DE1416470A1

DE1416470A1 - Elektromagnetische Schwingungserzeugung

Info

Publication number: DE1416470A1
Application number: DE19611416470
Authority: DE
Inventors: Rowen John Howard
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-11-10
Filing date: 1961-10-24
Publication date: 1969-02-06
Also published as: DE1416470B2; SE301500B; BE609914A; GB949645A; US3087122A

Description

WESTERN SEBOTRIC OOMPANY, Incorporated — d*H.Rowen ffew York 7, Η.~Υ· USA öase -9-

elektromagnetische Schwingungserzeugung

Die Erfindung betrifft Verfahren und Mittel zur elektro magnetischen Schwingungserzeugung, insbesondere die Erzeugung von Impulsen oder stetiger Strahlung von hochfrequenter Sohwingungsenergie in Mikrowellen-Oder Millimeter-Wellenbereich durch unmittelbare Umwandlung niederfrequenter akustischer Ultraschallenergie in hochfrequente Strahlungsenergie*

Es ist eine Aufgabe der Erfindung Mikrowellen-oder Millimeterwellen-Energie durch Erregen der Elektronenspins in magnetischen Materialien zu erzeugen·

Es ist bekannt, daß hochfrequente Impulse durch Ausnutzung der geomagnetischen Effekte erzeugt werdin können, die in Materialien beobachtet werden, welche paramggnetisch, ferromagnetisch oder ferrimagnetisoh sind« Bei Anlegen eines magnetischen/rleichfelds» das nachfolgend als Vormagnetisierungsfeld bezeichnet wird, werden die Achsen der Elektronenspins in diesen Materialien zum PeId ausgerichtet. Wenn die Spinachse momentan aus dieser lage zum Vormagnetisierungsfeld abgelenkt wird| kehrt sie nicht unmittelbar in ihre ursprüngliohe Lage zurück, sondern präzediert um das Yormagnetisierungsfeld mit einer Frequenz, die der Gkröße des Vormagnetisierungsfeldes proportional ist· Diese Preq.uenz wird gyromagnetische Kesonanzfrequenz genannt· Tier Gleichgewichtszustand kann gegebenenfalls durch verschiedene dampfende Paktoren in einem Zeitraum wiederhergestellt werden, der ale Relaxationszeit des Spinsystems bezeichnet wird«

909808/012 7 ^₂- ,,,-. .»_n ^-

Bb ist gezeigt worden, daß, wenn, die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes um einen wesentlichen Betrag in einer Zeit geändert werden kann, die im Vergleich zur Relaxationszeit karz ist, die entstehende Präzessionsbewegung ihre eigenen elektromagnetischen Felder erzeugt. Wenn der Körper magnetisch mit einem Resonanzkreis gekoppelt ist, der seiner-.seits mit einer Belastung verbunden ist, kann von diesem erzeugten PeId Energie zur Belastung geliefert werden.

In der Praxis ist es jedoch offensichtlich sehr schwierig, eine ausreichende Änderung der notwendigen ^rossen Vormagnetisierungsfelder hervorzubringen und diese Änderung mit äußere* Spulen oder ähnlichen felderzeugenden Mitteln in eineiiausreichend kurzen Zeit durchzuführen. Auch unter den günstigsten Bedingungen begrenzen die beschränkte Größe und die Zeit der Änderung des Vormagnetisierungsfeldes die Frequenz, die Energie und die Dauer der erzeugten Impulse der Mikrowellen-Energie, Ss wäre z.B. notwendig, Feldänderungen von mehreren 100 Oersird in einer Zeit von etwa

10 Sekunden zu erzeugen, eine Forderung, die ohne äußerst aufwendige Einrichtungen zu erfüllen unmöglich ist.

Entsprechend dem Prinzip der Erfindung hat man jedoch festgestellt, daß ein physikalischer oder mechanischer verformender Druck, der auf ein anisotropisches Material ausgeübt wird, die magnetokristalline anisotropische Energie des Materials ändert. Da die kristalline Energie ein gleichwertiges magnetisches Feld darstellt, ° . das gleich der zweiten Ableitung der Energie nach der oo Orientierung ist, ist die Wirkung auf die magnetischen

cn Sfiins im wesentlichen der Wirkung der Abstoßung des Q äußeren magnetischen Felds identisch» Insbesondere -* ändert ein verformender Drjigk die Richtung und/oder -~j die Größe des effektiven inneren magnetischen Feldes des Materials, das durch die magnetokristalline Energie bestimmt ist, auch wenn das äußere Feld ungeändert bleibt. Es sei ins Gedächtnis zurückgerufen, daß ein

r3,*₀

anisotropisches Material ein Material ist, dessen magnetische Eigenschaften in verschiedenen Sichtungen verschieden sind, so daß die Magnetisierung die Eendenz hat/in gewisse definierte kristallographische Achsen gerichtet eu werden.

Das Prinzip der Erfindung kann mit irgend einem Material ausgeführt werden, das starke magnetostriktive Effekte zeigt, d.h. eine Änderung der magnetokristallinen Sruktur des Materials und seiner inneren magnetischen Energie mit der Verformung, auch wenn das Material nicht ■ eigentlich als gyromagnetisch "betrachtet werden kann·

Das wird verständlich, wenn man sich ins Gedächtnis zurückruft, daß die gesamte magnetokristalline Energie des Spinsystems sämtlicher kristaljrer fester Körper, welche Atome mit unkompensierten Spins enthalten.! aus der Summe von drei Komponenten "bestehtt Die Energie infolge der Spinbahn-Wechselwirkung, die Energie infolge der Weehselwirkung fiipol zu Dipol und die Energie der Austausohwechselwirkung zwischen "benachbarten Spins.

In paramagnetischen Materialien ist die Austauschenergie klein, während die Energie Dipol-Dipol und/oder die Siiinbahnenergie dadurch wesentlich sind, daß sie sogenannte Nullfeldaufspaltung oder magnetische Anisotropie zeigen. B« ferroraagnetischen, ferrimagnetischen und antiferromagnetisclien Materialien ist die Austauschenergie ebenfalls groß, wobei ihre Wirkung darin besteht, entweder eine parallele oder eine antiparallele Ausrichtung der Spins von benachbarten Atomen zu erzeugen» _to Bei ferromagnetischen und ferrimagnetischen Materialien ο entsteht hierdurch ein großes magnetisches Moment, in-

co

oo folge der Spi$s zahlreicher zusammenwirkender Atome,

^ während in antiferromagnetischen Materialien die Spins *"** in zwei gleiche antiparallele Unterg&tter aufgeteilt wer- -* den, d ren magnetische Momente sich gerade neutralisie- ^₁ ren, so daß das Material kein bemerkbares äußeres magnetisches Moment aufweist. Sogar in Materialien mit großer Austauschenergie bestimmt lie Snergie Dipol zu Dipol und/

«4-

oder die Spinbahnenergie die anisotropisohe Energie und die speziellen, kristallographisehen Eichtungen, in denen die Spins eines oder mehrerer Untergitter vorzugsweise liegen. Andererseits bestimmt die Austausch— energie das Ausmaß, in dem die Spins benachbarter Atome sich zueinander auszurichten (parallel oder antiparallel) suchen·

Diese Eigenschaften ergeben die Resonanzfrequenz des Materials in folgender Weise. In ferromagnetischer und ferrimagnetischer Resaanz wirken sämtliche Spins bei einer Resonanzfrequenz zusammen, die einer magnetischen Feldfunktion proportional ist» welche als inneres effektives Feld H ff bezeichnet wird, und welches im wesentlichen aus der Vectorsumme des äußeren Vormagnetisie— rungsfeldes und des anisotropischen Feldes besteht· In der antiferromagnetischen Resonanz ist die Form der Resonanz durch eins der Untergitter gekennzeichnet, das sich zum anderen bewegt, so daß das effektive Feld H₆^ durch eine später bestimmte Funktion ausgedrückt wird» die einen Ausdruck enthält, der auch das Auetauschenergiefeld darstellt. Dies Austauschfeld ist so groß, daß der Beitrag des von außen angelegten Feldes a«f efcie zur Resonanzfrequenz klein ist, so daß das äußere Feld zur Erzeugung einer Hesonanz bei hohen Mikrowellenfrequenzen in antiferromagnetischen Materialien nicht wesentlich ist.

Es ist daher eine speziellere Aufgabe der Erfindung, den kristallinen Aufbau ferromagnetische^ ferrimagnetischer, paramagnetischer oder antiferromagnetischer Materialien (J₀ mechanisch zu beanspruchen oder zu verformen, um hier- ^ durch die anlsotropieche Komponente des magnetokristaloo linen Feldes innerhalb dieser Materialien zu ändern, und

σ> die entstehende Elektronenpräzession zur Erzeugung elektro_o magnetischer Wellenenergie zu benutzen.

Die letzterwähnte Aufgabe der Erfindung wird entsprechend später zu beschreibender Ausführungen erfüllt, indem ein Ultraschallübertrager stetig einen periodischen

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akustischen Druck auf einen derartigen Körper ausübt, um einen Impulszug aus Mikrowellenenergie zu erzeugen« Insbesondere wird bei den beschriebenen ferromagnetischen und ferrimagnetischen Ausführungsbeispielen der Druck entlang der Achse schwerer Magnetisierfearfefefeit eines Körpers ausgeübt, der durch ein statisches magnetisches PeId in einem spitzen Winkel zur Achse leichter Magnetisierbarkeit vornagnetisiert ist.Dieser Druck bringt eine Verschiebung der lage des anisotropischen Feldes hervor und damit eine Verschiebung der lage des gesamten magnetischen Moments des Materials. Eine Elektronenpräzession von der ursprünglichen lage in die neue lage des Moments erzeugt eine Abstrahlung bei der ferrolaagnetischen Resonanzfrequenz des Materials« Bei der antiian&omagnetischen Ausführung wird der Druck entlang einer Achse ausgeübt, die in einem Winkel zur aniüparallelen Richtung liegt, d.h. zu derjenigen Richtung, in der die einzelnen Untergitter ursprünglich ausgerichtet sind. Hierdurch wird bewirkt, daß eins oder mehreren Untergitter aus der antiparallelen lage herausbewegt werden, und daß ein resultierendes Moment in der Ebene erzeugt wird, die senkrecht zu der antiparallelen Achse liegt. Die Elektronen präzedieren während der Übergangsperiode nach der Verformung zurück in die Ausrichtung, wenn die Untergitter in den Gleichgewichtszustand mit ihrer Umgebung zurückkehren, und sie strahlen während dieser Periode elektromagnetische Wellenenergie mit der antiferromagnetischen Resonanzfrequenz ab. Diese Abstrahlung findet statt, gleichgültig, ob das Material durch ein äußeres PeId vormagnetisiert ist oder nicht.

Die bei jeder Ausführung entstehende Mikrowellenenergie ο bildet eine primäre Energiequelle, die zum Pumpen von & Maser und parametrischen Verstärkern für Radarsysteme IjJ mit hoher Auflösung oder für irgend-welche anderen An- ^- Wendungen ausgenutzt werden kann, die in einfacher We i- _» se iii^ee§iifee hochfrequente Energie benötigtn« ro

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Daß die zur Durchführung der Erfindung benutzten Katerialien Magnetostriction mit ihr in Beziehung stehende Effekte aufweisen»4^a:p£ ^as Prinzip der Erfindung nicht mit piezomagnetischen, piezoelektrischen magne tost ritt iven oder anderen ähnlichen Einrichtungen verwechselt v/erden, bei denen gewöhnlich die Eigenschaften dieser Haterialien ausgenutzt werden.. Diese Einrichtungen gleichen insofern dem Irfindungsprinzip, als ein periodischer mechanischer Druck benutzt wird, um periodische elektrische Energie zu erzeugen, ^edoch ist es wichtig, sich ins Gedächtnis zurüekzufufen, daß die Frequenz der auf diese Weise erzeugten elektrischen Energie die gleiche ist, wie die Frequenz der mechanischen Änderung. Im (Gegensatz dazu erzeugt entsprechend dar vorliegenden Erfindung eine mechanische Änderung mit verhältnismäßig niedriger Frequenz eine elektromagnetische Wellenenergie, deren Frequenz vielfach größer ist.

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Eigenschaften von ferromagnetischen, ferrimagnetischen-oder paramagnetischen Materialien ausgenutzt werdenj

Fig. 1A zeigt eine Darstellung der Kristallstruktur eines bevorzugten kubischen Materials für die Ausführung der Fig. 1J

Fig. 2 zeigt ein Polardiagramm einer typischen

anisotropischen Energieoberflache,das zur Erklärung verwendet v/ird;

Fig» 3 zeigt eine graphische Darstellung der Verschiebung der Magnetisierung mit dem Druckj

Fig. 4 zeigt wie das Erfindungsprinzip auf einen leitend begrenzten Wellenleiter angewendet werden kann;

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Aus-Q führungsbeispiels der Erfindung, bei der die

to Eigenschaften von antiferromagnetischen Ma-

oo terialien ausgenutzt werden}

^ Fig. 5A zeigt eine Darstellung eines Kristalls eines ^ bevorzugten Materials mit tetragonalem Auf-

o tau für die Ausführung der Fig. 5»

Es sei insbesondere auf I¹Ig. 1 eingegangen» Hier sind die Grundbestandteile eines Ausführungsbeispiels eines ferromagnetische!!/ ferrimagnetischen oder paramagne— tischen Schwingun^serzeugers entsprechend der Erfindung schematise!! dargestellt. Die Kugel 11 stellt das aktive Ilaterialeleraent dar, das mechanisch mit einem UltraechalH&bertrager 12 verbunden ist. Bei dieser Ausführung kann die Kugel 11 aus einem nichtleitenden hoch anisotropischen magnetischen Material hergestellt sein, das ausgesprochene piezomagnetische Effekte und außerdem gyromagnetische Effekte bei den Hikrowellenfre— quenzen und oberhalb derselben zeigt. Z.B» kann es eins der kubischen ferrimagnetischen Spinells sein, wie *

EinkasSsballferrit, ferner ein ferrimagnetiseher hexagonaler Kristall wie Ferroxdure·, ferner eins der ferrimagnetischen Materialien wie Yttrium, Sisengranat oder schließlich eines der zahlreichen ferromagnetischen oder paramagnetischen Materialien, Bei der hier "beschriebenen speziellen Ausführung ist angenommen, daß die Kugel 11 in einer ihKi-bevorzugten Formen aus einem Einkristall aus Yttrium, Eisengranat besteht.

Die Form des Elements 11 ist als kugelförmig angegeben, wobei diese Form zur Zeit die bevorzugte Form zu sein scheint, doch soll bemerkt werden, daß die genaue Form von einer komplizierten Beziehung zwischen den ent- "

magnetisierenden Effekten im Element und dem physikalischen Ansprechen des Elements au^Druckschwingungen abhängt. Daher muß die genaue Form in einem besonderen Fall durch empirische Verfahren bestimmt werden. Sie kann linsenförmig,eiförmig, quadratisch oder rechteckig sein. Die Größe der Kugel 11 ist derart, daß sie mechanisch ο bei Ultraschalldruckwellen in Resonanz kommt, sie hängt

oo also von der Frequenz der Druckwellen und ihrer Wellen- ° länge innerhalb des Materials ab. Insbesondere hat man "^ festgestellt, daß eine Yttrium Eisengranat-Kugel von etwa

-» 0,038 cm Durchmesser bei etwa 10 MHz in Resonanz kommt« ^j Eine derartige Resonanz verstärkt die Druckänderungen des Kristallgitters des Materials«,

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Die Kugel 11 wird akustiech durch geeignete Kittel zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen, von z.B· etwa IO Hz erregt. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, einen Übertrager 12 zu verwenden, von dem zahlreiche Typen bekannt sind, bei denen geeignete Materialien mit starken piezoelektrischen Effekten verwendet werden, z.B. Qiuetz oder Bariumtitanat. Z.B. sind mehrere derartiger Übertrager und ihre Arbeitsweise in dem Buch "Piezoelectric Crystals and their application to Ultrasonics¹¹ von W.P· Mason beschrieben. In dem dargestellten Ausflihrungsbeispiel besteht der Übertrager 12 aus einem Segment 13 aus Bariumtitanat, das- als kreisfärmiges Segment einer kugelförmigen Schale ausgebildet ist· Die vom Übertrager 12 erzeugte Ultraschallfrequenz ist durch die Resonanzdicke des Segments 13 bestimmt« Man hat festgestellt, daß für eine Resonanz von IO MHz die Dicke des Bariumstitanat etwa 0,25 cm betragen soll. Gleichgeformte Elektroden 14 und 15 aus dünnem leitendem Material sind mit der inneren und der äußeren Oberfläche des Segments 13 verbunden« Die Elektroden 14 und 15 sind mit den leitern der Koaxialleitung 16 verbunden, die ihrerseits an eine elektrische Quelle 17 für Wellenenergie mit Ultrasohallfrequenz angeschlossen ist.

Um die Energie auf die Kugel 11 zu konzentrieren, enthält der Übertrage- 12 weiterhin ein Pokussierteil 19, das die mechanische Verbindung zwischen dem Segment und der Kugel 11 hergestellt. In der dargestellten Ausführung hat das Teil 19 die Form eines Konus aus dichten dielektrischen Material, z.B. aus geschmolzener Kieselerde oder geschmolzenem Quarz, wobei der Konus to eine kugelförmige Grundfläche aufweist, die an die ^ Elektrode 14 angepaßt und geeignet mit ihr verbunden ist. Das entgegengesetzte Ende ist etwas abgeschnitten, σ> so daß es sich an die Kugel 11 anpaßt»

Es ist von besonderer Wichtigkeit, dass die Kugel 11 in er ^_cnBe ^_er sohwerden Magnetisierbarkeit orientiert ist, die in der Sichtung des Drucks liegt, und zwar aus Gründen, die später eingehend geschildert werden· In Pig· 1 ist die Achse schwerer Magnetisierbarkeit des Körpers 11 durch den Vektor 18 bezeichnet, der so orientiert is1fc, dass er mit der konischen Achse des Teils 19 zusammenfällt_o Man hat festgestellt, dass sich ein Epoxydharz oder ein Gummizement zur Verbindung des Körpers 11 mit dem abgeschnittenen Ende des Teile 19 in dieser Orientierung eignet* Ein geeignetes >hier» nicht dargestelltes Haltemittel kann entsprechend der üblichen Praxis an der konischen Basis des Teils 19 vorgesehen sein·

Ss würde den Eahmen dieser Schilderung sprengen, die Kristallographie der zahlreichen Materialien darzulegen» die zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können* Jedoch ist es notwendig, verständlich zu machen, dass die anisotropieche Energie eines ferromagnetische η Kristalls in solcher Weise wirkt, dass sich die Magnetisierung in bestimmte definierte kristallographische Achsin zu richten sucht, die Richtungen leichter Magnetisierbarkeit genannt werden. Die Richtungen, in denen die Magnetisierung der Kristalle äusserst schwieirig ist, werden Richtungen schwerer Magnetisierbarkeit genannt* Früher wurden diese Richtungen empirisch bestimmt* Nunmehr ist jedoch die Lage dieser Richtungen in Bezug auf die Kristallstruktur für jeden Kristall bekannt* Sie kann in Standardwerken gefunden werden. &.B. liegt die Richtung leichter Magnetisierbarkeit eines hexagonalen Kristalls im allgemeinen in der ο hexagonalen Achse, während die Richtung schwerer to Magnetisierbarkeit im rechten WinkeOL zu dieser Achs e ° liegt* Dies kann sich jedoch bei Vorhandensein ^ gewisser Zusätze ändern. ?ig. 1A zeigt die Kristall-

-j struktur und die herkömmlich bezeichneten Achsen

I^ für den besonderen fall eines kmbischenittrium Eieengranate. So eind die Würfelkanten als Achsen [i#o], (QIC} und [Ö01] bezeichnet. Sie sind die Richtungen schwerer Magnetisierbarkeit* Die Körper- __1Q_

diagonalen sind mit [.111J bezeichnet. Sie sind äquivalente Achsen und die Richtungen leichter Magnetisierbarkeit.

Unter Berücksichtigung der Eichtungen leichter und schwerer Magnetisierbarkeit des Materials der Kugel 11 und Orientierung der Kugel derart, dass die Ridifeung schwerer Magnetisierbarkeit £ΐθθ} mit dem Druck des T_eils 19 ausgerichtet ist, werden Mittel zum Anlegen eines konstanten, in einer Richtung liegenden Vormagnetisierungsfeldes an das Element 11 in einem Winkel zwischen den Richtungen schwerer und leichter Magnetisierbarkeit vorgesehen. In Pig. 1 ist die Richtung leichter Magnetisierbarkeit durch den Vektor 20 und die Richtung des Vormagnetisierungsfelds durch den Vektor H^₀ dargestellt. Das genaue Mitteih zum Hervorbringen dieses Feldes ist nicht dargestellt , da es dadurch erzeugt werden kann, dass das Element 11 zwischen die Polschuhe einer geeigneten Zylinderspulu oder eines permanenten Magnetes angeordnet wird, wie es in der gyromagnetischen Technik nunmehr bekannt ist. Die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes ist derart, dass das Element 11 wenigstens gesättigt wird und geht über die Sättigung soweit hinaus, dass eine gyromagnetische Resonanz im Element 11 bei der Frequenz der gewünsohten Ausgangsmikrowellenenergie erzeugt wird.

Es sind Mittel zur Kopplung mit dem magnetischen Fluss vorgesehen, der durch die entstehende Elektronen-Spin-Prazession im Element erzeugt wird und ο um die so erzeugte Energie an eine Nutzbelastung ^ au liefern· Die Kopplung kann so aus einem koaxialen ° Leiter 21 bestehen, der in einer kleinen Schleife **- in unmittelbarer Nähe des Elements 11 endet· Da _* die zeitveränderliohe Komponente des Flusses im ^J wesentlichen senkrecht zum Vormagnetisierungsfeld

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vorhanden ist, liegt die Ebene der Schleife 22 im wesentlichen parallel zum Yormagnetisierungsfeld H_dc· Die Gröeae der Schleife 22 und ihr Abstand vom Element 11 sind-derart» dass ein Zustand fester Kopplung hervorgebracht wirdο PUr diesen Zustand ist die Strahlungedämpfung etwa gleich der Spingitterdämpfung und entspricht einer vollkommenen Anpassung zwischen dem elektromagnetischen Aufbau und dem kugelförmigen Körper bei ferromagnetischer Resonanz. Dies ergibt den maximalen Energieübergang zu der durch 23 dargestellten Nutzbelastung, die mit dem anderen Ende der Koaxialleitung 21 verbunden ist·

In der Praxis sind die Kugel 11, die Schleife 22 und der übertrager 12 ganz oder teilweise in einer leitenden Abschirmung enthalten, die einen Teil der Kopplung zwischen der Schleife 22 und der Kugel 11 bilden kann.« Bei gewissen später zu beschreibenden Ausführungen hpt diese Abschirmung die ϊοπη eines Resonanzhohlrauas, der selbst das Kopplungsmittel zur Abnahme der erzeugten Energie liefert·

Nachdem die Seile und ihre Zusammensetzung entsprechend der Erfindung beschrieben wurden, sail nun auf!» die bevorzugte Arbeitsweise und auch/die zugrundeliegende Theixiie eingegangen werden· In Pig. 2 stelt die ausgezogene Kurve 31 ein Polardiagramm der anisotropischen Energieoberfläche eines kubischen Kristalle in unbeanspruchtem Z_ustand dar. Die durch [iod] dargestellte Achse schwerer Magnetisierbarkeit hat die grössfe anisotropische Energie· Die durch [Hu dargestellte Achse leichter Magnetisierbarkeit hat die kleinste anisotropische Energie. Die anisotropische Energie

ο in der Achse Pi 11 \ kann ungefähr durch ein magnetisches

co K

Feld mit der Grosse 1 dargestellt werden, wobei K₁

ο H" ^Ί

σ> der erste Ausdruck der anisotropischen Konstante und H ο die Magnetisierung ist. Wenn somit das Vormagnetisie-

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rungsfeld H^_c in einem Winkel zur Achse [i1ij leichter Magnetisierbarkeit angelegt wird, ist das gesamte effektive PeId H -^ innerhalb des Materials die Vektorsumme von Η_Λ_ und 1 umä kann in Fig. 2 durch

K₁ den Vektor H_ef;f zwischen H_dc und n- dargestellt werden.

Wenn das Vormagnetißierungsfeld angelegt wird, präzedieren die Elektronenspins um H_ef^ während der effektiven Sjinrelaxationszeit mit einer Frequenz Co = γ^ ^_eff*

wobei V das gyromagnetische Verhältnis ist. Nach der Relaxationszeit stellt H_ei^ die Gleichgewichtslage der Spins dar.

Wenn nun ein Druck entlang der Achse schwerer Magnetisierbarkeit des Materials ausgeübt wird, wird dl· anisotropische JSnergie oberfläche geändert. Bei Anlegen eines kleinen Drucks erscheint eine Einbuchtung z.B. 32 in Fig. 2 in der anisotropischen Energiekurve entlang der Druckachie. Dieser kleine Druck ändert die Richtung der Magnetisierung des Materials nioht. Wenn der Druck jedoch vergrössert wird, wird die Einbuchtung 32 tiefer und eventuell wird das durch den Druck hervorgerufene Minimum die niedrigste Energielage. Dieser Zustand wi. rd durch die gestrichene Kurve 33 dargestellt, welche das neue anisotropische Energiesystem unter Beanspruchung zeigt« Dann wird ziemlich plötzlich die Magnetisierung des Körpers in eine neue Lage gebracht, wobei nunmehr die Achse leichter Magnetisierbarkeit in der Druckachse liegt. Das gesamte effektive Feld ist nunmehr die Vektorsumme von H^ und den neuen anisotropischen Feld 1 , wie es in Pig. 2 durch

co

ο den Vektor H|_ff gezeigt ist, der eine neue Gleichgeoo wichtslage darstellt.
ο

S -13-

KJ

Sie Art und Weise, wie diese Verschiebung in die Richtung leichter Magnetisierbarkeit stattfindet, ist in Fig. 3 durch die Auftragung des Winkels der Richtung leichter Magnetfeierbarkeit gegenüber einem willkürlichen Bezugspunkt abhängig vorne ausgeübten Druck dargestellte Die Kurve steigt, dass für Brücke unterhalb des mit P₁ bezeichneten Drucks die Richtung der leichten Magnetisierbarkeit nicht geändert wird· Beim Druck P₁ beginnt

der Winkel schnell anzuwachsen, um sein Maximum bei P₂ zu erreichen _r wo die Achse leichter Magnetisierbarkeit nun ia wesentlichen in der Druckrichtung liegt»

Wenn der Druck die oben beschriebene Änderung von Hull " bis zu einem ψ Ρ» übersteigenden Wert in einer Zeit t

durchführt, findet die plötzliche Winkeländerung von ^{von der durc}k^₀ dargestellten Lage, bis Ö

in einer Zeit von etwa t oder weniger statt. Wenn t

kurz im Vergleich zur Relaxationszeit des Spinsystems ist, präzedieren die Spins von der ursprünglichen Lage ion R"ef£ zur neuen Lage H_eff und erregen eine Strahlung bei der Frequenz Co =T Hl-ff · Es Bei darauf hingewiesen, dass die absolute Amplitude H₆^ nicht wesentlich verschieden von H_ej>£ ist· Wenn nun vom Übertrager 12 eine sinusförmige Druck schwingung auf die Kugel 1t ausgeübt wird, wird eine ist unstetige Änderung der Orientierung von H_ei£ erreicht· Erfindungsgämäss wird

vorgeschlagen, dass die Frequenz dieser Druckschwingung im Ultraschallbereich bei etwa 10 MHz liegt. Die Änderung der Orientierung der Achse leichter Magnetisierbarkeit J₀ findet in etwa 10*⁸ Sekunden statt. Da Materialien, ° wie Einkristalle aus Yttrium-Bisengranat, Relaxations-

CD C

ca zeiten von 10 Sekunden haben, bleibt die Präzessions- % bewegung, die während jedes Intervalls des schnell sich ^ ändernden inneren Felds hervorgebracht wird, im wesent- -* liehen unvermindert, bis die nächste Periode der Ultra- ^, schallschwingung die Präzession verstärkt· So wird eine stetige Abstrahlung von Mikrowellenenergie erzeugt* Die Präzessionsbewegung hat eine wählbare Frequenz inner-

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halb eines breiten Bereichs in den Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern, d.h.» eine Frequenz von mehreren Sausend KHz und höher*

Pig. 4 zeigt einen der zahlreichen möglichen Wege, wie dae Erfindungsprinzip auf WellenleiterausfÄhrungen angewendet werden kann· Sie zeigt ferner das wichtige Prinzip der statischen Druckvorspannung· Ein Hinweis auf Pig. 3 zeigt,, dass wertvolle Zeit und Erregungsenergie bei der Ausführung der Pig· 1 durch Änderung des Drucks in einem Bereich von Full bis zum Druck P^ verschwendet wird· Es wird somit vorgeschlagen, den Körper mit einem statischen Druck eben unterhalb des Drucks P₁ vorzuspannen· Damit wird die erforderliche Druckänderung v/es entlich herabgesetzt·

In Pig. 4 wird ein statischer Druck dadurch ausgeübt, dass die Kugel 11 mit einer Platte 40 aus dielektrischem Material hinterlegt v/ird«. Es wird ein leitend begrenzter Wellenleiterabsclinitt 41 mit kreisförmigem Querschnitt verwendet· Das rechte Ende des Leiters 41 ist mit der Nutzlast verbunden, während das linke Ende den Ultrasc^alltibertrager 12 enthält» Da der Übertrager 12 mit dem in Pig. 1 beschriebenen Übertrager identisch sein kann, werden entsprechende Bezugszahlen verwendet. Die Kugelfόπα der Elektrode 14 macht es möglich, die elektrisch und mechanisch mit dem Ende des Leiters 41 zu verbinden, so dass sie als leitende Endplatte des Leiters 41 dienen kann» Die Platte 40 hat die Form einer Scheibe und drückt die Kugel 11 mit dem gewünschten Vorspannungsdruck gegen das Ende des Druckfokussierungs-

teils 19. An der Platte 40 befindet sich eine Blende 42 co
ο aus leitendem Material, die einem Resonanzhohlraum

JJJ mit 14 in Leiter 41 bildet. Die Kugel 11 ist durch

ο das PeId H^₀ vormagnetisiert, das - wie oben beschrieben -

\ in geeigneter Weise in einem Winkel angelegt ist» Somit

° wird der Hohlraum durch die Kugel 11 in einer mehr

oder weniger zirkulär polarisierten Form erregt·

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Wenn auch die obige Untersuchung anhand ierromagnetisehtlr oder ferrimagnetiseher Materialien durchgeführt wurde, so sei doch bemerkt, dase das Erfindungsprinzip auch auf Materialien angewendet werden kann, die paramagnetisch sind, auch wenn die Erklärungen der Effekte in paramagnetisehen Materialien in herkömmlicher Weise in quantenmechanischen Ausdrücken vorgenommen werden· So wird das Ausüben von Druck anhand einer "ITullfeldaufspaltung" so beschrieben, dass ein Austausch der BeIe gung zwischen einer Reihe von Energieniveaus hervorgebracht wird· Es würde den Rahmen dieser Schilderung sprengen, die Differenzen der in der Technik benutzten Terminologie zu beseitigen· Es soll daher genügen, festzustellen, dass paramagnetische Materialien bekannte gyromagnetische Verhältnisse und bekannte Relaxationezeiten aufweisen, auf die die obige Untersuchung angewendet werden kann· Während gewöhnlich nicht gesagt wird, dass sie "Richtungen schwerer und leichter Magnetisierbarkeit" aufweisen, so haben sie doch "bekannte Richtungen, in denen das Ausüben von Druck die Energieniveauverteilung ändert, v/ase for die Zwecke der vorliegenden Erfindungkit der Änderung der Richtung leichter Magnetisierbarkeit gleichwertig ist_t Ein besonderes Beispiel für ein geeignetes paramagnetisches Material ist Gerium-Ethyl-Sulfat, von dem bekannt ist, dass es bei kleinen Verformungen eine grosae Nullfeldaufspaltung aufweist.

Der Pail der antiferromagnetischen Materialien liegt etwas anders· Die zur Verwendung dieses Materials notwendigen Änderungen sind in Pig* 5 dargestellt· Da J₀ die Einzelheiten des Ultraschallübertragers 12 mit ° denjenigen in Pig* 1 übereinstimmen, sind zur Bezeichoo nung entsprechender Teile entsprechende Bezugszahlen Ct) verwendet» Aus Pig· 5 ergibt sich, dass die Änderung ^ in der Orientierung des Körpers 51 aus antiferro— -v magnetischem Material besteht, ferner aus dem Micht-

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Vorhandensein eines Yormagnetisierungsfeldes und schliesslich aus der Orientierung der Abnahiueschleife 53« Insbesondere ist der Körper 51 so orientiert» dass die bekannte antiparallele Richtung des Materials in einem gewissen Winkel zur Richtung des Drucks vom Übertrager 12 liegt· Die antiparallele Richtung wurde oben als Richtung definiert, in der die einzelnen Untergitter des Materials, vorzugsweise in die Orientierung gebracht werden, die für antiferromagnetische Materialien typisch ist» Der optimale Winkel «wischen der Achse des Drucks und der antiparallelen Richtung kann nicht für sämtliche Materialien allgemein angegeben werden, da eil^rvon der Kristallsymmetrie des jeweils verwendeten Materials abhängt· Jedoch ist insbesondere von piezomagnetfeierungsexperiaenten bekannt, dass eine Verfomjrung in einer gegebenen Achse ein resultierendes magnetisches Moment in einer anderen gegebenen Achse erzeugt,_; und dass diese Achsen die von der Erfindung vorgeschlagenen Achsen sind. Ein bevorzugtes Beispiel für ein antiferr©magnetisches Material ist Kobaltfluorid, wobei die tetragonale Kristallstruktur dieses Materials in Pig· 5A dargestellt ist, wobei die herkömmlichen Koordinaten die verschiedenen Kristallachsen bezeichnen. Die antiparallele Achse 52 wird durch die Achsenfooi^ und foo gebildet, wobei die entgegengesetzt gerichteten Vektoren die antiparallele Ausrichtung der beiden Uhtergitter bezeichnen. Pur dieses Material (und für andere Materialien gleicher Kristallsymmetrie) bewirkt ein in der Achse [11o} ausgeübter Druck, dass sich die einzelnen Untergitter aus dem Antiparallelismus herausbewegen und ein resultierendes Moment in der Achse MOOT erzeugen. Daher ist in Pig. 5 die Achse 52, welche die antiparallele Richtung 1001] und 001 j darstellt so ausgerichtet, dass sie senkrecht zur Achse des Drucks liegt*

Bei der ferromjcgnetischen Ausführung der Pig· 1 erzeugte der Druck eine» Änderung in der Richtung

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des magnetokristellinen anisotropischen Feldern und des zugehörigen Momentes. Die Elektronen mussten daher von einer Lage ein eine andere präzedieren· Bei der vorliegenden antiferromagnetischen Ausführung besteht jedoch bei Hichtvorhandensdin von Druck kein resultierendes Moment· Beim Auftreten des in der Achse [/100] erzeugten Drucks präzedieren die Elektronen zurück in Ausrichtung» um die Sichtung jjOOlJ, und zwar während der Periode, die der Verformung mit der antiferromagnetischen Resonanzfrequenz folgt, vorausgesetzt, dass die •Periode der Verformung kurz im Vergleich zur Relaxationszeit ist» Wie bei der ferromagnetischen Resonanz beträgt die antiferromagnetisehe Resonanzfrequenz Co-Y ^_eff' wobei T das gyromagnetische Verhältnis für das antiferromagnetische Material und K_e£_£ das gesamte effektive magnetische leid im Material ist· Bei dieser Ausführung enthält H « die Austausch-Wechselwirkungs-Komponente Hg der magnetokristallinen Energie des antiferromagnetischen Materials, wie auch das anisotrope PeId H.,

wobei kein äusseres Feld vorgesehen ist. Jedoch kann die Eesonanzfrequenz durch das Vorhandensein eines äusseren Vormagnetisierungsfeldes EL, verändert werden, das in der antiparallelen Achsd Γθθΐ] liegt, wobei es zum kristallienn PeId addiert ode r von ihm subtrahiert wird, wie aus der Gleichung

± [^ha(²

^Heff = ^Hdo ± [^ha(^2hE

herwrgeht. Somit wird ersichtlich, dass zwei Resonaλ- ^ frequenzen erzielt werden, die um einen Betrag 2IfH₄₀ ο» getrennt sind und die beide Vektorsummen der Austausch- ° kraftkompenente des magnetokristallinen Feldes im "^ Material und des äusseren Vormagnetisierungsfeldes sind,

-» wenn ein derartiges PeId angelegt ist.

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Wie "bei den vorherigen Ausführungen erzeugen die präzediere.den Elektronen elektromagnetische Strahlungen, die von der Schleife 53 abgenommen wird, welche mit ihrer Ebene senkrecht zur Achse mOoJ oder zum Vekfor 52 der Pigβ 5 liegt. Diese Energie wird durch den Leiter 54 zur Belastung 55 geliefert. Selbstverständlich kann das Prinzip der statischen Druckvorspamnung und der V/ellenle it erkogplung, vie es in Pig. 4 dargestellt ist, entweder getrennt oder zusammen mit einer Ausführung der Erfindung mit antiferromagnetischen Resonanzmaterialien angewendet werden·

CX) O CD

Claims

im

Patentansprüche 1 41 6 4 7 O

ί 1.V Generator für hochfrequente Schwingungsenergie, enthaltend einen Körper aus Material mit einem anisotropisehen kristallinen Feld, das sich mit der Verformung des Materials ändert, ferner ai* aus einem Elektronensystem, das unter dem Einfluss von Änderungen dieses Feldes präzediert, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Körper ein verforiaender physikalischer Brück ausgeübt wird, der sich mit einer Ultraschallfrequenz ändert und dass elektromagnetische Scchwingungsenergie die durch die Elektronenpräzeseion mit wenigstens Mikrowellenfrequenz erzeugt wird, aus dem Körper ausgekoppelt wird.

2.) Schwingungsgenerator nach Anspruch 1, bei dem der Materialkörper ein bekanntes gyromagnetisches 3Teriiäl4iiJ.8_feine Relaxationszeit und ein inneres effektives magnetisches EeId aufweist, welches das anisotropische Feld und die Komponente eines an den Körper angelegten äusseren magnetischen PeMes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Körper ausgeübte verformende physikalische Druck iH einer Periode geändert wird, die kurz im Vergleich zur Relaxationszeit ist,und dass Mittel vorgesehen sind, um elektromagne tische Schwingungsenergie aus dem Körper mit einer Prequenz auszukoppeln, die im wesentlichen gleich dem gyromagnötischen Verhältnis multipliziert mit dem inneren effektiven magnetischen PeId ist«

co 3·) Schwingungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch Q gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um an den Körper ein konstantes ausseres magnetisches PeId ο anzulegen, wobei der Körper aus einem ferromagnetische J^ Wateirial besteht, für dass das innere effektive PeId ^ im wesentlichen aus der Vektorsumme des anisotropischen Feldes des Materials und des äusseren Peldes besteht*

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4.) Schwingungserzeuger naoh Anspruoh 2, aaturÖA gfekennaeiehnet, dass der Körper aus antlfe Material besteht, für dass das inner» eine funktion des Auetauechkraftfeldee des umfasst*

5.) Schwingungserzeuger naoh eine» der Aneprüohe, dadurch gekenntelohnet, dass eohllesBlioh eines Ultraeohallübertragers Bind» um auf dem Körper den verfonienden Druok auszuüben» der sioh mit ändert.

6.) Sohwingungsereeuger naoh Ansprach 1» I daduroh gekennzeichnet, dass Mittel wrgigehff l||(|_t um den Körper einer statischen setzen«

7«) Wellenerzeuger naoh Anspruoh 2 oder JJ gekennaeiohnet» dass das mit dem Körper ge Mittel aus einer Eopplungisohlel fe besteht» Ebene eioh parallel zur tlohtung de· angelegtin feldes eretreokt.

8·) Wellenerzeuger naoh Anspruoh 2 oder 9» gekennzeichnet, dass das mit dem Kgrper gekoppelte Mittel aus einem Beeonator mit ein«** leltungsbgrensten Hohlraum besteht, der den umgibt·

9.) Schwingungserzeuger naoh Anspruch 2 oder 3» bei dem der Materialkörper Aohsen leichter und eihwerer Magnetisierbarkeit aufweist» die dadurch geändert werden» dass das Material eltter ausgesetzt wird» dadurch gekennzeichnet, dass Kittel -vorgesehen sind» um an den Körper ein nagaetiSohe* feld unter einem spitzen Winkel «ur Achse

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mit leiokter Magnetisierbarkeit anzulegen, und dass Mittel vorgesehen sind, um auf den Körper einan periodisohen Druck in einer Achse schwerer Magnetisierbarkeit auszuüben, so dass das mit dem Körper gekoppelt· Mittel von dem Körper abgestrahlte elektromagnetische Schwingungeenergie abnehmen kann·

10«) Schwingungserzeuger nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine Kugel aus Yttrium-Bieengranat ist.

11·) Schwingungserzeuger nach Anspruch 1,2 oder 4, bei dem der Körper aus antiferromagnetisehem Material besteht, das» eine Achse mit antiparalleler Untergitterausriohtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um auf den Körper einen periodischen Druck in einer Richtung auszuüben, die su dieser Achse senkrecht liegt, so dass eib mit dem Körper gekoppeltes Mittel von dem Körper abgestrahlte Schwingungeenergie abnehmen kann.