DE1231825B

DE1231825B - Grain arrangement

Info

Publication number: DE1231825B
Application number: DEJ20067A
Authority: DE
Inventors: Antoni Emil Karbowiak
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1960-06-14
Filing date: 1961-06-13
Publication date: 1967-01-05

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

HOIsHOIs

Deutsche Kl.: 21 g - 51/00German class: 21 g - 51/00

Nummer: 1231825Number: 1231825

Aktenzeichen: J 20067IX d/21 gFile number: J 20067IX d / 21 g

Anmeldetag: 13. Juni 1961 Filing date: June 13, 1961

Auslegetag: 5. Januar 1967Opened on: January 5, 1967

MaseranordnungGrain arrangement

Anmelder:Applicant:

International Standard Electric Corporation,International Standard Electric Corporation,

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

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70Dipl.-Ing. H. Ciaessen, patent attorney,
Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Antoni Emil Karbowiak, LondonAntoni Emil Karbowiak, London

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 14. Juni 1960 (20 794),
vom 9. Juni 1961Claimed priority:
Great Britain of June 14, 1960 (20 794),
dated June 9, 1961

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, bei der von der Quantenieinstruktur elektromagnetischer Felder in Verbindung mit einem kristallinen Körper, der gemäß seiner Elektronenspins mehrerer Energiezustände fähig ist, für die Verstärkung oder Schwingungserzeugung Gebrauch gemacht wird. Derartige Anordnungen sind unter der Bezeichnung »Maser« bekannt. Diese Bezeichnung ist aus den Anfangsbuchstaben des englischen Begriffes »Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation« abgeleitet. Sie werden als Oszillatorenverstärker von Zenti- und Millimeterwellen verwendet und haben den besonderen Vorteil hoher Frequenzstabilität. Die Maserfrequenz wird nur durch die Materie an sich und ohne Rücksicht auf deren äußere Form, Ausmaße und Zustand bestimmt.The invention relates to an arrangement in which the quantum structure of electromagnetic fields in connection with a crystalline body which, according to its electron spins, has several energy states capable of being used for amplification or vibration generation. Such Arrangements are known under the designation "Maser". This designation is from the First letter of the English term »Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation« derived. They are used and have as oscillator amplifiers of centi- and millimeter waves the particular advantage of high frequency stability. The maser frequency is only determined by the matter itself and determined regardless of their external shape, dimensions and condition.

Die Erfindung bezieht sich auf eine solche Maseranordnung, bei der in einem Hohlraumresonator mit mehreren Resonanzfrequenzen ein unter Einwirkung eines statischen Magnetfeldes stehender und auf extrem tiefer Temperatur gehaltener kristallinerThe invention relates to such a grain arrangement in which in a cavity resonator with several resonance frequencies one under the influence of a static magnetic field standing and on Crystalline kept extremely low temperature

Körper angeordnet ist, dessen freie Elektronen min- Body is arranged, the free electrons of which min-

dastens drei diskrete Energiezustände (W_a>W₂>iV₁) 2three discrete energy states (W _a > W ₂ > iV ₁ ) 2

einnehmen können, zwischen denen unter Absorptioncan take, between those under absorption

bzw. Emission entsprechender Frequenzen /₁₃, /₁₂ 25 zwischen dem Spin und dem Kristallgitter, sondernor emission of corresponding frequencies / ₁₃ , / ₁₂ 25 between the spin and the crystal lattice, but

und /₂₃ ein Energieaustausch erfolgt. vielmehr darauf, daß ein Energieaustausch in einemand / ₂₃ an exchange of energy takes place. rather, that there is an exchange of energy in one

Bei den bisher bekannten Maseranordnungen wer- auf allen drei Übergangsfrequenzen schwingenden den nur zwei, beispielsweise /₁₃ und /₃₂, der drei Resonator und den angeregten Atomen des Masermöglichen Übergangsfrequenzen /₁₃, /₂₁ und /₃₂ aus- materials ohne einen gleichzeitigen thermischen Abbau genutzt. Die Hohlraumresonatoren für derartige 30 im Masermaterial selbst stattfindet, wie ihn die Maseranordnungen weisen jeweils zwei entsprechende Wechselwirkung zwischen den Spins und dem Kristall-Resonanzstellen auf. Die Pumpenenergie wird einem gitter bei den bisher bekannten Maseranordnungen derartigen Resonator als Frequenz f₁₃ und die Signal- zur Folge hat.In the previously known maser arrangements, the only two, for example / ₁₃ and / ₃₂ , the three resonator and the excited atoms of the maser-possible transition frequencies / ₁₃ , / ₂₁ and / _{32 are used} without simultaneous thermal degradation . The cavity resonators for such 30 takes place in the grain material itself, as the grain arrangements each have two corresponding interactions between the spins and the crystal resonance points. The pump energy is a grid in the previously known maser arrangements such a resonator as frequency f ₁₃ and the signal has the consequence.

frequenz als Frequenz /₃₂ zugeführt. Die Pumpen- Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß derfrequency supplied as frequency / _32. The pump The invention is characterized in that the

energie hebt das Energieniveau von W₃ auf Kosten 35 Hohlraumresonator bei allen Frequenzen/₁₃, /₁₂ und des Energieniveaus von W₁ an. Es findet eine Wechsel- f_2S in Resonanz ist.energy raises the energy level of W ₃ at the cost of 35 cavity resonators at all frequencies / ₁₃ , / ₁₂ and the energy level of W ₁ . There is an alternation- f _{2S is} in resonance.

wirkung durch einen Übergang vom angeregten Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Maser sindeffect through a transition from the excited case of the grain formed according to the invention

Zustand W₃ auf den mittleren Zustand W₂ und da- die Relaxationszeit für die Übergänge vom Niveau W₂ durch eine Verstärkung der Signalfrequenz statt. Der auf das Niveau W₁ und der thermische Leistungsübergang vom Energieniveau W₂ auf das des Grund- 40 verbrauch innerhalb des Kristalls wesentlich kleiner zustandes W₁ erfolgt unter Abgabe der Spinenergie als bei den bisher bekannten Masern. Demgemäß der Elektronen an die Schwingungsenergie des Kristall- machen sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung gitters. Die Wirksamkeit derartiger Maseranordnungen Sättigungswirkungen wesentlich weniger bemerkbar,
ist durch die Sättigung der höheren Energiezustände Der Maser der vorliegenden Erfindung kann mitState W ₃ to the medium state W ₂ and the relaxation time for the transitions from level W ₂ by increasing the signal frequency. The significantly smaller state W ₁ to the level W ₁ and the thermal power transfer from the energy level W ₂ to that of the basic consumption within the crystal takes place with the release of the spin energy than in the case of the previously known measles. Accordingly, the electrons to the oscillation energy of the crystal make themselves lattice in the arrangement according to the invention. The effectiveness of such grain arrangements, saturation effects, are much less noticeable,
is through the saturation of the higher energy states. The maser of the present invention can with

des kristallinen Körpers beschränkt, da bei ihnen die 45 einem parametrischen Verstärker verglichen werden, Anregung zum Übergang von dem mittleren zum in dem die Energie einer Pumpfrequenz /₁₃ zur Verof the crystalline body, since the 45 are compared to a parametric amplifier, stimulation to transition from the middle to the one in which the energy of a pump frequency / ₁₃ to ver

untersten Energieniveau auf der durch die Wechselwirkung zwischen den Spins und dem Kristallgitter entstandenen Relaxation beruht und infolgedessen einen relativ großen Leistungsverlust zur Folge hat.lowest energy level due to the interaction between the spins and the crystal lattice resulting relaxation and consequently results in a relatively large loss of performance.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maseranordnung beruht nicht auf dieser WechselwirkungThe mode of operation of the grain arrangement according to the invention is not based on this interaction

Stärkung einer Signalfrequenz /₃₂ unter Anordnung eines Idlerkreises mit der Differenzfrequenz /₂₁ verwendet wird. Im allgemeinen kann ein solcher parametrischer Verstärker nur dann befriedigend arbeiten, wenn der Idlerkreis eine hohe Güte aufweist. Bei den Masern bekannter Art ist jedoch kein besondererStrengthening a signal frequency / ₃₂ with the arrangement of an idler circuit with the difference _{frequency / 21} is used. In general, such a parametric amplifier can only work satisfactorily if the idler circuit has a high quality. In the case of measles of a known type, however, there is no special one

609 7S0/333609 7S0 / 333

3 43 4

Idlerkreis vorgesehen. Der Wirkung des Idlerkreises Die Anregung erfolgt durch Zuführung von Energie entspricht lediglich die Wechselwirkung des Spins mit mit der Pumpfrequenz/₁₃. Die Energie wird von dem dem Kristallgitter. Bei der Erfindung ist hingegen System mit den Frequenzen /₃₁ und /₂₁ wieder ausein besonderer Kreis hoher Güte für die Idlerfrequenz gestrahlt.Idler circle provided. The effect of the idler circuit The excitation takes place through the supply of energy only corresponds to the interaction of the spin with the pump frequency / ₁₃ . The energy is from that of the crystal lattice. In the invention, on the other hand, the system with the frequencies / ₃₁ and / _{21 is} again emitted from a special high-quality circle for the idler frequency.

vorgesehen. Der Resonator ist hier derart ausgebildet, 5 Das System kann daher auch als verlustarmerintended. The resonator is designed here in such a way that 5 The system can therefore also be designed as a low-loss

daß sowohl Schwingungen der Pumpfrequenz als Frequenzumsetzer arbeiten, dessen Frequenzen durchthat both oscillations of the pump frequency work as a frequency converter, the frequencies through

auch der Signalffedjüenz und außerdem Schwingungen die Gleichung (2) bestimmt sind,the signal efficiency and also the vibrations are determined by equation (2),

der Idlerfrequenz gleichzeitig in Resonanz sind. In diesem Falle kann die Anordnung so betriebenthe idler frequency are in resonance at the same time. In this case, the arrangement can be operated in this way

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher werden, daß man neben der Pumpfrequenz /₁₃ dasThe invention will become more detailed on the basis of the figures that, in addition to the pump frequency / _13, the

erläutert. Es zeigt" ^; io Signal in der Frequenzlage/₁₂ einspeist und am Aus-explained. It shows "^; io signal in the frequency position / ₁₂ feeds and at the output

Fig. 1 ein Schema der bei der Erfindung auf- gang verstärkt in der Frequenzlage/₂₃ zurückgewinnt,Fig. 1 is a diagram of the invention regains output amplified in the frequency position / ₂₃ ,

tretenden Energiezustände, In der Fig. 2 ist eine Empfängerschaltung mitoccurring energy states, In Fig. 2 is a receiver circuit with

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Empfängers mit einer Maseranordnung gemäß der Erfindung dar-2 shows a block diagram of a receiver with a maser arrangement according to the invention.

der erfindungsgemäßen Anordnung als negativer gestellt. Eine Empfangsantenne 1, die für den Emp-the arrangement according to the invention posed as a negative. A receiving antenna 1, which is used for receiving

Widerstand, 15 fang der Signalfrequenz /₁₂ vorgesehen ist, ist an denResistance, 15 start of the signal frequency / _{12 is} provided, is to the

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die er- Arm 2 eines dreiarmigen Zirkulators 3 angeschlossen, findungsgemäße Anordnung zur Umsetzung einer Die Signalfrequenz /₁₂ gelangt über den Arm 4 des Empfangsfrequenz in eine andere Frequenz verwendet Zirkulators und ein Filter 5 zu einem Hohlraumwird, resonator 6. Dieser Hohlraumresonator 6 wird späterFig. 3 shows an embodiment in which the ER arm 2 connected to a three-armed circulator 3, the invention according arrangement for implementation of a the signal frequency / ₁₂ passes via the arm 4 of the receiving frequency to another frequency used circulator and a filter 5 to a cavity, resonator 6. This cavity resonator 6 will be later

Fig. 4A und 4B einen Hohlraumresonator mit 20 näher beschrieben. Vorerst sei nur so viel über ihnFIGS. 4A and 4B describe a cavity resonator with 20 in more detail. For now, just say so much about him

drei Resonanzfrequenzen, der zur Anwendung bei gesagt, daß er das bereits erwähnte Masermaterialthree resonance frequencies that are to be used when said that it is the already mentioned grain material

der erfindungsgemäßen Anordnung geeignet ist, enthält und daß er auf allen drei Frequenzen der inthe arrangement according to the invention is suitable, and that it is on all three frequencies of the in

Fig. 5A, SB ürrd.5C den Verlauf der elektrischen Frage kommenden atomaren Übergänge schwingenFig. 5A, SB ürrd.5C oscillate the course of the electrical question coming atomic transitions

Feldlinien in dem Hohlraumresonator gemäß den kann. Dem Hohlraumresonator 6 wird ferner überField lines in the cavity resonator according to the can. The cavity resonator 6 is also about

Fig. 4A und 4B. 25 ein Filter 8 die Pumpfrequenz/₁₃ zugeführt. Das vonFigures 4A and 4B. 25 a filter 8 the pump frequency / _{13 is} supplied. That from

Die drei in der Fig. 1 mit W₁, W₂ und W₃ be- dem Oszillator 7 erzeugte Feld dieser Frequenz ist zeichneten Linien ..entsprechen den möglichen dis- dabei wesentlich stärker als jegliche anderen in dem kreten Energiezustäriden in einem bestimmten Stoff Resonator herrschenden Felder. Die Energie der sich bei einer zweckmäßigen Anregung. Die Größe der in dem Resonator 6 ausbildenden Frequenz /₂₃ wird Energie je Ladungsträger wächst mit steigender Index- 30 über das Filter 9 einem Widerstand 10 zugeführt, zahl. Gemäß der Quantenlehre kann sich die Energie während die Energie der Frequenz/₁₂ über das Filter 5 nur in bestimmten Stufen entsprechend den Differenzen an den Arm 4 des Zirkulators 3 zurückgelangt und zwischen diesen Energiezuständen ändern. Die Energie über den Arm 11 dem eigentlichen Empfänger 12 zuist also gequantelt. Je nachdem, ob dem System geführt wird.The three fields of this frequency generated in FIG. 1 with W ₁ , W ₂ and W _{3 at} the oscillator 7 are lines drawn ... ruling fields. The energy of a purposeful stimulus. The size of the frequency / ₂₃ forming in the resonator 6, energy per charge carrier grows with increasing index 30, supplied via the filter 9 to a resistor 10, number. According to quantum theory, the energy during the energy of the frequency / ₁₂ can only get back via the filter 5 in certain steps according to the differences to the arm 4 of the circulator 3 and change between these energy states. The energy via the arm 11 to the actual receiver 12 is thus quantized. Depending on whether the system is being run.

Energie zugeführt oder entnommen wird, hat ein 35 Der Zirkulator 3 ist in bekannter Weise aufgebaut.Energy is supplied or withdrawn, has a 35 The circulator 3 is constructed in a known manner.

Sprung eines Ladungsträgers zwischen den Energie- Er hat die Eigenschaft, daß die Energie in ihm sichJump of a charge carrier between the energy It has the property that the energy is in it

niveaus entweder eine Absorption oder Emission im gleichen Sinn von einem Arm zum benachbartenlevels either absorption or emission in the same sense from one arm to the next

eines Fotons einer elektromagnetischen Welle be- Arm fortpflanzt.of a photon of an electromagnetic wave being Arm propagated.

stimmter Frequenz zur Folge. Die Frequenz ist dabei Die Filter 5, 8 und 9 sind als schmalbandige Band-a certain frequency. The frequency is The filters 5, 8 and 9 are designed as narrow-band band-

durch den Unterschied der Energiezustände, zwischen 40 paßfilter ausgebildet. Ihre Aufgabe besteht darin, eineby the difference in energy states, between 40 pass filters formed. Your job is to create a

denen der Sprung stattfindet, bestimmt. Kopplung zwischen den verschiedenen Frequenzen/₁₂,where the jump takes place. Coupling between the different frequencies / ₁₂ ,

Im folgenden wird die Frequenz bei einem der- /₂₃ und /_1S in den außerhalb des Resonators gelegenenIn the following, the frequency at a der- / ₂₃ and / _{1S is} in the ones outside of the resonator

artigen Übergang mit f_nm bezeichnet, wobei die Kreisen zu unterbinden.like transition denoted by f _nm , with the circles to prevent.

Indizes η und m angeben, daß der Übergang von dem In der Anordnung gemäß der F i g. 2 ist dieIndices η and m indicate that the transition from the In the arrangement according to FIG. 2 is the

Energieniveau W_n nach Wm, erfolgt. 45 Empfangsfrequenz des Empfängers 12 gleich der vonEnergy level W _n after Wm takes place. 45 Reception frequency of the receiver 12 is the same as that of

Zwischen dem Wert jedes Überganges und der dabei der Antenne 1 empfangenen Frequenz.Between the value of each transition and the frequency received by antenna 1.

entstandenen oder absorbierten Frequenz besteht die In der in der Fig. 3 gezeigten Anordnung weichtgenerated or absorbed frequency is the In the arrangement shown in Fig. 3 gives way

Beziehung dagegen die Eingangsfrequenz des Empfängers vonRelationship against it the input frequency of the receiver of

W_n, — W_n _ , _m der durch die Antenne empfangenen Frequenz ab. W _n , - W _n _ , _m from the frequency received by the antenna.

J₁ ' ⁼ f^mn' ' ) 50 Die Anordnung bewirkt eine Frequenzumsetzung. J ₁ ' ⁼ f ^mn ' ') 50 The arrangement causes a frequency conversion.

Gemäß dieser Anordnung ist die Antenne 13 für denAccording to this arrangement, the antenna 13 is for the

wobei h die Plancksche Konstante darstellt. Ein Empfang der Frequenz/^ vorgesehen und führt derenwhere h is Planck's constant. A reception of the frequency / ^ is provided and carries out their

Übergang von einem niedrigen zu einem höheren Energie weiter auf den Arm 14 des Zirkulators 15.Transition from a low to a higher energy continues on the arm 14 of the circulator 15.

Energieniveau hat eine Absorption und ein Übergang Diese Energie gelangt dann über den Arm 16 undEnergy level has an absorption and a transition. This energy then passes through the arm 16 and

von einem höheren zu einem niedrigen Energieniveau 55 das Filter 17 zu dem Hohlraumresonator 18 mit demfrom a higher to a lower energy level 55 the filter 17 to the cavity resonator 18 with the

hat eine Emission von Schwingungen der ent- Masermaterial. In diesem besteht ein starkes Feld derhas an emission of vibrations of the ent- grain material. In this there is a strong field of

sprechenden Frequenz zur Folge. Frequenz/₁₃, die vom Oszillator 19 erzeugt und demspeaking frequency. Frequency / ₁₃ generated by the oscillator 19 and the

Die erfindungsgemäße Maseranordnung weist min- Resonator über das Filter 13 zugeführt wird. DieThe maser arrangement according to the invention has a min resonator via which filter 13 is fed. the

destens drei Energieniveaus auf. Es ist bekannt, daß durch die Maserwirkung entstehende Energie derat least three energy levels. It is known that the resulting energy of the grain

bei derartigen Anordnungen die Gleichung 60 Frequenz /₂₃ gelangt über das Filter 21 zu demIn such arrangements, the equation 60 frequency / ₂₃ passes through the filter 21 to the

Empfänger 22. Die Energie der Frequenz /₁₂ wirdReceiver 22. The frequency / ₁₂ energy will

/13 = /12 + /23 (2) über das Filter 17 und den Arm 16 auf den Zirkulator/ 13 = / 12 + / 23 (2) through filter 17 and arm 16 onto the circulator

gilt. zurückgeführt und gelangt über den Arm 23 auf einenis applicable. returned and arrives via the arm 23 on one

Im angeregten Zustand befindet sich fast die Hälfte Absorber 24. In der vorliegenden Anordnung hat das aller verfügbaren Ladungsträger in dem Energie- 65 Empfangssignal die Frequenz /₁₂ und wird auf die zustand W₃ und fast die andere Hälfte in dem Energie- Betriebsfrequenz des Empfängers /₂₃ umgesetzt,
zustand W₁, und nur sehr wenige Atome haben den Die Fig. 4A und 4B zeigen schematisch in Front-Energiezustand W₂. und Seitenansicht einen Hohlraumresonator mit dreiIn the excited state, almost half of the absorber 24 is located. In the present arrangement, all of the available charge carriers in the energy 65 received signal have the frequency / ₁₂ and are set to the state W ₃ and almost the other half in the energy operating frequency of the receiver / ₂₃ implemented,
state W ₁ , and only very few atoms have the. FIGS. 4A and 4B show schematically in the front energy state W ₂ . and side view a cavity resonator with three

Resonanzfrequenzen, wie er in den vorhergehenden Anordnungen benötigt wird. Die drei den Energieniveaus Wi, Wl und W3 entsprechenden Resonanzfrequenzen sind in diesem Falle beispielsweiseResonance frequencies as required in the previous arrangements. The three resonance frequencies corresponding to the energy levels Wi, Wl and W3 are for example in this case

/₁₂ = 3,33 GHz,/ ₁₂ = 3.33 GHz,

/₂₃ = 6,67 GHz,
/₁₃ = 10,0 GHz./ ₂₃ = 6.67 GHz,
/ ₁₃ = 10.0 GHz.

Der Hohlraum weist die Form eines rechteckigen Prismas 35 in den inneren MaßenThe cavity has the shape of a rectangular prism 35 in internal dimensions

a = 3,2 cm,
b = 4,5 cm,
c = 1,6 cm a = 3.2 cm,
b = 4.5 cm,
c = 1.6 cm

auf und enthält in der Nähe seines anderen Endes einen scheibenförmigen Kristall paramagnetischen Materials, das mit 36 bezeichnet ist. Dieser Kristall besteht vorzugsweise aus Rubin, insbesondere aus 0,05% in Aluminiumoxyd gelöstem Chrom (Cr⁺++).and contains a disk-shaped crystal of paramagnetic material, indicated at 36, near its other end. This crystal preferably consists of ruby, in particular 0.05% chromium (Cr ⁺ ++) dissolved in aluminum oxide.

Die Dimensionen des Hohlraumes 35 sind so gewählt, daß darin die Frequenz /₁₂ als H₀₁-WeIIe schwingen kann, deren magnetisches Feldlinienbüd durch die mit 37 gestrichelte Linie in der Fig. 5A dargestellt ist. Der Kristall 36 ist in einen derartigen Winkel geschnitten, daß er durch dieses Feld angeregt wird.The dimensions of the cavity 35 are chosen so that the frequency / ₁₂ can oscillate therein as an H ₀₁ wave, the magnetic field lines of which is represented by the dashed line 37 in FIG. 5A. The crystal 36 is cut at an angle such that it is excited by this field.

Wie ebenfalls aus der Fig. 4A hervorgeht, sind Hohlleiter 38, 39 und 40 vorgesehen, die zur Kopplung des Resonators 35 an seine nicht dargestellten Anschlußkreise dienen. Diese Hohlleiter 38, 39 und 40 weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf und sind derartig dimensioniert, daß sie der Fortpflanzung von H₀₁-Wellen der in Frage kommenden Frequenzen dienen. Sie sind an den Hohlraum 35 über entsprechende Kopplungsöffnungen 41, 42 und 43 angekoppelt. Die Hohlleiter 39 und 40 sind an ihren dem Hohlraumresonator benachbarten Enden durch Abstimmkolben 44 und 45 abgeschlossen, mit denen sie zur Erzielung eines günstigen Verlaufes gegenüber der Kopplungsöflhung abgeglichen werden können.As can also be seen from FIG. 4A, waveguides 38, 39 and 40 are provided which are used to couple the resonator 35 to its connecting circuits, not shown. These waveguides 38, 39 and 40 each have a rectangular cross section and are dimensioned in such a way that they _{serve to propagate H 01} waves of the frequencies in question. They are coupled to the cavity 35 via corresponding coupling openings 41, 42 and 43. The waveguides 39 and 40 are closed at their ends adjacent to the cavity resonator by tuning pistons 44 and 45, with which they can be adjusted to achieve a favorable course with respect to the coupling opening.

Wie in der Fig. 4B dargestellt, weist die breite Seite des Hohlraumresonators kapazitiv wirkende Abstimmschrauben 46 und 47 auf, die zur Abstimmung des Resonators auf die Frequenz /₂₃ im H₀₂-Schwingungsmodus dient. Das magnetische Feldlinienbild für diese Frequenz hat die Form und die Richtung der in der Fig. 5B dargestellten gestrichelten Linie 48 und 49. In gleicher Weise weist die gegenüberliegende Breitseite des Resonators 35 drei kapazitiv wirkende Abstimmschrauben 50, 51 und 52 auf, die für den Abgleich des Resonators auf pie Frequenz /₁₃ im Schwingungsmodus H₀₃ dienen. Das magnetische Feldlinienbild dieser Frequenz entspricht in Form und Richtung den in der Fig. 5C mit 52, 53 und 54 bezeichneten gestrichelten Linien. An jeder der beiden Breitseiten sind die Abstimmschrauben jeweils auf der Mittellinie angeordnet, und zwar an solchen Punkten, daß die ihnen gegenüberliegenden Punkte im Feldlinienbüd an Punkten relativ hoher Spannung liegen, d.h. also an Punkten, die die Mittelpunkte der in den Fig. 5A, 5B und 5 C gezeigten magnetischen Feldlinien bilden.As shown in FIG. 4B, the broad side of the cavity resonator has capacitively acting tuning screws 46 and 47, which are used to _{tune the resonator to the frequency / 23} in the H ₀₂ oscillation mode. The magnetic field line pattern for this frequency has the shape and direction of the dashed line 48 and 49 shown in FIG of the resonator at pie frequency / ₁₃ in oscillation mode H ₀₃ are used. The shape and direction of the magnetic field line pattern of this frequency corresponds to the dashed lines denoted by 52, 53 and 54 in FIG. 5C. On each of the two broad sides, the tuning screws are arranged on the center line, namely at such points that the points opposite them in the field linesbüd are at points of relatively high tension, ie at points which are the center points of the in FIGS. 5A, 5B and 5C form magnetic field lines shown.

Zu der beschriebenen Anordnung gehört ferner eine in den Figuren nicht dargestellte Anordnung zur Erzeugung eines statischen, den Kristall 36 durchsetzenden Magnetfeldes, das sich im wesentlichen senkrecht zu den Breitseiten des Hohlraumresonators erstreckt und eine Intensität von etwa 3000 bis 5000 Oersted hat. Ferner müssen Maßnahmen zum genauen Abgleich der magnetischen Feldstärke vorgesehen werden, um die Aufspaltung der Energieniveaus und somit die genauen Werte der den atomaren Übergängen entsprechenden Frequenzen steuern zu können.The arrangement described also includes an arrangement for generating, which is not shown in the figures a static, the crystal 36 penetrating magnetic field, which is essentially extends perpendicular to the broad sides of the cavity resonator and has an intensity of about 3000 to 5000 Oersted has. Furthermore, measures must be provided for the precise adjustment of the magnetic field strength be to the splitting of the energy levels and thus the exact values of the the atomic transitions to be able to control corresponding frequencies.

Auf die Darstellung der notwendigen Kühlmittel wurde ebenfalls verzichtet.The necessary coolants are also not shown.

Während die im vorhergehenden beschriebene Anordnung in ihrer Wirkungsweise auf dem Zeeman-Effekt zur Trennung der Energieniveaus beruht, läßt sie sich auch in eine solche, deren Wirkungsweise auf dem Starkeffekt beruht, abwandeln. In diesem Falle muß innerhalb des Hohlraumresonators in einem gewissen Abstand von seinem abgeschlossenen Ende (etwa eine Viertelwellenlänge der niedrigsten vorkommenden Frequenz) der Kristall angeordnet sein. Außerdem ist dann ein äußeres, den Kristall durchdringendes, statisches elektrisches Feld mit etwa 10⁸ Volt je Zentimeter vorzusehen.While the mode of operation of the arrangement described above is based on the Zeeman effect for separating the energy levels, it can also be modified into one whose mode of operation is based on the Stark effect. In this case, the crystal must be arranged within the cavity resonator at a certain distance from its closed end (about a quarter wavelength of the lowest occurring frequency). In addition, an external, static electric field penetrating the crystal with about 10 ⁸ volts per centimeter is to be provided.

Claims

Claim:

Maser arrangement in which in a cavity resonator with several resonance frequencies a crystalline body standing under the influence of a static magnetic field and kept at an extremely low temperature is arranged, the free electrons of which can assume at least three discrete energy states (W ₃ > W ₂ > W ₁ ) , between which an energy exchange takes place with absorption or emission of corresponding frequencies / ₁₃ , / ₁₂ and / ₂₃ , characterized in that the cavity resonator is in resonance at all three frequencies f _ls , / ₁₂ and / ₂₃ .

1 sheet of drawings