - Elektromechanischer Wandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.;

H03h

H04r

Deutsche KL: 21 a4 -10

Nummer: 1212172

Aktenzeichen: R 32774IX d/21 a4

Anmeldetag: 23. Mai 1962

Auslegetag: 10. März 1966

Die Erfindung betrifft elektromechanische Wandler, welche zur Umformung von Schwingungsenergie in Festkörpern im Mikrowellenbereich dienen.

Für Arbeiten im Bereich der Festkörperphysik sind leistungsfähige Generatoren für elastische Wellen im 1000-MHz-Bereich wünschenswert. Solche Frequenzen würden auch die Herstellung von Verzögerungsleitungen ermöglichen, welche für höhere Betriebsfrequenzen als derzeit bekannte Verzögerungsleitungen bestimmt sind.

Elastische Schwingungen im Mikrowellenfrequenzbereich können beispielsweise mittels piezoelektrischer Körper erzeugt werden, welche durch die elektrische Feldkomponente von Mikrowellen erregt werden. Der Wirkungsgrad dieser Umwandlung ist jedoch außerordentlich gering. Demgegenüber hat sich eine Energieumwandlung mittels gyromagnetischer Körper als vorteilhaft erwiesen, bei welchen unter gewissen Bedingungen elastische Schwingungen im Mikrowellen-Frequenzbereich durch die magnetische Feldkomponente eines Mikrowellenfeldes erregt werden.

Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei welcher ein in einem Resonanzhohlraum angeordneter, an einem Stab aus piezoelektrischem Material befestigter Nickelfilm einem senkrecht zu ihm gerichteten Einstellmagnetfeld und einem zu dem Einstellmagnetfeld wiederum senkrechten Anregungsmagnetfeld ausgesetzt wird, wodurch eine gleichförmige Präzession des Magnetisierungsvektors in dem Film und damit ein sich in entsprechender Weise bewegender Spannungszustand angeregt wird, welcher sich auf den piezoelektrischen Stab überträgt. Die erzeugten elastischen Schwingungen können dann auf der anderen Seite dieses Stabes abgenommen werden. Mit dieser bekannten Anordnung können jedoch nur transversale Wellen erzeugt werden, wobei der erzielbare Wirkungsgrad auf Grund der zueinander senkrechten Orientierung des Einstellmagnetfeldes einerseits und des magnetischen Vektors des Erregerfeldes andererseits nicht den gewünschten Wert erreicht.

Es ist außerdem bereits bekannt, in einer dicken Yttrium-Eisen-Granat-Scheibe magnetoakustische Resonanzen zu erzeugen, es wir jedoch bisher nicht möglich, diese bekannten Anordnungen nach Belieben als Verstärker oder als Generator in dem angestrebten hohen Frequenzbereich zu betreiben.

Demgegenüber finden elektromechanische Wandler nach der Erfindung als Generatoren und auch als Verstärker für elastische Schwingungen Verwendung. Sie gestatten eine wahlweise Orientierung des Ein-Elektromechanischer Wandler

Anmelder:

Raytheon Company, Lexington, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,

Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Als Erfinder benannt:

Ernst F. R. A. Schloemann, Stanford, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. September 1961
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Stellmagnetfeldes und des magnetischen Vektors des Erregungsfeldes entweder parallel oder senkrecht zueinander und arbeiten mit gutem Wirkungsgrad bei Frequenzen, die das Doppelte der bisher gebräuchlichen Frequenzen betragen.

Die Erfindung macht von nichtlinearen Sättigungserscheinungen Gebrauch, welche bei höheren ferromagnetischen Resonanzzuständen beobachtet werden. Dadurch werden elastische Schwingungen im Mikrowellen-Frequenzbereich innerhalb eines festen Körpers aus gryromagnetischem Material, beispielsweise innerhalb eines Yttrium-Eisen-Granat-Einkristalls, erregt. Der Einkristall kann eine beträchtliche Größe aufweisen und beispielsweise in allen Dimensionen zahlreiche Vielfache einer Wellenlänge messen. Es kann jegliches gyromagnetische Material Verwendung finden, welches magnetische Resonanzeffekte aufweist. Im Gegensatz zu Wandlern nach dem bekannten Stand der Technik sind die Frequenzen der elastischen Schwingungen bei einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen unabhängig von den äußeren Abmessungen der Anordnung.

Magnetische Resonanzschwingungen, welche im wesentlichen als Spinwellen, d. h. als verkoppelte Bewegungen präzedierender Spinelektronen, aufge-

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faßt werden, können im nichtlinearen Sättigungs- welche zur Verstärkung elastischer Schwingungen

gebiet der ferromagnetischen Resonanzzustände er- dient,

zeugt werden. Nach der Erfindung sind derartige F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 in

magnetische Resonanzschwingungen mit elastischen F i g. 5,

Schwingungen des betreffenden gyromagnetischen 5 Fig. 7 einen Querschnitt durch eine dritte AusKörpers verkoppelt, welche im wesentlichen dieselbe führungsform einer Anordnung nach der Erfindung, Frequenz wie die magnetischen Resonanzschwingun- welche als Verzögerungsstrecke Verwendung findet, gen aufweisen. Diese elastischen Schwingungen sind und

von den Schwingungen des breitbandigen Spektrums F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in F i g. 7. zu unterscheiden, welches durch die mit magneti- io Bei einer Anordnung der Ausführungsform der sehen Resonanzschwingungen verbundenen Relaxa- Erfindung nach den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen tionserscheinungen bedingt ist. Die magnetischen erreicht ein von einem Mikrowellengenerator 10 ausResonanzschwingungen können durch ein Erregungs- gehendes Eingangssignal die Anordnung über einen feld ausgelöst werden, beispielsweise durch das mit Wellenleiter 11. Der Wellenleiter 11 ist an einem einer Mikrowelle verbundene Magnetfeld, dessen 15 länglichen leitenden Gehäuse 12 befestigt. Zur Hauptkomponente jeweils entweder senkrecht oder Koppelung des Eingangssignals zu einem ersten parallel zur Richtung eines Einstellmagnetfeldes ver- Strahlungshohlraum dient eine Blende 13, welche läuft. aus einer dünnen, leitfähigen, eine mittige Öffnung

Die Erfindung geht von einem elektromechani- 14 aufweisenden Platte besteht. Der quaderförmige sehen Wandler zur Umformung von Schwingungs- 20 Mikrowellenstrahlungshohlraum 15 ist auf die Freenergie im Mikrowellen-Frequenzbereich mittels quenz des Eingangssignals abgestimmt. Die Blende eines innerhalb eines Mikrowellen-Resonanzhohl- 13 kann gegen andere Blenden mit Öffnungen 14 raumes angeordneten, an einem Stab aus piezo- verschiedener Größe ausgetauscht werden, so daß elektrischem Material befestigten Festkörpers aus die Koppelung zwischen dem Wellenleiter 11 und gyromagnetischem Material aus, und ein solcher 25 dem Strahlungshohlraum 15 geändert werden kann. Wandler ist nach der Erfindung dadurch gekenn- Im Zentrum der Wandung 17 des Strahlungshohlzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise die raumes 15 ist gegenüber der Blende 13 ein scheiben-Form einer dicken Scheibe aufweisende gyromagne- förmiger Körper 16 aus gyromagnetischem Material tische Körper innerhalb eines höhere ferromagne- angebracht. Ein langgestrecker Körper 18 zur Weitische Resonanzzustände erzeugenden Einstellmagnet- 30 terleitung elastischer Schwingungen, wie beispielsfeldes eines Einstellfelderzeugers und außerdem weise ein Quarzkörper, ist an seinem Ende 19 mittels innerhalb eines auf Grund nichtlinearer Sättigungs- eines weichen Metalls, beispielsweise Indium, mit erscheinigungen Spinwellen erzeugenden elektro- dem gyromagnetischen Körper 16 verbunden. Der magnetischen Erregungsfeldes eines von einer Mikro- Körper 18 kann beispielsweise stabförmig mit glatt wellenquelle herbeigeführten Eingangssignals ange- 35 abgeschnittenen Endflächen 19 und 20 ausgebildet ordnet ist. sein. Der Stab 18 und der gyromagnetische Körper

Eine Anordnung nach der Erfindung dient zur 16 sind in einer Kunststoffröhre, beispielsweise aus

Erzeugung elastischer Schwingungen und auch zur Teflon, eingeschlossen, welche sich bis in den Strah-

Verstärkung derselben. Mit den erzeugten elastischen lungshohlraum 15 hinein erstreckt. Der Stab 18 er-

Schwingungen können unmittelbar Probekörper be- 40 streckt sich innerhalb des Gehäuses 12 bis in einen

strahlt werden. Die elastischen Schwingungen kön- zweiten, zylinderförmigen, in sich geschlossenen

nen auch in Nachrichtenübertragungssystemen und Strahlungshohlraum 22 hinein, in dessen Mittelachse

in Überwachungseinrichtungen, beispielsweise in Dik- ein Dorn 23 angeordnet ist. Der Strahlungshohlraum

kenmeßgeräten, Verwendung finden. Nach der Er- 22 ist im wesentlichen auf eine Resonanzfrequenz

findung kann man auch verbesserte Verzögerungs- 45 abgestimmt, welche halb so groß wie diejenige des

leitungen für mechanische Schwingungen herstellen. Strahlungshohlraumes 15 ist. Der Stab 18 reicht

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der durch die Wandung 24 des Strahlungshohlraumes 22

folgenden beispielsweisen Beschreibung bevorzugter hindurch und stützt sich an dem Dorn 23 ab. Der

Ausführungsformen an Hand der Zeichnungen. Es Stab 18 weist innerhalb des Strahlungshohlraumes

stellt dar 5° 22 einen piezoelektrischen Endteil 20 auf, so daß in

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte dem Hohlraum 22 ein Feld erregt werden kann.

Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfin- Quarz ist nicht nur ein guter Leiter für elastische

dung, welche als Generator und als Verzögerungs- Schwingungen, sondern auch piezoelektrisch, so daß

strecke Verwendung finden kann, der Stab 18 erforderlichenfalls über seine ganze

F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 in 55 Länge aus Quarz bestehen kann. In einer Seitenwan-

F i g. 1, dung 25 des Strahlungshohlraumes 22 ist eine öff-

F ig. 3 ein Frequenz-Wellenzahl-Diagramm für die nung26 angeordnet, über welche ein mit einer Bemagnetischen Resonanzschwingungen und die elasti- lastung 28 verbundener Wellenleiter 27 angekopschen Schwingungen der Anordnung nach der Erfin- pelt ist.
dung, 60 Im Bereich des gyromagnetischen Körpers 16 wird

F i g. 4 eine Darstellung der Beziehung zwischen durch einen Elektromagneten 29 ein magnetisches

der magnetischen Erregungsfeldstärke und der Ein- Einstellfeld erregt. Die für den Elektromagneten 29

Stellfeldstärke, welche nach der Erfindung zur Er- erforderliche Leistung wird einer Stromquelle 30

zeugung der magnetischen Resonanzschwingungen entnommen, welche eine Änderung der magnetischen

bei im wesentlichen gleichgerichtetem magnetischem 65 Feldstärke ermöglicht. Die Abmessungen des Strah-

Erregungs- und Einstellfeld erforderlich sind, lungshohlraumes 15 und die Anordnung des gyro-

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Aus- magnetischen Körpers 16 sind so festgelegt, daß das

führungsform einer Anordnung nach der Erfindung, von dem Eingangssignal herrührende magnetische

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Erregungsfeld am Ort des gyromagnetischen Körpers dann die Ladungstrennung am kleinsten ist. In einer 16 genügend stark und gleichgerichtet mit dem Richtung parallel zur Scheibenebene ist das Entmagnetischen Einstellfeld ist. Die gegenseitige Zu- polarisierungsfeld am kleinsten, da dann die Laordnung des magnetischen Erregungsfeldes und des dungstrennung am größten ist. Dieselben Überlegun-Einstellfeldes ist durch Pfeile h und H, welche durch 5 gen gelten für das Entmagnetisierungsfeld. Infolge-Bezugsziffern 31 und 32 bezeichnet sind, angedeutet. dessen wirkt auf das magnetische Gesamtmoment in

Das magnetische Feld der Eingangssignalschwin- einer Richtung senkrecht zur Ebene des Körpers 16 gung erzeugt in dem gyromagnetischen Körper 16 eine größte Rückstellkraft und in Richtung parallel magnetische Resonanzschwingungen. Die Frequenz zur Ebene des Körpers 16 eine kleinste Rückstellder magnetischen Resonanzschwingungen ist halb so io kraft. Der Präzessionskegel ist infolgedessen parallel groß wie diejenige des Eingangssignals. Die magne- zur Scheibenebene ausgeweitet,
tischen Resonanzschwingungen sind mit elastischen Durch das Erregungsmagnetfeld des Eingangs-Schwingungen in den Körper 16 verkoppelt. Die signals wird die Präzessionsbewegung des magnetielastischen Schwingungen werden sodann in den sehen Gesamtmomentes erregt. Da sich die Größe Stab 18 und von dort in den zweiten Strahlungshohl- 15 des magnetischen Gesamtmomentes beim Fortschreiraum 22 übertragen, welch letzterer auf die Fre- ten auf dem elliptischen Präzessionskegel nicht änquenz der elastischen Schwingungen abgestimmt ist. dert, weil das Einstellungsmagnetfeld infolge seiner Da der Stab 18 aus piezoelektrischem Material be- Größe eine Sättigung bewirkt, ändert sich die parsteht und da der Spalt zwischen dem induktiv wir- allel zu dem Einstellmagnetfeld liegende Kompokenden Dorn 23 und der Wandung 24 des Strah- 20 nente des magnetischen Gesamtmomentes periodisch, lungshohlraumes 22 klein ist, erzeugen die elastischen wenn dasselbe auf dem Präzessionskegel umläuft. Schwingungen innerhalb des Spaltes ein zeitabhängi- Diese Änderungsfrequenz ist doppelt so groß wie die ges elektrisches Feld. Dasselbe regt in dem Strah- Präzessionsfrequenz. Wenn die Frequenz des Erlungshohlraum 22 ein elektromagnetisches Feld an, regungsmagnetfeldes im wesentlichen dieser Schwinwelches seinerseits über die öffnung 26 ausgekoppelt 25 gungsfrequenz gleich, also im wesentlichen doppelt und an den Wellenleiter 27 und die Belastung 28 so groß wie die Präzessionsfrequenz des magnetiweitergegeben wird. sehen Gesamtmomentes ist und wenn die Phasen-

Es ist theoretisch noch nicht in allen Einzelheiten beziehungen geeignet gewählt sind, wird diese geklärt, in welcher Weise die magnetischen Reso- Schwingungskomponente verstärkt angeregt, so daß nanzschwingungen in dem gyromagnetischen Körper 30 sich der öffnungswinkel des Präzessionskegels des 16 entstehen. Vermutlich liegt die Richtung des ma- magnetischen Gesamtmomentes erweitert. Da der gnetischen Moments eines Elektrons parallel zu öffnungswinkel des Präzessionskegels unmittelbar seiner Spinrichtung. Wenn nunmehr das Einstell- mit der Größe des betreffenden Spinanregungszustanmagnetfeld auf den gyromagnetischen Körper 16 ein- des zusammenhängt, bedeutet eine Vergrößerung wirkt, vollführen die Spinmomente der Elektronen 35 dieses Öffnungswinkels auch eine Vergrößerung des eine Präzessionsbewegung um die Richtung des Ein- Spinanregungszustandes. Die Spinanregungszustände Stellmagnetfeldes. Durch zyklische Vertauschung der können also durch ein Erregungsmagnetfeld angeregt Phasenlagen einzelner präzedierender Elektronen- werden. Infolge innerer Verluste können die Spinspins erhält man verschiedene Spinzustände. Die anregungszustände nur dann erregt werden, wenn die Wellenlängen der Spinanregungszustände bewegen 4° Erregungsfeldstärke einen bestimmten kritischen sich zwischen einem Größtwert im Falle der bekann- Grenzwert übersteigt.

ten magnetostatischen Anregungszustände und einem Die Frequenz der angeregten Spinzustände hängt

Kleinstwert im Falle der Spinwellen. In einem homo- von der Frequenz des Erregungsmagnetfeldes ab.

genen Anregungszustand sind die Phasen der einzel- Die Spinfrequenz ist, wie gesagt, halb so groß wie

nen präzedierenden Elektronenspins gleich. Einen 45 die Frequenz des Eingangssignals der Signalquelle

homogenen Anregungszustand bezeichnet man nor- 10. Die Wellenzahl, also die reziproke Wellenlänge

malerweise als ferromagnetischen Resonanzzustand, der Spinanregungszustände, ist durch folgende Be-

so daß alle Spinanregungszustände auf Resonanzzu- ziehung gegeben:

stände zurückgehen. Das mit dem Eingangssignal D -ks — H_c — H,

verbundene magnetische Erregungsfeld wirkt auf den 50

Vektor des magnetischen Gesamtmomentes ein, wel- wobei D die Austauschwahrscheinlichkeit, k_sp die

ches sich aus den magnetischen Momenten der ein- Wellenzahl des Spinanregungszustandes, H_c der in

zelnen Elektronen zusammensetzt. F i g. 4 bei 38 angegebene Grenzwert von H für die

Im allgemeinen bewegt sich der Vektor des ma- . _. ,. π . .. _^ „ . „ , _r, ,.
gnetischet Gesamtmomentes auf einem Präzessions- 55 ^{m RlchtUng} T ^onentierten Spmwellen und H d» kegel mit nicht kreisförmigem Querschnitt. Dies ist Feldstärke des Einstellmagnetfeldes bedeutet,
durch das Entmagnetisierungsfeld bedingt, welches Die Austauschwahrscheinlichkeit D beträgt für von den Randbedingungen an den Begrenzungs- Yttrium-Eisen-Granat 4,4 · 10~⁹ Oersted · cm². Die flächen des gyromagnetischen Körpers 16 herrührt. Größe H_c stellt also den Wert desjenigen Einstell-Das Entmagnetisierungsfeld entspricht dem Ent- 60 magnetfeldes dar, welches dem sogenannten ferropolarisierungsfeld im Falle eines in einem homo- magnetischen Resonanzzustand entspricht. Die WeI-genen elektrischen Feld angeordneten Dielektrikums. lenzahl der Spinwellen hängt infolgedessen von der Dabei werden auf den Oberflächen des Dielektri- Feldstärke des Einstellmagnetfeldes ab. Wenn die kums elektrische Ladungen induziert, welche ein Feldstärke des Einstellmagnetfeldes größere oder elektrisches Feld bewirken, das dem erregenden 65 kleinere Werte als den WertH_c annimmt, wird die elektrischen Feld entgegengerichtet ist. Für eine Wellenzahl der Spinwellen jeweils kleiner. Die Spindünne Scheibe ist das Entpolarisierungsfeld in Rieh- zustände mit großer Wellenzahl sind, wie schon getung senkrecht zu der Scheibenebene am größten, da sagt, als Spinwellen bekannt. Die Spinwellen sind

diejenigen Spinanregungszustände, deren Energie Wenn eine Anordnung nach der Erfindung als

groß genug ist, um eine Koppelung mit elastischen Generator für elastische Schwingungen Verwendung

Schwingungen des gyromagnetischen Körpers 16 zu finden soll, ist ein zweiter Strahlungshohlraum nicht

bewirken. erforderlich. Die Eingangssignalfrequenz muß dann

Auf Grund theoretischer Überlegungen sind diese 5 lediglich im wesentlichen doppelt so groß wie die ge-

elastischen Schwingungen als in dem gyromagneti- wünschte Schwingungsfrequenz sein. Durch geeig-

sehen Körper 16 sich ausbreitende elastische Wellen nete Einstellung der Feldstärke des Einstellmagnet-

anzusprechen. Es kann sich dabei entweder um feldes kann man jeweils entweder transversale oder

transversale oder Scherwellen bzw. um longitudinale longitudinale elastische Wellen erzeugen. Für trans-

oder Kompressionswellen handeln, was jeweils von io versale Wellen ergibt sich im allgemeinen eine stär-

den Randbedingungen abhängt. Die Quanten des kere Koppelung. Wenn man jedoch die Trennfläche

zugehörigen Wellenfeldes werden bekanntlich als zwischen dem Körper 16 und dem Stab 18 in einem

Phononen bezeichnet. Die Phononen stehen mit dem geeigneten Winkel zur Achse des Stabes 18 anordnet,

elastischen Wellenfeld in derselben Beziehung wie dann kann man die transversalen Wellen des Kör-

die Photonen mit einem Lichtwellenfeld. Auch für 15 pers 16 mit longitudinalen Wellen in dem Stab 18

den Koppelungsmechanismus der elastischen Wellen verkoppeln, so daß die transversalen Wellen in longi-

sind bereits theoretische Überlegungen angestellt tudinale Wellen umgewandelt werden. Derartige

worden. Offenbar ergibt sich eine Koppelung zwi- longitudinale Wellen sind in manchen Anwendungs-

schen Spinwellen und elastischen Wellen, wenn die fällen von Vorteil.

Frequenz und Wellenzahl der Spinwellen und der 20 Man erhält einen optimalen Wirkungsgrad, wenn

elastischen Welle im wesentlichen übereinstimmt. der Körper 16 aus einem Einkristall besteht, dessen

Fig. 3 gibt die theoretischen Zusammenhänge (llO)-Kristallrichtung parallel zu dem Einstellzwischen Wellenzahl und Frequenz bei Spinwellen magnetfeld orientiert ist und dessen (lOl)-Kristall- und elastischen Wellen an, welche nicht miteinander richtung parallel zur Achse des Stabes 18 verläuft, verkoppelt sind. Die gestrichelte Linie 33 gilt für 25 Zur Erzeugung von Spinwellen muß die Feldstärke Spinwellen, die gestrichelte Linie 34 für elastische des Eingangssignals einen gewissen Grenzwert über-Wellen. Nach der Theorie soll ein Koppelung in dem steigen. Wenn man jedoch stabile Schwingungen Bereich zwischen den Grenzlinien 35 erfolgen. In wünscht, muß man die Amplitude des Eingangsdiesem Bereich stimmen Frequenz und Wellenzahl signals unterhalb desjenigen Wertes halten, welcher für die elastischen Wellen und für die Spinwellen im 30 einem Gleichgewicht mit der äußeren Belastung entwesentlichen überein. Man kann daher Wellen in spricht. Zur Selbsterregung von Schwingungen muß diesem Bereich als verkoppelte magnetoelastische jedoch die Amplitude des Eingangssignals größer Wellen bezeichnen. Unter günstigen Verhältnissen sein. Eine Verstärkung durch Selbsterregung kann können durch die Eingangsleistung der Signal- man durch periodische Änderung der Feldstärke des quelle 10 magnetoelastische Wellen im Wege eines 35 Einstellmagnetfeldes erzielen, wobei sich die Kopparametrischen Verstärkungsmechanismus erregt pelung zwischen den magnetischen Resonanzschwinwerden. gungen und den elastischen Schwingungen ebenfalls

Für die Wellenzahl der elastischen Wellen gilt periodisch ändert. Dadurch kann man eine Amplitudenmodulation der elastischen Schwingungen er-

, _ ω 4o zielen, welche jeweils von dem Modulationssignal

Kph— —, _der stromquelle 30 abhängt.

Um die Anregung elastischer Schwingungen bei

wobei k_ph die Wellenzahl der elastischen Wellen, einer gegebenen Frequenz zu verbessern, kann man

ω die Kreisfrequenz und c die Schallgeschwindigkeit den folgenden Weg beschreiten: Der Durchmesser

in dem betreffenden Körper bedeutet. 45 der Öffnung 14 der Blende 13 wird bei kleiner Ein-

Bekanntlich ändert sich in dem in Frage kommen- gangsleistung so eingestellt, daß man gerade eine

den Frequenzbereich in der Größenordnung von kritische Koppelung erhält. Dies kann man durch

10¹² Hz die Schallgeschwindigkeit c nur sehr wenig Einsetzen einer Blende mit der gewünschten Öffnung

in Abhängigkeit von der Frequenz. Da die Frequenz erreichen. Wenn die Intensität des Eingangssignals

der elastischen Wellen, welche mit den Spinwellen 50 vergrößert wird und gleichzeitig die Frequenz des

verkoppelt sind, durch die Eingangssignalfrequenz Eingangssignals und die Feldstärke des Einstell-

des Generators 10 festgelegt ist, ist damit auch die magnetfeldes konstant bleiben, kann man einen defi-

Wellenzahl der Phononen bestimmt. Damit eine nierten Schwellenwert beobachten, bei welchem der

Koppelung auftritt, muß die Wellenzahl der Spin- Reflexionskoeffizient des Resonanzhohlraumes plötz-

wellen durch Änderung der Stärke des Einstell- 55 lieh ansteigt. Die zugehörige Erregungsfeldstärke ist

magnetfeldes in der Weise geändert werden, daß sie genau die kritische Erregungsfeldstärke. Wenn man

im wesentlichen mit der Wellenzahl der elastischen die kritische Erregungsfeldstärke als Funktion des

Wellen übereinstimmt. Einstellmagnetfeldes aufträgt, erhält man eine Dar-

Die elastischen Wellen breiten sich in dem Quarz- stellung ähnlich wie nach F i g. 4. Die Frequenz des

stab 18 mit Schallgeschwindigkeit aus. Da die Schall- 60 Eingangssignals ist bei dieser Messung konstant. Man

geschwindigkeit wesentlich kleiner als die Ausbrei- wählt die Stärke des Erregungsfeldes und die Stärke

tungsgeschwindigkeit des Eingangssignals in dem des Einstellfeldes dann in der Nähe des Maximums

Wellenleiter 11 ist, wird das Eingangssignal merklich 36, welches mit H_ir bezeichnet ist und bei welchem

verzögert. Der Grad der Verzögerung hängt von der sich eine stärkere Wechselwirkung als im Bereich

Länge des Stabes 18 ab und ist umgekehrt propor- 65 des mit H_tn bezeichneten Maximums 37 ergibt. Das

tional zu der Schallgeschwindigkeit im Stab 18. Die Maximum 36 entspricht im wesentlichen einem Kop-

Verzögerungszeit kann infolgedessen durch Längen- pelungszustand, bei welchem die magnetischen Reso-

änderung des Stabes 18 geändert werden. nanzschwingungen des Körpers 16 mit transversalen

elastischen Schwingungen des Körpers 18 verkoppelt sind. Das Maximum 37 entspricht einer Verkoppelung mit longitudinalen Schwingungen. Zu einem jeden Punkt der Kurve in F i g. 4 kann man magnetische Resonanzschwingungen erhalten. Die Feldstärke des jeweiligen Erregungsmagnetfeldes, welches zur Erregung der Spinwellen erforderlich ist, hängt von der Güte Q des Strahlungshohlraumes 15 und von dem Koppelungskoeffizienten ab.

Man erreicht die obenerwähnte Amplitudenmodulation der elastischen Schwingungen vorzugsweise bei einem Betrieb auf den Flanken des zu transversalen Wellen gehörenden Maximums 36. In Abhängigkeit von einem Eingangssignal kann man auch leicht geeignete Werte festlegen, die zu einer Modulation führen, während es hingegen schwieriger ist, die zu einer gleichförmigen Erregung von elastischen Schwingungen gehörigen Werte zu bestimmen.

Die elastischen Schwingungen werden in dem gyromagnetischen Körper 16 erzeugt. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der Körper 16 aus einem Yttrium-Eisen-Granat-Einkristall, dessen Dicke 0,12 mm und dessen Durchmesser 2,5 mm beträgt. Der quaderförmige Hohlraum 15 hat Abmessungen von 22,5 · 10,0 · 2,76 mm. Die Eingangssignale haben eine Frequenz von 1800 MHz. Mit einer derartigen Anordnung wurde die Kurve nach F i g. 4 erhalten.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Anordnung zur Verstärkung elastischer Eingangsschwingungen. Die elastischen Schwingungen entstammen einem Generator 39 und erreichen über einen Stab 40, beispielsweise aus Quarz, welcher in einer Kunststoffröhre 41 untergebracht ist, die Anordnung. Der Stab 40 erstreckt sich in einen elektromagnetischen Strahlungshohlraum hinein, welcher als Mikrowellenstrahlungshohlraum 42 ausgebildet ist. Der durch die Wandung 43 hindurchragende Stab 40 ist mit einem beispielsweise scheibenförmig gestalteten Körper 44 aus gyromagnetischem Material verbunden. Dieser gyromagnetische Körper 44 ist seinerseits wieder an einen Quarzstab 45 angeschlossen, welcher durch die gegenüberliegende Wandung 46 des Strahlungshohlraums 43 hindurchreicht. Die elastischen Ausgangsschwingungen werden mittels des Quarzstabes 45 von dem Körper 44 abgenommen. An den Strahlungshohlraum 43 ist außerdem mittels einer austauschbaren Blende 48 ein Wellenleiter 47 angeschlossen. Über diesen Wellenleiter kann ein Mikrowellengenerator 49 angeschlossen werden. Die Abmessungen des Resonanzhohlraumes 42 stellen sicher, daß das mit dem Mikrowellensignal verkoppelte Magnetfeld im Bereich des Körpers 44 groß genug ist. Ein Ein-. Stellmagnetfeld wird mittels Helmholtz-Spulen erzeugt. Diese Spulen 50 sind an eine regelbare Stromquelle 51 angeschlossen. Das Erregungsmagnetfeld und das Einstellmagnetfeld sind jeweils durch die Pfeile h und H bzw. die Bezugsziffern 52 und 53 angedeutet. Die Richtung des Erregungsmagnetfeldes verläuft parallel zur Richtung des Einstellmagnetfeldes. Die mechanischen Ausgangsschwingungen werden an eine Belastung 54 abgegeben.

Die elastischen Eingangsschwingungen breiten sich in dem Quarzstab 40 aus und werden in dem gyromagnetischen Körper 44 verstärkt. Die elastischen Ausgangsschwingungen breiten sich dann weiter in dem Quarzstab 43 aus. Die Verstärkung erfolgt infolge der Verkuppelung der magnetischen Resonanzschwingungen in dem gyromagnetischen Körper 44 mit den elastischen Eingangsschwingungen. Die magnetischen Resonanzschwingungen werden durch das magnetische Erregungsfeld erregt. Wellenzahl und Frequenz dieser Spinwellen können durch Änderung des Erregungs- und des Einstellmagnetfeldes beeinflußt werden. Die Frequenz des Erregungsmagnetfeldes muß doppelt so groß wie die Frequenz der zu verstärkenden elastischen Schwingungen sein. Die Feldstärke des Einstellmagnetfeldes

ίο wird dann so lange geändert, bis die Wellenzahl der Spinwellen im wesentlichen mit der Wellenzahl der mechanischen Schwingungen übereinstimmt. Die elastischen Ausgangsschwingungen haben selbstverständlich dieselbe Frequenz wie die elastischen Eingangsschwingungen.

Bei einer Anordnung nach den F i g. 7 und 8 werden die von einem Mikrowellengenerator 55 herrührenden Eingangssignale über einen Wellenleiter 56 zugeführt. Der Wellenleiter 56 ist mit einem lang-

ao gestreckten leitenden Gehäuse 57 in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 verbunden. Über eine Blende 58 in Form einer dünnen leitenden Scheibe mit einer zentralen Öffnung 59 werden die Eingangssignale in den ersten quaderförmigen Mikrowellenresonator 60 eingekoppelt, welcher innerhalb des Gehäuses 57 angeordnet und auf die Frequenz der Eingangssignale abgestimmt ist. Im Bereich der Wandung 62 des Strahlungshohlraumes 60 ist gegenüber der Blende 58 ein scheibenförmiger, gyromagnetischer Körper 61 angeordnet. An denselben ist mittels eines weichen Metalls, wie beispielsweise Indium, ein Endteil 64 eines Quarzstabes 63 angeschlossen. Eine langgestreckte Kunststoffröhre 65, beispielsweise aus Teflon, erstreckt sich bis in den Strahlungshohlraum 60 hinein und nimmt in ihrem Inneren den Stab 63 und den gyromagnetischen Körper 61 auf. Der Stab 63 erstreckt sich innerhalb des Gehäuses 57 bis in einen zweiten Strahlungshohlraum 66 hinein. Dieser in sich geschlossene, zylinderförmige Strahlungshohlraum 66 enthält einen mittig angeordneten Dorn 67 und ist auf dieselbe Resonanzfrequenz wie der erste Strahlungshohlraum 60 abgestimmt. Der Stab 63 ragt durch die Wandung 68 des Strahlungshohlraumes 66 hindurch und reicht bis zu dem Dorn 67. Der Endteil 69 des Stabes 63, welcher sich innerhalb des Strahlungshohlraums 66 befindet, besitzt vorzugsweise piezoelektrische Eigenschaften, so daß in dem Strahlungshohlraum 66 ein Feld erregt werden kann. In einer Seitenwandung 70 des Strahlungshohlraumes 66 befindet sich eine Öffnung 71, über welche Energie an einen Wellenleiter 72 und eine Belastung 73 weitergegeben werden kann.

Im Bereich des gyromagnetischen Körpers 61 wird

mittels eines von einer Stromquelle 75 gespeisten Elektromagneten 74 ein magnetisches Einstellfeld erregt. Die Stromquelle ermöglicht eine Änderung der magnetischen Feldstärke. Die Abmessungen des Strahlungshohlraumes 60 sind so gewählt, daß das

Erregungsmagnetfeld am Ort des gyromagnetischen Körpers 61 einerseits genügend stark und anderseits senkrecht zu dem Einstellmagnetfeld gerichtet ist. Die Richtungen des Erregungsmagnetfeldes und des Einstellmagnetfeldes sind durch mit den Bezugs-

ziffern 76 und 77 versehene Pfeile h und H angedeutet. Diese Anordnung entspricht einem transversalen Pumpfeld, dessen Anwendung aus der Technik der parametrischen Verstärker bereits an sich be-

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kannt ist. Das mit dem Eingangssignal verbundene Erregungsmagnetfeld führt in dem gyromagnetischen Körper 61 zu magnetischen Resonanzschwingungen. Diese magnetischen Resonanzschwingungen haben im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 dieselbe Frequenz wie die Eingangssignalschwingungen. Die magnetischen Resonanzschwingungen sind mit elastischen Schwingungen verkoppelt. Die in dem Körper 61 ausgelösten elastischen Schwingungen werden dann über den Stab 63 in den zweiten Strahlungshohlraum 66 übertragen, welcher auf die Frequenz der elastischen Schwingungen abgestimmt ist. Ebenso wie bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 wird in dem Strahlungshohlraum 66 ein elektromagnetisches Wellenfeld erregt, welches über die Öffnung 71 in den Wellenleiter 72 ausgekoppelt wird. Die Schwingungen werden von dem Wellenleiter 72 an eine Belastung 73 abgegeben. Die bei dieser Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung auftretenden magnetischen Resonanzschwingungen kann man theoretisch ebenfalls als Spinwellen deuten. Bei der Erregung dieser Spinwelle muß man in der Theorie deutlich zwischen zwei verschiedenen Anregungsmechanismen unterscheiden, welche im allgemeinen als Anregungsmechanismus erster Ordnung bzw. zweiter Ordnung bezeichnet werden. Die Spinwellen erster Ordnung haben eine Frequenz, welche halb so groß wie die Eingangssignalfrequenz ist, während die Frequenz der Spinwellen zweiter Ordnung mit der Eingangssignalfrequenz übereinstimmt. Bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Erfindung kommt vorzugsweise der nichtlineare Anregungsmechanismus zweiter Ordnung zur Geltung. Nach der Theorie ist zu erwarten, daß die unstabilen Spinwellen sich im wesentlichen in Richtung der Gleichfeldkomponente ausbreiten. Im Gegensatz zu der ferromagnetischen Resonanz liegt jedoch die Instabilitätsgrenze sehr hoch und wird in der Praxis im allgemeinen nicht erreicht. Im Resonanzfall hängt die Wellenzahl der instabilen Spinwellen mit dem transversalen Entmagnetisierungsfaktor nach folgender Gleichung zuman auch den Erregungsmechanismus erster Ordnung verwenden. Bn allgemeinen beträgt der Winkel zwischen der Richtung des Einstellmagnetfeldes und der genannten Achse etwa 45°, wobei die genaue Größe dieses Winkels noch von der geometrischen Form des Körpers, der Frequenz und der Feldstärke des Einstellmagnetfeldes beeinflußt wird. Bei Verwendung des Erregungsmechanismus erster Ordnung werden longitudinale elastische Wellen erregt, deren

ίο Frequenz halb so groß wie die Frequenz des Erregungsmagnetfeldes ist.

Derselbe Anregungsmechanismus für magnetische Resonanzschwingungen, wie er im Zusammenhang mit den Fig. 7 und 8 der Zeichnungen beschrieben worden ist, kann selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem Verstärker für elastische Schwingungen nach der Ausführungsform der Fig. 5 und 6 Verwendung finden. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung müssen selbstverständlich

ao das Einstellmagnetfeld und das Erregungsmagnetfeld aufeinander senkrecht stehen.

Bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung kann durch Kühlung die Dämpfung der Spinwellen und der elastischen Wellen vermindert werden. Die Kühlung kann beispielsweise durch Anordnung der gesamten Einrichtung in einem Bad von flüssigem Stickstoff oder Helium erfolgen. Ebenso wie bei den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auf die Frequenz der Mikrowellensignale abgestimmte Resonanzhohlräume Anwendung finden können, kann man selbstverständlich auch andere Wellenleiteranordnungen vorsehen.

sammen:

= An-M-N₁,

35

40

45

worin D die Austauschwahrscheinlichkeit, k_sp die Wellenzahl der Spinwellen, M der Wert der Sättigungsmagnetisierung und N₁ der transversale Entmagnetisierungsfaktor bedeutet.

Für Yttrium-Eisen-Granat hat der Faktor D einen Wert von etwa 4,4 · 10~⁹ Oersted · cm². Die Größe Απ-M kann bei Yttrium-Eisen-Granat einen Wert von etwa 1750 Oersted annehmen. Infolgedessen hängt die Wellenzahl allein von dem transversalen Entmagnetisierungsfaktor ab, welcher seinerseits eine Funktion der geometrischen Form des Körpers ist. Man muß also die Form des gyromagnetischen Körpers so auswählen, daß die Wellenzahl k der Spinwellen mit der Wellenzahl der elastischen Wellen innerhalb des gyromagnetischen Körpers übereinstimmt. Bei der Anwendung dieses Erregungsmechanismus erweist es sich als vorteilhaft, daß die erregten elastischen Wellen dieselbe Frequenz wie das Erregungsmagnetfeld haben.

Bei einer geeigneten Orientierung des Einstellmagnetfeldes in bezug auf die Achse des gyromagnetischen Körpers, also mit Bezug auf die gewünschte Ausbreitungsrichtung der Phononen, kann

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Wandler zur Umformung von Schwingungsenergie im Mikrowellen-Frequenzbereich mittels eines innerhalb eines Mikrowellen-Resonanzhohlraumes angeordneten, an einem Stab aus piezoelektrischem Material befestigten Festkörpers aus gyromagnetischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise die Form einer dicken Scheibe aufweisende gyromagnetische Körper (16) innerhalb eines höhere ferromagnetische Resonanzzustände erzeugenden Einstellmagnetfeldes eines Einstellfelderzeugers (29, 30) und außerdem innerhalb eines auf Grund nichtlinearer Sättigungserscheinungen Spinwellen erzeugenden elektromagnetischen Erregungsfeldes eines von einer Mikrowellenquelle (10) herbeigeführten Eingangssignals angeordnet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle (10) einen in dem gyromagnetischen Körper (16) eine ungleichförmige Präzession des Magnetisierungsvektors erzeugenden Wert des Erregungsfeldes erzeugt.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Einstellmagnetfeldes im Bereich des gyromagnetischen Körpers (16) parallel zu dem magnetischen Vektor des Erregerfeldes ist.

4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Einstellmagnetfeldes im Bereich des gyromagnetischen Körpers in an sich bekannter Weise senkrecht auf dem magnetischen Vektor des Erregerfeldes steht.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende Endflächen des gyromagnetischen Körpers (44) jeweils mit einem Ende jeweils eines Stabes (40 bzw. 45) aus piezoelektrischem Material verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: »The Physical Review«, Mai 1958, S. 836 bis 841; »Physical Review Letters«, 15.7.1959, S. 83-84; »Physical Metall Research«, 1956, S. 15; »Soviet Physics« JETP 35, 1959, S. 157; »Bull. Am. Phys. Soc«, Ser. II5, 1960, S.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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