DE1416470B2 - Generator für hochfrequente Schwingungsenergie mit einem Körper aus einem ein magnetokristallines Feld aufweisenden Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator für hochfrequente Schwingungsenergie mit einem Körper aus einem Material, das ein sich mit der Verformung änderndes anisotropes magnetokristallines Feld und ein Elektronenspinsystem aufweist, das unter dem Einfluß von Änderungen des anisotropen Feldes für eine gegebene Relaxationszeit präzediert.

Es ist bekannt, daß hochfrequente Impulse durch Ausnutzung der gyromagnetischen Effekte erzeugt werden können, die in Materialien beobachtet werden, welche paramagnetisch, ferromagnetisch oder ferrimagnetisch sind. Bei Anlegen eines magnetischen Gleichfelds, das nachfolgend als Vormagnetisierungsfeld bezeichnet wird, werden die Achsen der Elektronenspins in diesen'Materialien zum Feld ausgerichtet. Wenn die Spinachse momentan aus dieser Lage zum Vormagnetisierungsfeld abgelenkt wird, kehrt sie nicht unmittelbar in ihre ursprüngliche Lage zurück, sondern präzediert um_; das Vormagnetisierungsfeld mit einer Frequenz, die der Größe des Vormagnetisierungsfeldes proportional ist. Diese Frequenz wird gyromagnetische Resonanzfrequenz genannt. Der Gleichgewichtszustand kann gegebenenfalls durch verschiedene dämpfende Faktoren in einem Zeitraum wiederhergestellt werden, der als Relaxationszeit des Spinsystems bezeichnet wird.

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

In der Praxis ist es jedoch offensichtlich sehr schwierig, eine ausreichende Änderung der notwendigen großen Vormagnetisierungsfelder hervorzubringen und diese Änderung mit äußeren Spulen oder ähnlichen felderzeugenden Mitteln in einer ausreichend 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 Mikrowellerienergie. Es wäre z.B. notwendig, Feldänderungen von mehreren 100 Oersted in einer Zeit von etwa 10~⁸ Sekunden zu erzeugen, eine Forderung, die ohne äußerst aufwendige Einrichtungen zu erfüllen unmöglich ist..!;, . -

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß ein physikalischer oder mechanischer verformender Druck, der auf ein anisotropes Material ausgeübt wird, die magnetokristalline anisotrope Energie des Materials ändert. Da die kristalline Energie ein gleichwertiges. magnetisches Feld darstellt, das gleich der zweiten Ableitung der Energie nach der Orientierung ist, ist die Wirkung auf die magnetischen Spins im wesentlichen der Wirkung der Abstoßung des äußeren magnetischen Feldes identisch. Insbesondere ändert ein verformender Druck die Richtung und/oder 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 anisotropes Material ein Material ist, dessen magnetische Eigenschaften in verschiedenen Richtungen verschieden sind, so daß die Magnetisierung die Tendenz hat, in gewisse definierte kristallographische Achsen gerichtet zu werden. ,, ·..-..·■.

Anders gesagt, bewirkt das Ausüben eines Druckes auf das Material, daß die Spinachse durch Änderung des anisotropen Feldes des Materials abgelenkt wird. Die abgelenkte Achse präzediert dann um das effektive innere Magnetfeld mit einer Frequenz, die der Größe des Feldes proportional ist. Der Ausdruck »magnetokristallines anisotropes Feld« ist dabei definiert als ein effektives Magnetfeld, das gleich der zweiten Ableitung der magnetokristallinen Energie mit Bezug auf ihre Ausrichtung ist.

. Das Prinzip der Erfindung kann mit irgendeinem Material ausgeführt werden, das starke magnetostriktive Effekte zeigt, d. h. eine Änderung der magnetokristallinen Struktur 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 kristalliner fester Körper, welche Atome mit unkompensierten Spins (', enthalten, aus der Summe von drei Komponenten besteht: Die Energie infolge der Spinbahn-Wechselwirkung, die Energie infolge der Wechselwirkung Dipol zu Dipol und die Energie der Austauschwechselwirkung zwischen benachbarten Spins.

In paramagnetischen Materialien ist die Austauschenergie klein, während die Energie Dipol — Dipol und/oder die Spinbahnenergie dadurch wesentlich sind, daß sie sogenannte Nullfeldaufspaltung oder magnetische Anisotropie zeigen. In ferromagnetischen, ferrimagnetischen und antiferromagnetischen 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. Bei ferromagnetischen und ferrimagnetischen Materialien entsteht hierdurch ein großes magnetisches Moment infolge der Spins zahlreicher zusammenwirkender Atome, während in antiferromagnetischen Materialien die Spins, in zwei gleiche antiparallele Untergitter aufgeteilt werden, deren magnetische Momente sich gerade neutralisieren, / so daß das Material kein bemerkbares äußeres magne- v tisches Moment aufweist. Sogar in Materialien mit großer Austauschenergie bestimmt die Energie Dipol zu Dipol und/oder die Spinbahnenergie die anisotrope Energie und die speziellen kristallographischen Richtungen, in denen die Spins eines oder mehrerer Untergitter vorzugsweise liegen. Andererseits bestimmt die Austauschenergie das Ausmaß, in dem die Spins benachbarter Atome sich zueinander auszurichten (parallel oder antipaf allel) suchen.
: Diese Eigenschaften ergeben die Resonanzfrequenz des Materials in folgender Weise. In ferromagnetischer und ferrimagnetischer Resonanz wirken sämtliche Spins bei einer Resonanzfrequenz zusammen, die einer magnetischen Feldfunktion proportional ist, welche als inneres effektives Feld H_eit bezeichnet wird und welches im wesentlichen aus der Vektorsumme des äußeren Vormagnetisierungsfeldes und des anisotropen 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 H_ea durch eine später bestimmte Funktion ausgedrückt wird, die einen Ausdruck enthält, der auch das Austauschenergiefeld darstellt.

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Dies Austauschfeld ist so groß, daß der Beitrag des nutzten Materialien Magnetostriktion und mit ihr in von außen angelegten Feldes zur Resonanzfrequenz Beziehung stehende Effekte aufweisen, darf das Prinzip klein ist, so daß das äußere Feld zur Erzeugung einer der Erfindung nicht mit piezomagnetischen, piezo-Resonanz bei hohen Mikrowellenfrequenzen in anti- elektrischen, magnetostriktiven oder anderen ähnlichen ferromagnetischen Materialien nicht wesentlich ist. 5 Einrichtungen verwechselt werden, bei denen gewöhn-

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, lieh die Eigenschaften dieser Materialien ausgenutzt den kristallinen Aufbau ferromagnetischer, ferri- werden. Diese Einrichtungen gleichen insofern dem magnetischer, paramagnetischer oder antiferromagne- Erfindungsprinzip, als ein periodischer mechanischer tischer Materialien mechanisch zu beanspruchen oder Druck benutzt wird, um periodische elektrische zu verformen, um dadurch das magnetokristalline io Energie zu erzeugen. Jedoch ist es wichtig, sich ins anisotrope Feld innerhalb des Materials zu ändern und Gedächtnis zurückzurufen, daß die Frequenz der auf die entstehende Präzession der Achse des Elektronen- diese Weise erzeugten elektrischen Energie die gleiche spins zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen- ist wie die Frequenz der mechanischen Änderung. Im energie zu benutzen. . Gegensatz dazu erzeugt entsprechend der vorliegenden

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von 15 Erfindung eine mechanische Änderung mit verhältniseinem Generator der eingangs genannten Art und ist mäßig niedriger Frequenz eine elektromagnetische dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler vorgesehen Wellenenergie, deren Frequenz vielfach größer ist. :l: ist, der an den Körper einen diesen verformenden, sich _: F i g. 1 der Zeichnungen zeigt eine schematische mit einer Ultraschallfrequenz, deren Periode klein Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei gegen die Relaxationszeit ist, ändernden Druck anlegt, 20 dem die Eigenschaften von ferromagnetischen, ferrium das anisotrope Feld zu ändern und so durch die magnetischen oder paramagnetischen Materialien aus-Elektronenspinpräzession elektromagnetische Schwin- genutzt werden; ; ■■· - ,

gungsenergie mit Mikrowellenfrequenz zu erzeugen, . F i g. IA zeigt eine Darstellung der Kristallstruktur und daß eine Kopplungseinrichtung vorgesehen ist, eines bevorzugten kubischen Materials für die Ausdie die Schwingungsenergie von dem Körper ab- 25 führung der Fi g. 1; ■..■■- -

koppelt. Fig. 2 zeigt ein Polardiagramm einer typischen

Damit wird ein einfacher Generator für Mikro- anisotropen Energieoberfiäche, das zur Erklärung verwellenenergie geschaffen, der als primäre Energiequelle wendet wird; :. ■ -

zum Pumpen von Masern, und parametrischen Ver- ._; Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Verstärkern für Radarsysteme mit hoher Auflösung oder 30 Schiebung der Magnetisierung mit dem Druck; auch für irgendwelche anderen Anwendungen benutzt . F i g. 4 zeigt, wie das Erfindungsprinzip auf einen werden kann. Es lassen sich sowohl Impulse hoch- leitend begrenzten Wellenleiter angewendet werden frequenter Schwingungsenergie im Mikrowellen- oder kann; -

Millirneterwellenbereich als auch eine kontinuierliche Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Aus-

Strahlung erzeugen. Dabei wird niederfrequente 35 führungsbeispiels der Erfindung, bei der die Eigenakustische Ultraschallenergie direkt in hochfrequente schäften von antiferromagnetischen Materialien aus-Schwingungsenergie umgewandelt. . genutzt werden; ..- -.-v.: .... ■..:;.■ -v

Insbesondere wird bei den beschriebenen ferro- Fig. 5A zeigt eine Darstellung eines Kristalls eines

magnetischen und ferrimagnetischen Ausführungsbei- bevorzugten Materials mit tetragonalem Aufbau für spielen der Druck entlang der Achse schwerer Magneti- 4° die Ausf ührung der F i g. 5. ■·. . ■·.-., ;:; r;

sierbarkeit eines Körpers ausgeübt, der durch ein - _:Es sei insbesondere auf Fig. 1 eingegangen. Hier statisches magnetisches Feld in einem spitzen Winkel sind die Grundbestandteile eines Ausführungsbeispiels zur Achse leichter Magnetisierbarkeit vormagnetisiert eines ferromagnetischen, ferrimagnetischen oder para-f ist. Dieser Druck bringt eine Verschiebung der Lage magnetischen Schwingungserzeugers entsprechend der des anisotropen Feldes hervor und damit eine Ver- 45 Erfindung schematisch dargestellt. Die Kugel 11 stellt Schiebung der Lage des gesamten magnetischen das aktive Materialelement dar, das mechanisch mit Moments des Materials. Eine Elektronenpräzession einem Ultraschallübertrager 12 verbunden: ist. Bei von der ursprünglichen Lage in die . neue Lage des dieser Ausf ührung kann die Kugel 11 aus einem nicht-= Moments erzeugt eine Abstrahlung bei der ferro- leitenden hoch.; anisotropen magnetischen Material magnetischen Resonanzfrequenz des Materials. Bei 5° hergestellt sein, das ausgesprochene piezomagnetische der antiferromagnetischen Ausführung wird der Druck Effekte und außerdem gyromagnetische Effekte bei den entlang einer Achse ausgeübt, die in einem Winkel zur Mikrowellenfrequenzen und oberhalb derselben zeigt, antiparallelen Richtung liegt, d. h. zu derjenigen Rieh- Zum Beispiel kann es eins der kubischen ferrimagnetung, in der.die einzelnen Untergitter ursprünglich tischen Spinells sein, wie Einkristallferrit, ferner.ein ausgerichtet sind. Hierdurch wird bewirkt, daß eins 55 ferrimagnetischer hexagonaler Kristall wie Ferroxdur, oder mehrere Untergitter aus der antiparallelen Lage ferner eins der ferrimagnetischen .Materialien wie herausbewegt werden und daß ein resultierendes Yttriumeisengranat oder schließlich eines der zahl-Moment in der Ebene erzeugt wird, die senkrecht zu reichen ferromagnetischen oder paramagnetischen der antiparallelen Achse liegt. Die Elektronen präze- Materialien. Bei der hier beschriebenen speziellen dieren während der Übergangsperiode nach der Ver- 60 Ausführung ist angenommen, daß die Kugel 11 'in formung zurück in .die Ausrichtung, wenn die Unter- einer ihrer bevorzugten Formen aus einem Einkristall gitter in den Gleichgewichtszustand mit ihrer Um- aus Yttriumeisengranat besteht. . - ^e

gebung zurückkehren, und sie strahlen während dieser · Die Form des Elements 11 ist als kugelförmig ange-: Periode elektromagnetische Wellenenergie mit der geben, wobei diese Form zur Zeit die bevorzugte Form antiferromagnetischen Resonanzfrequenz ab. Diese 65 zu sein scheint, doch soll bemerkt werden, daß die Abstrahlung findet statt, gleichgültig, ob das Material genaue Form von einer, komplizierten Beziehung durch ein äußeres Feld vormagnetisiert ist oder nicht. zwischen den entmagnetisierenden Effekten im Element Obwohl die zur Durchführung der Erfindung be- und dem physikalischen Ansprechen des Elements auf

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Druckschwingungen abhängt. Daher muß die genaue ständlich zu machen, daß die anisotrope Energie eines

Form in einem besonderen Fall durch empirische Ver- ferromagnetischen Kristalls in solcher Weise wirkt,

fahren bestimmt werden. Sie kann linsenförmig, ei- daß sich die Magnetisierung in bestimmte definierte

förmig, quadratisch oder rechteckig sein. Die Größe kristallographische Achsen zu richten sucht, die Rich-

der Kugel 11 ist derart, daß sie mechanisch bei Ultra- 5 tungen leichter Magnetisierbarkeit genannt werden,

schalldruckwellen in Resonanz kommt, sie hängt also Die Richtungen, in denen die Magnetisierung der

von der Frequenz der Druckwellen und ihrer Wellen- Kristalle äußerst schwierig ist, werden Richtungen

länge innerhalb des Materials ab. Insbesondere hat schwerer Magnetisierbarkeit genannt. Früher wurden

man festgestellt, daß eine Yttriumeisengranatkugel von diese Richtungen empirisch bestimmt. Nunmehr ist

etwa 0,038 cm Durchmesser bei etwa 10 MHz in io jedoch die Lage dieser Richtungen in bezug auf die

Resonanz kommt. Eine derartige Resonanz verstärkt Kristallstruktur für jeden Kristall bekannt. Sie kann in

die Druckänderungen des Kristallgitters des Mate- Standardwerken gefunden werden. Zum Beispiel liegt

rials. die Richtung leichter Magnetisierbarkeit eines hexa-

Die Kugel 11 wird akustisch durch geeignete Mittel gonalen Kristalls im allgemeinen in der hexagonalen

zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen von z. B. 15 Achse, während die Richtung schwerer Magnetisier-

etwä 10' Hz erregt. Ein bevorzugtes Verfahren besteht barkeit im rechten Winkel zu dieser Achse liegt. Dies

darin, einen Übertrager 12 zu verwenden, von dem kann sich jedoch bei Vorhandensein gewisser Zusätze

zahlreiche Typen bekannt sind, bei denen geeignete ändern. Fig. IA zeigt die Kristallstruktur und die

Materialien mit starken piezoelektrischen Effekten herkömmlich bezeichneten Achsen für den besonderen

verwendet werden, z. B. Quarz oder Bariumtitanat. 20 Fall eines kubischen Yttriumeisengranats. So sind die

Zum Beispiel sind mehrere derartiger Übertrager und Würfelkanten als Achsen [100], [010] und [001] be-

ihre Arbeitsweise in dem Buch »Piezoelectric Crystals zeichnet. Sie sind die Richtungen schwerer Magneti- ^

and; their application to Ultrasonics« von W. P. sierbarkeit. Die Körperdiagonalen sind mit [111] be- (C

Mason beschrieben. In dem dargestellten Aus- zeichnet. Sie sind äquivalente Achsen und die Rich-

führungsbeispiel besteht der Übertrager 12 aus einem 25 tungen leichter Magnetisierbarkeit.

Segment 13 aus Bariumtitanat, das als kreisförmiges Unter Berücksichtigung der Richtungen leichter und

Segment einer kugelförmigen Schale ausgebildet ist. schwerer Magnetisierbarkeit des Materials der Kugel 11

Die vom Übertrager 12 erzeugte Ultraschallfrequenz und Orientierung der Kugel derart, daß die Richtung

ist durch die Resonanzdicke des Segments 13 be- schwerer Magnetisierbarkeit [100] mit dem Druck des

stimmt. Man hat festgestellt, daß für eine Resonanz 30 Teils 19 ausgerichtet ist, werden Mittel zum Anlegen

von .10 MHz die Dicke des Bariumtitanats etwa eines konstanten, in einer Richtung liegenden Vor-

0,25 cm betragen soll. Gleichgeformte Elektroden 14 magnetisierungsfeldes an das Element 11 in einem

und 15 aus dünnem leitendem Material sind mit der Winkel zwischen den Richtungen schwerer und leichter

inneren und der äußeren Oberfläche des Segments 13 Magnetisierbarkeit vorgesehen. In F i g. 1 ist die Rich-

vexbunden. Die Elektroden 14 und 15 sind mit den 35 tung leichter Magnetisierbarkeit durch den Vektor 20

Leitern der Koaxialleitung 16 verbunden, die ihrerseits und die Richtung des Vormagnetisierungsfelds durch

an eine elektrische Quelle 17 für Wellenenergie mit den Vektor H_dc dargestellt. Das genaue Mittel zum

Ultraschallfrequenz angeschlossen ist. Hervorbringen dieses Feldes ist nicht dargestellt, da es

Um die Energie auf die Kugel 11 zu konzentrieren, dadurch erzeugt werden kann, daß das Element 11

enthält der Übertrager 12 weiterhin ein Fokussierteil 40 zwischen den Polschuhen einer geeigneten Zylinder-

19, das die mechanische Verbindung zwischen dem spule oder eines Permanentmagneten angeordnet wird.

Segment 13 und der Kugel 11 herstellt. In der darge- Die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes ist derart,

stellten Ausführung hat das Teil 19 die Form eines daß das Element 11 wenigstens gesättigt wird, und

Konus aus dichtem dielektrischem Material, z. B. aus geht über die Sättigung so weit hinaus, daß eine gyro- C

geschmolzener Kieselerde oder geschmolzenem Quarz, 45 magnetische Resonanz im Element 11 bei der Fre-

wobei der Konus eine kugelförmige Grundfläche auf- quenz der gewünschten Ausgangsmikrowellenenergie

weist, die an die Elektrode 14 angepaßt und geeignet erzeugt wird.

mit ihr verbunden ist. Das entgegengesetzte Ende ist Es sind Mittel zur Kopplung mit dem magnetischen

etwas abgeschnitten, so daß es sich an die Kugel 11 Fluß vorgesehen, der durch die entstehende Elek-

anpaßt. . ' 5° tronenspinpräzession im Element erzeugt wird und

.: Es ist von besonderer Wichtigkeit, daß die Kugel 11 um die so erzeugte Energie an eine Nutzbelastung zu in der Achse der schweren Magnetisierbarkeit orien- liefern. Die Kopplung kann aus einem koaxialen tiert ist, die in der Richtung des Drucks liegt, und Leiter 21 bestehen, der in einer kleinen Schleife 22 in zwar aus Gründen, die später eingehend geschildert unmittelbarer Nähe des Elements 11 endet. Da die werden. In F i g. 1 ist die Achse schwerer Magnetisier- 55 zeitveränderliche Komponente des Flusses im wesentbarkeit des Körpers 11 durch den Vektor 18 bezeich- liehen senkrecht zum Vormagnetisierungsfeld vorhannet, der so orientiert ist, daß er mit der konischen den ist, liegt die Ebene der Schleife 22 im wesentlichen Achse des Teils 19 zusammenfällt. Man hat festgestellt, parallel zum Vormagnetisierungsfeld Hacdaß sich ein Epoxydharz oder ein Gummizement zur Die Größe der Schleife 22 und ihr Abstand vom Verbindung des Körpers 11 mit dem abgeschnittenen 60 Element 11 sind derart, daß ein Zustand fester Kopp-Ende des Teils 19 in dieser Orientierung eignet. Ein ge- lung hervorgebracht wird. Für diesen Zustand ist die eignetes, hier nicht dargestelltes Haltemittel kann ent- Strahlungsdämpfung etwa gleich der Spingitterdänvpsprechend der üblichen Praxis an der Basis des Teils 19 fung und entspricht einer vollkommenen Anpassung vorgesehen sein. zwischen dem elektromagnetischen Aufbau und dem 'Es würde den Rahmen dieser Schilderung sprengen, 65 kugelförmigen Körper bei ferromagnetischer Resodie. Kristallographie der zahlreichen Materialien dar- nanz. Dies ergibt den maximalen Energieübergang zu zulegen, die zur Durchführung der Erfindung ver- der durch 23 dargestellten Nutzbelastung, die mit dem wendet werden können. Jedoch ist es notwendig, ver- anderen Ende der Koaxialleitung 21 verbunden ist.

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In der Praxis sind die Kugel 11, die Schleife 22 und die Achse leichter Magnetisierbarkeit nun im wesent-

der Übertrager 12 ganz oder teilweise in einer leitenden liehen in der Druckrichtung liegt.
Abschirmung enthalten, die einen Teil der Kopplung Wenn der Druck die oben beschriebene Änderung

zwischen der Schleife 22 und der Kugel 11 bilden kann. von Null bis zu einem P₂ übersteigenden Wert in einer

Bei gewissen später zu beschreibenden Ausführungen 5 Zeit t durchführt, findet die plötzliche Winkeländerung

hat diese Abschirmung die Form eines Resonanzhohl- von H_ett von der durch Θ_ο dargestellten Lage bis @_max

raums, der selbst das Kopplungsmittel zur Abnahme _{in einer Zeit von etwa} ^ oder weniger statt. Wenn 4 der erzeugten Energie liefert. .; , 10 ⁶ 10

Nachdem die Teile und ihre Zusammensetzung ent- kurz im Vergleich zur Relaxationszeit des Spinsystems

sprechend der Erfindung beschrieben wurden, soll nun io ist, präzedieren die Spins von der ursprünglichen Läge

auch die bevorzugte Arbeitsweise und auch auf die zu- von Hen zur neuen Lage H^ und erregen eine Strah-

grunde liegende Theorie eingegangen werden. In lung bei der Frequenz ω = γ H^. Es sei darauf hin-

F i g. 2 stellt die ausgezogene Kurve 31 ein Polardia- gewiesen, daß die absolute Amplitude H^ nicht

gramm der anisotropen Energieoberfläche eines kubi- wesentlich verschieden von Hl_e ist. Wenn nun vom

sehen Kristalls in unbeanspruchtem Zustand dar. Die 15 Übertrager 12 eine sinusförmige Druckschwingung auf

durch [100] dargestellte Achse schwerer Magnetisier- die Kugel 11 ausgeübt wird, wird eine fast unstetige

barkeit hat die größte anisotrope Energie. Die durch Änderung der Orientierung von H_eu erreicht. Erfin-

[111] dargestellte Achse leichter Magnetisierbarkeit dungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Frequenz

hat die kleinste anisotrope Energie. Die anisotrope dieser Druckschwingung im !Ultraschallbereich bei

Energie in der Achse [111] kann ungefähr durch ein 20 etwa 10 MHz liegt. Die Änderung der Orientierung

,. , ~ ,, . , _, .. „ K₁ , ^ „_x der Achse leichter Magnetisierbarkeit findet in etwa

magnetisches Feld mit der Große -£ dargestellt wer- ₁₀__{8 Sekunden statt}_ _D ^s _a Materialien wie Einkristalle

den, wobei .K₁ der erste Ausdruck der anisotropen aus Yttriumeisengranat Relaxationszeiten von 10~⁶ Se-

Konstante und M die Magnetisierung ist. Wenn somit künden haben, bleibt die Präzessionsbewegung, die

das Vormagnetisierungsfeld Hde in einem Winkel zur 25 während jedes Intervalls des schnell sich ändernden

Achse [111] leichter Magnetisierbarkeit angelegt wird, inneren Feldes hervorgebracht wird, im wesentlichen

ist das gesamte effektive Feld H_eti innerhalb des Mate- unvermindert, bis die nächste Periode der Ultraschall-

. , ,. ,, , . „ ,K₁ , , . schwingung die Präzession verstärkt. So wird eine

rials die Vektorsumme von H_dc und -^ und kann m _gtetige ^s _Abs ^s _{trahlung von} Mikrowellenenergie erzeugt.

_. „ , j ' ■■■„,' _rr . , _TT '■' j K₁ 30 Die Präzessionsbewegung hat eine wählbare Frequenz

F1 g. 2 durch, den Vektor H_ell zwischen H_dc und -£ _{imerhalb eines brdt}|_n f _{βΓΑ in den} Mikrowellen_{imerhalb eines brdt}|_n f _{βΓΑ in den} Mikrowellendargestellt werden. Wenn das Vormagnetisierungsfeld und Millimeterwellenbändern, d. h. eine Frequenz von angelegt wird, präzedieren die Elektronenspins um mehreren tausend MHz und höher.
Heu während der effektiven Spinrelaxationszeit mit F i g. 4 zeigt einen der zahlreichen möglichen Wege, einer Frequenz ω — γ Hen, wobei γ das gyromagne- 35 wie das Erfindungsprinzip auf Wellenleiterausf ühruntische Verhältnis ist. Nach der Relaxationszeit stellt gen angewendet werden kann. Sie zeigt ferner das Heu die Gleichgewichtslage der Spins dar. wichtige Prinzip der statischen Druckvorspannung. Wenn nun ein Druck entlang der Achse schwerer Ein Hinweis auf F i g; 3 zeigt,; daß wertvolle Zeit und Magnetisierbarkeit.des Materials ausgeübt wird, wird Erregungsenergie bei der Ausführung der Fig. 1 die anisotrope Energieoberfläche geändert. Bei An- 4° durch Änderung des Drucks in einem Bereich von legen eines kleinen Drucks erscheint eine Einbuchtung, Null bis zum Druck P₁ verschwendet wird. Es wird soz. B. bei 32 in F i g. 2, in der anisotropen Energiekurve mit vorgeschlagen, den Körper mit einem statischen entlang der Druckachse. Dieser kleine Druck ändert Druck eben unterhalb des Drucks P₁ vorzuspannen, die Richtung der Magnetisierung des Materials nicht. Damit wird die erforderliche Druckänderung wesent-Wenn der Druck jedoch vergrößert wird, wird die Ein- 45 lieh herabgesetzt.

buchtung 32 tiefer, und eventuell wird das durch den In F i g. 4 wird ein statischer Druck dadurch ausge-

Druck hervorgerufene Minimum die niedrigste Ener- übt, daß die Kugel 11 mit einer Platte 40 aus dielektri-

gielage. Dieser Zustand wird durch die gestrichelte schem Material hinterlegt wird. Es wird ein leitend

Kurve 33 dargestellt, welche das neue anisotrope begrenzter Hohlleiterabschnitt 41 mit kreisförmigem

Energiesystem unter Beanspruchung zeigt. Dann wird 5° Querschnitt verwendet. Das rechte Ende des Leiters 41

ziemlich plötzlich die Magnetisierung des Körpers in ist mit der Nutzlast verbunden, während das linke

eine neue Lage gebracht, wobei nunmehr die Achse Ende den Ultraschallübertrager 12 enthält. Da der

leichter Magnetisierbarkeit in der Druckachse liegt. Übertrager 12 mit dem in Fi g. !beschriebenen Über-

Das gesamte effektive Feld ist nunmehr die Vektor- trager identisch sein kann, werden entsprechende

„ jj · j. τ- υ K₁ 55 Bezugszahlen verwendet. Die Kugelform der Elek-

summe von H_dc und dem neuen anisotropen Feld-^, _trodff_{14 macht es möglich> sie eh}{_tnsc^ _{und mecha}.

wie es in F i g. 2 durch den Vektor Hl_n gezeigt ist, der nisch mit dem Ende des Leiters 41 zu verbinden, so daß

eine neue Gleichgewichtslage darstellt. sie als leitende Endplatte des Leiters 41 dienen kann.

Die Art und Weise, .wie diese Verschiebung in die Die Platte 40 hat die Form einer Scheibe und drückt

Richtung leichter Magnetisierbarkeit stattfindet, ist in 60 die Kugel 11 mit dem gewünschten Vorspannungs-

F i g. 3 durch die Auftragung des Winkels der Rieh- druck gegen das Ende des Druckfokussierungsteils 19.

tung leichter Magnetisierbarkeit gegenüber einem will- An der Platte 40 befindet sich eine Blende 42 aus

kürlichen Bezugspunkt abhängig vom ausgeübten leitendem Material, die einen Resonanzhohlraum mit

Druck dargestellt. Die Kurve zeigt, daß für Drücke 14 im Leiter 41 bildet. Die Kugel 11 ist durch das

unterhalb des mit P₁ bezeichneten Drucks die Richtung 65 Feld H_dc vormagnetisiert, das — wie oben beschrie-

der leichten Magnetisierbarkeit nicht geändert wird. ben — in geeigneter Weise in einem Winkel angelegt ist.

Beim Druck P₁ beginnt der Winkel schnell anzu- Somit wird der Hohlraum durch die Kugel 11 in einer

wachsen, um sein Maximum bei P₂ zu erreichen, wo mehr oder weniger zirkulär polarisierten Form erregt.

Claims (1)

1. 9 10

   Wenn auch die obige Untersuchung an Hand ferro- Antiparallelismus herausbewegen und ein resultierenmagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien durch- des Moment in der Achse [100] erzeugen. Daher ist in geführt wurde, so sei doch bemerkt, daß das Erfin- F i g. 5 die Achsej>2, welche die antiparällele Richdungsprinzip auch auf Materialien angewendet werden tung [001] und [001] darstellt, so ausgerichtet, daß sie kann, die paramagnetisch sind, auch wenn die Er- 5 senkrecht zur Achse des Drucks liegt.
   klärungen der Effekte in paramagnetischen Materialien Bei der ferromagnetischen Ausführung der F i g. 1 in herkömmlicher Weise in quantenmechanischen Aus- erzeugte der Druck eine Änderung in der Richtung drücken vorgenommen werden. So wird das Ausüben des magnetokristallinen anisotropen Feldes und des von Druck an Hand einer »Nullfeldaufspaltung« so zugehörigen Momentes. Die Elektronen müssen daher beschrieben, daß ein Austausch der Belegung zwischen io von einer Lage in eine andere präzedieren. Bei der voreiner Reihe von Energieniveaus hervorgebracht wird. liegenden antiferromagnetischen Ausführung besteht Es würde den Rahmen dieser Schilderung sprengen, jedoch bei NichtVorhandensein von Druck kein resuldie Differenzen der in der Technik benutzten Termi- tierendes Moment. Beim Auftreten des in der Achse nologie zu beseitigen. Es soll daher genügen, festzu- [100] erzeugten Drucks präzedieren die Elektronen zustellen, daß paramagnetische Materialien bekannte 15 rück in Ausrichtung um die Richtung [001], und zwar gyromagnetische Verhältnisse und bekannte Relaxa- während der Periode, die der Verformung mit der tionszeiten aufweisen, auf die die obige Untersuchung antiferromagnetischen Resonanzfrequenz folgt, vorangewendet werden kann. Während gewöhnlich nicht ausgesetzt, daß die Periode der Verformung kurz im gesagt wird, daß sie »Richtungen schwerer und leichter Vergleich zur Relaxationszeit ist. Wie bei der ferro-Magnetisierbarkeit« aufweisen, so haben sie doch be- 20 magnetischen Resonanz beträgt die antiferromagnekannte Richtungen, in denen das Ausüben von Druck tische Resonanzfrequenz ω = γ H_ett, wobei γ das die Energieniveauverteilung ändert, was für die Zwecke gyromagnetische Verhältnis für das antiferromagneder vorliegenden Erfindung mit der Änderung der tische Material und Hm das gesamte effektive magne-Richtung leichter Magnetisierbarkeit gleichwertig ist. tische Feld im Material ist. Bei dieser Ausführung ent-Ein besonderes Beispiel für ein geeignetes paramagne- as hält H_ett die Austausch-Wechselwirkungskomponente tisches Material ist Cerium-Ethyl-Sulfat, von dem He der magnetokristallinen Energie des antiferrobekannt ist, daß es bei kleinen Verformungen eine magnetischen Materials wie auch das anisotrope große Nullfeldaufspaltung aufweist. Feld Ha, wobei kein äußeres Feld vorgesehen ist.

   Der Fall der antiferromagnetischen Materialien Jedoch kann die Resonanzfrequenz durch das Vorliegt etwas anders. Die zur Verwendung dieses Mate- 3° handensein eines äußeren Vormagnetisierungsfeldes rials notwendigen Änderungen sind in F i g. 5 darge- Hac verändert werden, das in der antiparallelen Achse stellt. Da die Einzelheiten des Ultraschallübertragers 12 [001] liegt, wobei es zum kristallinen Feld addiert oder mit denjenigen in F i g. 1 übereinstimmen, sind zur von ihm subtrahiert wird, wie aus der Gleichung
   Bezeichnung entsprechender Teile entsprechende Be- _{H = ff ± [H (2 H + H)]Ui = f}
   zugszahlen verwendet. Aus F1 g. 5 ergibt sich, daß die 35 ^{L v n Ir}
   Änderung in der Orientierung des Körpers 51 aus hervorgeht. Somit wird ersichtlich, daß zwei Resonanzantiferromagnetischem Material besteht, ferner aus frequenzen erzielt werden, die um einen Betrag 2 γ Hac dem NichtVorhandensein eines Vormagnetisierungs- getrennt sind und die beide Vektorsummen der Ausfeldes und schließlich aus der Orientierung der Ab- tauschkraftkomponente des magnetokristallinen Feldes nahmeschleife 53. Insbesondere ist der Körper 51 so 40 im Material und des äußeren Vormagnetisierungsorientiert, daß die bekannte antiparallele Richtung des feldes sind, wenn ein derartiges Feld angelegt ist.
   Materials in einem gewissen Winkel zur Richtung des Wie bei den vorherigen Ausführungen erzeugen die Drucks vom Übertrager 12 liegt. Die antiparallele präzedierenden Elektronen elektromagnetische Strah-Richtung wurde oben als Richtung definiert, in der die lung, die von der Schleife 53 abgenommen wird, einzelnen Untergitter des Materials vorzugsweise in 45 welche mit ihrer Ebene senkrecht zur Achse [100] oder die Orientierung gebracht werden, die für antiferro- zum Vektor 52 der F i g. 5 liegt. Diese Energie wird magnetische Materialien typisch ist. Der optimale durch den Leiter 54 zur Belastung 55 geliefert. Selbst-Winkel zwischen der Achse des Drucks und der anti- verständlich kann das Prinzip der statischen Druckparallelen Richtung kann nicht für sämtliche Mate- vorspannung und der Wellenleiterkopplung, wie es in rialien allgemein angegeben werden, da er von der 5° Fig. 4 dargestellt ist, entweder getrennt oder zu-Kristallsymmetrie des jeweils verwendeten Materials sammen mit einer Ausführung der Erfindung mit antiabhängt. Jedoch ist insbesondere von Piezomagneti- ferromagnetischen Resonarizmaterialien angewendet sierungsexperimenten bekannt, daß eine Verformung in werden,
   einer gegebenen Achse ein resultierendes magnetisches

   Moment in einer anderen gegebenen Achse erzeugt, 55 Patentansprüche:
   und diese Achsen sind die von der Erfindung vorge- ■ . . .·■ : schlagenen Achsen. Ein bevorzugtes Beispiel für ein 1. Generator für hochfrequente Schwingungsantiferromagnetisches Material ist Kobaltfluorid; die energie mit einem Körper aus einem Material, das tetragonale Kristallstruktur dieses Materials ist in ein sich mit der Verformung änderndes anisotropes, Fig. 5A dargestellt, wobei die herkömmlichen 6° magnetokristallines Feld und ein Elektronenspin-Koordinaten die verschiedenen Kristallachsen be- system aufweist, das unter dem Einfluß von Ändezeichnen. Die antiparallele Achse 52 wird durch die rungen des anisotropen Feldes für eine gegebene Achsen [001] und [001] gebildet, wobei die entgegen- Relaxationszeit präzediert, dadurch gegesetzt gerichteten Vektoren die antiparallele Aus- kennzeichnet, daß ein Wandler (12) vorgerichtung der beiden Untergitter bezeichnen. Für dieses 65 sehen ist, der an den Körper (11; 51) einen diesen Material (und für andere Materialien gleicher Kristall- verformenden, sich mit einer Ultraschallfrequenz, symmetrie) bewirkt ein in der Achse [110] ausgeübter deren Periode klein gegen die Relaxationszeit ist, Druck, daß sich die einzelnen Untergitter aus dem ändernden Druck anlegt, um das anisotrope Feld