DE1423462A1

DE1423462A1 - Anordnung zur Messung der Besetzungszahlen von Quanten-Niveaus

Info

Publication number: DE1423462A1
Application number: DE19581423462
Authority: DE
Inventors: Dehmelt Hans George
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1957-02-13
Filing date: 1958-02-10
Publication date: 1970-04-09
Also published as: DE1798413A1; CH364843A; US3584292A; GB881424A; FR1229644A; DE1423462B2; US3575655A; US3071721A; DE1798413B2; DE1798413C3

Description

PALO ALTO, California

V.Jt.Λ.

anordnung zur Messung der Besetzungszahlen von

_Huanten-iiiveuu3.

lie Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Anzeige der Orientierung bzw. Ausrichtung von Atomen oder ähnlichen quantenhaften Systemen unter Anwendung optischer Absorptionstechnik.

Ia die Erfindung sich auf das schwierige PeId der * Atomphysik bezieht, erscheint es zweciniäflig für das Verständnis der Erfindung zu sein, wenn zuvor ein kurzer Abriß bestimmter grundsätzlicher Konzepte gemacht wird,* der sich auf dieses Gebiet bezieht. Eine mehr ins Einzelne gehende Behandlung der verschiedenen Gegenstände kann den verschiedenen Lehrbüchern über Atointheorie entnommen werden; die nachfolgende Auseinandersetzung stellt nur einige derartige Tatsachen fest, ohne dass zusätzlicher Beweis hinzugefügt wird und läßt ferner Eigenschaften außer Betraoht, die nicht in direktem Zusammenhang mit der Erfindung stehen. lie Erfindung soll im nachstehenden im Zusammenhang mit Atomen erörtert werden, es ist jedoch darauf hinzuweisen, daee die Erfindung grundsätzlich auch bei entsprechenden quantermäßigen

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— 2- - ...'■■' ■■■';-■

Systemen anwendungsfähig ist, sofern ähnliche günstige Bedingungen, beispielsweise bei Ionen, bei Kernen oder "' molekularen Quaritensystemen vorherrschen. ^s

Die Quantentheorie hat gelehrt, dass ein Atom aiis einem " zentralen Kern besteht, um welchen ein oder mehrere Elek- ' ^: tronen auf elliptischen Bahnen herum kreisen, und zwar mit ' bestimmten Energieniveaus bzw. Energiezuständen; die 'um den Kern kreisenden Elektronen verhalten sich ähnlich wie die Planeten zu der üonne, einige ihrer Bewegungsbahnen sind ^v kreisförmig während andere nicht kreisförmig sind. Ein Atom ' kann nur dann existieren, wenn seine Elektronen bestimmte diskrete Energieniveaus annehmen, wobei der Zustand der geringsten Energie der Normalzustand ist und die Zustände höherer Energie Zustände der Erregung kennzeichnen· Ein Atom kann in einen höheren Energiezustand dadurch übergehen, dass ein Energiequant absorbiert wird; es kann auch in einen Zustand eines niedrigeren Energieniveaus übergehen, indem ein ' Energiequant abgestrahlt wird, wobei das Quantum der Enrgle " gleich hf istj h ist hierbei die Planck'scne Konstante und 'V ist die Erequenz der Strahlung oder der Absorptionsspektrallinie. "■" ;

Atome werden so angeregt, dass sie ein höheres Energieniveau annehmen, wenn sie das erforderliphe Energle^uant in einer von vielen mögliehen Arten aufnehmen; beispielsweise, kann ein Bombardieren mit Elektronen stattfinden, oder es kanu Strahlung einer äußeren Strahlenquelle aufgenommen werden, Ee kann andererseits is ein Atom izi einen niedrigen Zustand dadurch übergehen, dass das erforderliche Energiequant

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bad

auf dem Wege einer von verschiedenen Arten abgegeben wird, beispielsweise durch Kollision mit einem anderen Atom. Im allgemeinen geht der Übergang zwischen inergieniveaua sehr schnell vor sich und dementsprechend ble iberi Atome in ihre« erregten Zustand nur eine sehr kurze Zeit, Man hat indessen festgestellt, dass es sogenannte metastabile oder langlebige Ei.ergiessustände gibt» welche Zustände der Erregung darstellen, von denen ein Atom in einen Zustand niedrigere¹«Energieniveaus nicht dadurch übergehen kenn, dass Auesendung einer normalen Dipolstrahlung stattfindet. Die Atone bleiben daher in diesen metastabilen Zuständen eine beträchtlich lange Zelt, in der Größenordnung von 10 Sekunden beispielsweise, wie es bei ^P₂-.uecksilberatomen der Fall ist, wenn keine anderen Störungsquellen vorherrschen. Die Kerne und die Elektronen eines Atones besitzen noch andere interessante Eigenschaften, nämlich das Impul Binomen t des Kerndralle β (Spin), das Impulsmoment der Llektronen-Btihnbewegung und das Impulsmoment des Elektronspins; infolge solcher Impulsmoaente ergibt sich das Auftreten niaenetischer Moment·* Bas magnetische Moment dee Atomea ist die Vektorsumme der magnetischen Momente des Kernes und der Elektronen des Atomen. Infolge der Wechselwirkung zwischen den Momenten des Kernes und der Elektronen, wird ein E: ergieniveau eines Atomes in zwei oder mehr Feinstrukturen der Snergieniveaus aufgespalten} solche Energieniveaus werden im allgemeinen durch die Qui-ntenzahl 1? bezeichnet, welche verschiedene numerische Werte annimmt, die die verschiedenen Drehimpulse

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bezeichnen. Entsprechend dem allgemein bekannten Zeeman-Effektskann das magnetische Moment des Atomes in einem äußeren magnetischen Feld sich inbetug auf die Richtung des äußeren Feldes in gewissen Orientierungen befinden, d.h.. das magnetische PeId spaltet die betreffenden.Energieniveaus in eine Mehrzatl von Unterniveaus (Zeeman-magnetische Ünterniveaus) auf, welche in Spektrum durch ein Energiequant h if , L^etTennt sind; der" numerische Wert der Frequenz■ "f _T ist in diesem Falle als Larmdrfrequena bekannt, üie mag- ■ netischen llomente der Atone in ihren verschiedenen Unterniveaus sind in verschiedenen Eichtungen inbezug auf das magnetische Feld H_ , welches die Aufspaltung der Energie-

en

niveaüs bewirkt, orientiert; üie Orientierung/dieser magnetischen Lomerite werden dadurch eharakterisiert, wie groß &jr z-Vektor, d.h. die Irojektion des magnetischen Momentes in Lichtung des 2,.agnetfeldes H ist. -Wenn beispielsweise ein Energieniveau des _Lesamten Irehimpulse-s F ■ 2 in fünf Unterniveaus aufgespalten wird, so gibt es fünf resultierende z-Komponenten als rrojektlonen des atomaren magnetischen-Eomentes. In dem mittleren Unterhiveau der Energieniveaus ist die Projektion Iu gleich 1,'ull, was in ..diesem -"Falle sich daraus ergibt, daas die magnetischen Momente in einer Ebene senkrecht zur Hichtung des magnetischen Feldes ausgerichtet sind. Ls -gibt zv.-ei KcKi>Oi.ienten Il =+1 und die größere Koin— ponente 1.: = +2 i;._t dichtung des rt&giietischeri feld«s H- und z«ei Komponeriteii L₁ = -1 und M=. -2 in der .entgegengesetzten Richtung des isagi.6tischen Feldes.. '...-.' .,·... . ,.

Untex geVrissen ^edingurigen,-..vonästen einige noch ne..Qh^, stehend zur Erörterurie gelangen- werden, haben gewisa

00 98 T5/OQ 0 2 :;·!.=; ν ^eAD ORIGINAL

Zeeman-Unterniveaus eine außerordentlich, starke Besetzungszahl verglichen mit den übrigen Niveaus, d.h. sie sind überbesetzt» und dementsprechend ergeben sieh mehr magnetische Momente der Atome in einer solchen Richtung» verglichen mit irgendeiner anderen möglichen Richtung je mit anderen worten_t nicht sämtliche a-Zustände sind gleichmäßig besetzt. Derartige überbesetzte Zustände werden nachstehenden als Ausrichtung des Systems bezeichnet· Tie Erfindung bezweckt die Anzeige und ItotersueßüB der Ausrichtung magnetischer loaent© von Atomen oder ä licher quantenhafter Systeme in einem Magnetfeld unter ■wendunig attischer Absorptiönsteofeslte.. Bei einer form der Erfindung wiiri dies dadurch erzielt * daaa einer vorgegebenen Art attsge^iohtet werden^ beippielaweis© CueekailbeiF&tomes» wan g\sar in &%ά@μ Z^sitand Energie- infolge AbsorpticeK dtex erfarderliclieii cuanten diÄraii Zusammen stoß mit Sltfctro.nen·, was

wird* Eis eagÄeti^etoes WmIM B_& wird

parallel zxm Slektro^enBtraiil smS iie Ätenie; ausgeübt _t ge stalte diaas &.1& 2.T*atände metastabil er Energie in

^ viiie zuvor erörtert_t

«Λ»· 8ρΛ*τ*Χίτ«|«β»» Reitst * die da»

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nlveau im Wege eines normalen Überganges, wel'ehöi nicht weiter interessiert übersehen. Das höhere ü^er^ieniveau ist ebenfalls in eine Mehrzahl magnetischer Unterniveäus infolge; des Zeejsan-^ffektea aufgespalten, wobei jedoch die Anzahl eier linterniveaus geria^er ist als die in dem _: metastabilen; iiustand« \lenxi die 2ugeftfcrte strahlung nicht polarisiert ist,, ä«h« nicht iß etoer besllnnten Richtung inbezttg auf das lia^netfelcl gerichtet ist, werden die Atöne ohne Ontersehted ΐσ» einer Hehrziaii von Urtterniveatm—in Slqxi EastaKd höherer Sner|rie iibeirfiihrt. uerm indessefi, was im EahrfteR der Srfiiidlußg ausgenutzt vvird» die eptlsehe -" Strahlimg dttreh Änwendiing eieei^et^r Mittel polarisiert ist in einer bestisiEi-feen Itiehttasg* bevor sie die itöPie des metastabilen 2usta,«d©£j durehsetüert^ ao sind die elektrischen a EtagiaetiseheB ]?#ld¥elctöreri· &&τ Strahlung; iribe^ug auf

m&gnetischen Waldes IL_V .In bestiE^tei* ".&±3.&

dadurete auch inbe-äu^ &v*£ die Ausrioiitiing

der* At®m% ciriöÄtiert« In einest sölcÄeoa Fallö aiad die

Atem® von ^mim&mi aie/taataeril««= L&ter^iveaus aur mu .hiei-~^:i

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eiiiigevp Ifeite/raiveaBSi Ι*@ει1ΐ26|ϊ₍ als diiefc laeitaigtab/Iigs 2i*stä\n4e Wkä uesm^tap^mGihema fee--

die αϊθπϊ© %n. diea

bad .original

stimmten Niveaus absorbieren Energie und bewegen sich auB ihren Unterniveaus heraus, während die Atome in beatimmten anderen Unterniveaue keine Energie absorbieren und weiter in ihren Ur.terniveauzustand bleiben. Im Falle dea "u. cköilberatomes beispielsweise bestitzt der metastabile Zustand, wie zuvor bemerkt, fünf Unterniveaus M=O, + und h- 2. Bas höhere Energieniveau hat drei magnetische Unterniveaus, M = 0, +■ !,.Wenn die optische Strahlung in Richtung des magnetischen Feldes polarisiert ist, so herrscht die Auswahlregel M= 0, d.h. die Atome in den metastabilen Unterrxiveaua K = 0, + 1 können auf ein entsprechend höheres Lrier^ie-Uf-terüiveau Il = 0, + 1 angehoben werden, währer.d die Atome der Unterniveaus M = + 2 keine entsprechende Unterniveaus in Zuständen höherer Energie

in besitzen. Daher absorbieren nur die Cuecksilber: tome/den aentralen metastabilen Unterniveaus K ~ 0, _+ 1 Strahlung und werden zu dem Höheren inergieniveau K= 0, _+ 1 angehoben, während die Atome in den Unternivcaus IL ~ +^ 2 keine Energie absorbieren und weiter in ihren betreffenden Unterniveaus verbleiben. Indem man die optische Strahlung •nach dem Turchsetzen der Atome untersucht, beispielsweise mittels einer ifhotozelle, welche die Intensität des Lichtes mißt, J.st_ es Eöglich, tenau den anteil der Energie zu bestimmen., die durch die Atcnie, in welchen M = 0,.. ± 1 ist» absorbiert wurde, beim übergang zu eiiiem höheren Energiezustand. _.. .,.;.. ■-._;■.. „...■.■■..:.- ■ .. „- ■'-■■-,

.Da der Betrag der._t^bsp3j^er
von- dem Anteil ά&τ iitqme./iij £$?■ i^?;9 (K .*■< 0,-.-,+. 1 Unterniveaus^iija-Palle,-^vpn.;

BAD OBSGlNAL

zur Zahl der Atome in den nicht absorbierenden Untes»- niveaus abhängt, bietet die Kessung der optischen absorption durch Anwendung von Mitteln zur Feststellung der optischen Strahlung nach durchsetzen der Atome ein sehr nützliches Mittel, um zu bestimmen, ob tatsächlich eine Ausrichtung.der Atome in ünterniveaus stattgefunden hat und in welchem Maße.

"•Tie Verhältnisse, brauchen nicht notwendigerweise so zu liegen, dass der obere Zustand weniger M-ttiveaus besitzt als der untere, da die Wahrscheinlichkeit für den Übergang eine Punktion des I.l-Wertes ist, wobei für AM = 0-die übergänge im allgemeinen mit Zunahme des Absolutwertes von \Ui I π^βθ* zunimmt» Pur die Erörterte Anzeige der Ausrichtung der Atome ist lediglich erforderlich, dass der Beitrag der verschiedenen M-Zustände zu der .absorption der polarisierten Strahlung verschieden ist. Pie der Lessuiig zugängliche &Töne ist der Absorptionskoeffizient K, welcher für den ausgerichteten Stoff inbezug auf des bei der Anzeige verwendete Licht maßgeblich i3t. H hängt von der relativem Besetzung a^ in bestimmten magnetischen Jnterrxiveaus ab und von der Lichtpolarisation. Es läßt sich der Ausdruck E bilden, wobei K der Absorptions-

koeffizient ist, welcher für den nicht orientierten, aber ansonsten identischen Stoff maßgeblich ist; dabei erhält

_K £ ^aM ¹JJ P_M

man ^- =122 +1) γ-τ? -. Es bezeichnetZdie Wahrechein-

o £ ^PM

lichkeit, dass ein Zustand M. einen übergang unter dem Einfluss polarisierter strahlung erfährt. Ler V.ert P₁* hängt selbstverständlich von der Art der Polarisation (lineare,

- ■..'■■■ ^ ^:r--' 009815/0002

zirkuläre Polarisation oder Fehlen der Polarisation) des benutzten Lichtstrahles ab oder in anderen Worten, wenn Λ M » 0 oder &M = + 1 Übergänge in Frage kommen, an der Orientierung des Lichtstrahles inbezug auf das magnetische Feld.

Die Erfindung betrifft auch die Ausrichtung von Atomen der alkalischen Elementengruppe bei langen Eelaxationazeiten in einem äußeren magnetischen Feld, unter Anwendung der Technik des optischen "Punipens" und der nachfolgenden optischen Anzeige des Lichtes, welches für das optische Pumpen benutzt wurde, zu dem Zwecke der Anzeige der Ausrichtung der Atome. Eine Ausführungsform der Erfindung, welche zur Veranschauliohung und Erklärung dieser Anwendungsform der Erfindung benutzt wird, sieht die Anwendung von Natriumatomen vor und arbeitet in folgender Weise: Die Natriumatome in Form von Dampf werden in ein Puffergas, welches aus Argon weit höheren Druckea besteht als man be'isher als zweckmäßig erachtete, gebracht, woraus sich ergibt, dass die Natriumatome, nachdem sie einmal ausgerichtet wurden, ihre Ausrichtung nicht schnell verlieren. Es können, wie bereits zuvor ausgeführt wurde, Atome auf ein höheres Eriergieniveau gebracht werden oder von demselben auf niedrigere Niveaus herabfallen und dadurch ihre Ausrichtung verlieren, d.h. ihre Relaxationszeit verkürzen, indem beispielsweise im V/ege des Zusammenstoßes die erforderlichen Energiequanten aufgenommen werden. Um solohe Zusammenstöße zu verhüten, wird als Puffergas Argon verwendet, wobei dieses Gas als eine Art Kissen wirkt,

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mit wtlohβ» die !iatriueatomt ausamiatnstoßtn können, ohne dass ihr Zustand dta. Spins gtatört wird. Die Natriumatome werden daran gehindert, dass sie mit den Wandungen des sie umschließenden Gefäßes auaammenstoßen, wodurch sich eine wesentlich größere Relaxationszeit ergibt.

Die Ausrichtung der Natriumatome in einem äußeren magnetischen Feld H , welches auf die Atome wirkt, wird im Wege der optischen Pump-Technik durehgeführt. Allgemein gesprochen, ist die optische Pump-Technik darin zu sehen, dass eine optische Strahlung, welche parallel zu dem Magnetfeld E_Q und auch zirkulär polarisiert ist, den Atomen welche sich in ihren Zeeman-Unterniveaus befinden, zugeführt wird, wobei die Frequenz der Strahlung den Wert besitzt, welcher die Atome auf einen Zustand höherer Energie bringt. Da die Strahlung zirkulär polarisiert ist, herrscht die eine Auswahlregel A M * +1 oder £>M = -1 vor, und zwar in Abhängigkeit von der Richtung der Rotation der Polarisation; aus diesen Grunde absorbieren Atome nur in gewissen der Unterniveaus Energie und gelangen dadurch zu höheren Energieniveaus. Die Atome in einem anderen oder in anderen Unterniveaus absorbieren keine Energie und bleiben daher in ihrem ünterniveau. Die Atome, die auf einen höheren Energieniveau-Wert gebracht wurden, können beispielsweise infolge von Kollision oder Ausstrahlung von Strahlung zu dem unteren Energieniveau, von welchem sie ausgingen, zurückkehren β Diese Atome werden unterschiedslos zu ihren Untern-lveaus dsa unteren Zustand©» zurückkehrend angenommen;

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' ■ .. BAD ORIGINAL'

ββ gewinnen daher die Unterniveaue, Ton welchen Atome nicht angehoben wurden, d.h. die nicht absorbierenden Niveaus, Atome auf Kosten der anderen Unterniveaus, nämlioh der absorbierenden Untemiveaus, dadurch ergibt sich eine wesentliche Überbesetzung der nicht absorbierenden ünterniveaus und auf diese Weise eine wesentliche Ausrichtung der Atome und diese Technik wird als optischer Pumpvorgang bezeichnet. Im Falle der Hatriumatome werden die Atone in einem Unterniveau eines feinstrukturellen

Zustandes des Grund- bzw. niedrigsten Energieinhaltes

2 3 S₁/p ausgerichtet. Der tatsächliche optische Pumpprozess und die entsprechende Ausrichtung der Natriumatome ist ein komplizierter quantenmechanischer Vorgang, welcher in der Atomphysik behandelt ist} es soll hier kein Versuch gemacht werden, die Theorie im einseinen darzustellen. Sa wird indessen die Apparatur und deren Betriebsweise, welche den optischen Pumpvorgang von Natriumatomen durchzuführen gestatten, zur Erörterung gelangen, und es wird eine allgemeine Behandlung der Energieniveaus und die dadurch erhaltenen Resultate nachstehend erfolgen.

Die optische'Strahlung, die für den optischen Pumpvorgang der Atome verwendet wird, wird naefcjdem Durchsetzen einer Probe vcn Atomen untersucht. Die Absorption der optischen Strahlung durch die ausgerichteten Atome ist begreiflicherweise abhängig von der Ausrichtung der Atome, da ein· Überbesetzung der nicht absorbierenden Unterniveaus In einer Abnahme der Absorption der optischen Strahlung resultiert und dementsprechend in der Zunahme des Lichtes*,

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^ If - - ' nach EurGheetzen der die Atipxne enthaltendem

Probe festgestellt wird. Wenn der optische f>umpp;rp|esj3 anfängt) so nimmt die zunächst durchgelassene Liehtintensität I^ auf einen Wert I^ * 4 £ zuj weiin jEoia*· rieation eich ausbildet. Wenn das axiale magnetiBche Feld H₀ piötzlioh umgekehrt wird» so folgt die Ausrichtung der Atome in adiabatisoher Weise. Dies führt zu einem

ziemlich momentanen Austausch der Besetzung der + M und - M Zeeman-linterniveaus und dementsprechend zu einer .

übeyfcetzung der absorbierenden Unterniveaue· Bas Ergebnie ist eine plötzliche Abnahme des hindurchgelassenen Lichtes von einem Wert I₁ + a I auf einen Wert I^ -AI. Bin epleher Vorgang macht das System geeignet, ale eine schnelle und empfindliche Lichtblenden-Anordnung zu wirken. In entsprechender Weise kann ein System, welches zuvor durch 4M * ti . PumpjBnjpolari8iert wurde und dementsprechend bezüglich nicht absorbierender Atome angereichert wurde, eine starke Absorption für eine polarisierte Strahlung entsprechend All == -1 aufweisen.

E* ist darauf hinzuweisen, das« sich die Erfindung yori ü'-.r -Anzeige der Ausrichtung ton Atomen unterecheidet, weiche bekannterweise die Polarisation des von dem zu untersuchenden Stoff geitreuten Lichtes.untersucht.

Weiterhin bietet die optische SträhiünLemethode eine außerordentlich bequeme Ifiessmethodik, um gyronagnetisohe Resonanzen ausgerichteter Quanteneysteme zu untersuchen· Die Technik paramagnetischer Resonanzen ist jetzt vollständig bekannt" und grunds&tslich sind hierbei überginge ton zwischen 2eeman-lJriterniyeaus entsprechend der Auswahlregel

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= ± Ι bttroffen, wobei die Atome durch elektromagnetische Strahlung der betreffenden Larmor-irequenz im äußeren Magnetfeld B bestrahlt werden. Die übergänge bei Resonanz «norden duroh Messung der elektrischen Energie-Absorption bestimmt, wobei Hoohfrequenzenergie zur Messung gelangte, die Ton den Atomen beim Übergang zwischen den Unterniveaus absorbiert wird. Durch Anwendung der Erfindung werden solohe paramagnetischen Resonanzen duroh Feststellung der Ausrichtung der Atome in den Zeeman-Unterniveaus festgestellt, eine erhebliche Änderung in der Ausrichtung der Atome, die im Resonanzfall auftritt, weil gewisse nicht absorbierende Zeeman-Unterniveaus auf Kosten bestimmter absorbierender Unterniveaus besetzt werden, zeigt sich in einer beträchtlichen Verringerung der Absorption der Energie der optischen Strahlung.

Da, in Übereinstimmung mit den gewöhnlichen Resonanzeffekten gyromagnetischer Art, die Larmor-Frequenz von der Stärke des äußeren Magnetfeldes H₀ abhängt, bietet die Erfindung eine bequeme Methode,um genau magnetische Feldstärken zu messen, indem der Wert der Frequenz der zugeführten hochfrequenten fc_e$len bestimmt wird, welche geeignet sind, wie zuvor erläutert, einen optisch festgestellten Resonanzeffekt zu bewirken. Von diesem Frequenzwert kann die Stärke des Magnetfeldes H leicht berechnet werden.

Es ist ebenfalls offensichtlich, dass die Erfindung auch andere Anwendungsmöglichkeiten für die Technik gyromagnetischer Resonanzen bietet, beispielsweise für die Spektroskopie nicht bekannter chemischer Proben. Es ist

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klar, d*·· Quantensysterne in verschiedener Weise ausgerichtet oder orientiert «erden kunnen, Inbegriffen optische Strahlung (Verfahren des optischen Pumpen·) und duroh Anwendung der Technik niedriger Temperaturen; die Erfindung sieht eine neue optische Teohnik vor, um eolohe Ausrichtungen und Orientierungen ron Quantensystemen aur Anzeige zu bringen. Wie die Ausrichtung der Systeme stattfindet, ist nicht Ton besonderem Belang, solange das System nur im Stande ist, dem optischen Anzeigeverfahren unterworfen zu werden·

Die Erfindung sieht fernerhin vor, eine optische Strahlung dadurch modulieren, dass Absorption in quantenhaften Systemen, die eine periodisch schwankende Ausrichtung besitzen, ausgenützt wird, beispielsweise Ton Systemen, die sich im Zustand gyromagnetischer Resonanz oder freier Präzession befinden. Das System, welches a Ausrichtung zeigt, wird einer optischen Strahlung geeigneter Polarisation und geeigneter Richtung unterworfen, zu dem Zwecke, die zeitliche Änderung der Ausrichtung dadurch anzuzeigen, dass die zeitliche sich ändernde Absorption für die Strahlung ausgenützt wird. In gewiesen besonders anschaulichen Fällen, wird zirkulär polarisiertes Resonanzlicht verwendet, welches senkrecht zu dem magnetischen Feld und senkrecht zu dem zum Pumpen verwendeten Lichtstrahl auftritt (Technik sich kreuzender Strahlenbündel).

Es ist ferner erforderlich, Nebeneffekte ins Auge zu fassen, wie Eisorientierung infolge des zur Anzeige verwendeten Lichtes. Belazationseffekte und andere die Phasenbeziehungen störende Effekte spielen hierbei eine Rolle»

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Tatsächlich treten dl· grundsätzlichen Vorgänge bei der Anwendung eioh kreuzender Strahlenbündel nicht notwendigerweise nacheinanoer auf, es können vielmehr auoh gleichzeitig *«ek eolohe Effekte sich abwickeln. Ia nachfolgenden sollen diese Schritte erklärt «erden, indem theoretiaohe anschauliche Beispiel· diskutiert «erden und anschlleBend Tersohledene experimentelle Ausgestaltungen erörtert werden. DIf Atome der Alkalielemente ,und insbesondere latriumatome, werden verwendet, um bevor jtugfc Ausführungsformen ffbp die Technik sich kreuzender Strahlenbündel su bilden. Ee ist indessen offensichtlich, dass die Erfindung auch allgemein mit anderen Atomen anwendungsfähig 1st und entsprechenden quantenfeaften Systemen, beispielsweise Ionen und MoIe*- külen, winn hierfür günstige Grundbedingungen vorherrschen.

Ss 1st dementsprechend eis weiteres Ziel der Erfindung, ein· neue Methode und Apparatur su entwickeln, »eiche die Orientierung OÄer Ausrichtung von Atomen oder anderen ahnlieksn o,wantinh*ften Syst**!* ^ter Anwendung der optisftkan Absorptionstechnik anzuseigen gestatten.

XIa Merkmal der Erfindung besteht in der Anwendung bestimmter optischer Strahlung und optischer Anzeigemittel, um die Ausrichtung der Atome oder ähnlicher quantenhafter System· su untersuchen, unter Anwendung von magnetischen leidemι welche geeignet sind, die Ausrichtung aufrecht su erhalten·

Ein weitere· Merkmal der Erfindung besteht in Mitteln sur Erzeugung und Anzeige optischer Strahlung, wobei gyro-

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magnetische Resonanztechriik Anwendung findet, um auf optischem Wege die Zurichtung von Atomen oder ähnlichen Quantenzuständen, die sich infolge gyromagnetischer Resonanzen ergeben, festzustellen.

hin weiteres Merkmal der Erfindung liegt in einem neuen gyromagnetischen Resonanzgerät, welches unbekannte magnetische Felder zu messen gestattet, oder chemische Spektroskopie durchzuführen gestattet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in einem Verfahren und einem Apparat zur Durchführung des optischen Pumpvorgan^es an Alkaliatorien in Puffergasen und in der

nachfolgenden Anzeige des für den optischen Pumpvorgang verwendeten Lichtes, nachdem dasselbe die Substanz durchsetzt hat, um die Auerichtung der Atome zu messen, wobei Mittel angewendet werden, welche die Ausrichtung der Atome erhalten, beispielsweise magnetische Felder.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einem ähnlichen Verfahren und Gerät, wobei die Ausrichtung der A_tome plötzlich umgekehrt wird, eodass plötzlich eine ■"■^derung der Intensität des durchgelassenen Lichtes auftritt.

Sin weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Anwendung hochfrequenter magnetischer Wechselfelder auf ausgerichtete Alkaliatome, zu dem Zwecke, eine gyromagnetische Resonanz der Atome zu erzeugen und in der Messung der Resonanz durch Bestimmung der Schwankungen der von den Atomen absorbierten optischen Strahlungsenergie, wobei

eich.die während der Resonanz die Atome wieder ausrichten;

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BAD ORsGINAL

ein Bolohes Verfahren liefert Resonanzsignale/außerordentlioh gutem StörverhältniB.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einem neuen Verfahren und einem entsprechenden Apparate, welcher Modulation einer optischen Strahlung nach Maßgabe zeitlich schwankender Quantensysteme zu erzeugen und anzuzeigen gestattet.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird bei einem Verfahren bzw. bei einem Gerät der vorstehend erörterten Art, die Schwankung der Aueriohtung entweder durch erzwungene gyromagnetische Resonanzpräeessionen oder durch freie Präzeesionen des quantenhaften Systemee oder durch entsprechende übergänge zwischen Energieniveaus extrem feiner Feinstruktur bewirkt.

Die Erfindung sieht ferner die Anwendung des zuvor gekennzeichneten Verfahrens der Ausnützung erzwungener Präzeasionen in solcher Weise vor, dass ein Ausgangssignal eines Anzeigegerätes für moduliertes Licht (Photostrom) zu dem Zwecke verwendet wird, gyromagnetische Resonanzen oder andere resonante Übergänge, beispielsweise zwischen extrem feinstrukturellen Niveaus von Quantensystemen zu bewirken, sodass sich die Möglichkeit des Baus eines selbständigen atomieohen Oszillators ergibt, Die vorstehenden Merkmale und weitere Zweckmäßigkeiten

und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mii den zugehörigen Figuren. Von den Figuren zeigen»

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Fig. 1 ein Blockschema einer Aueführungsform der Erfindung zur optischen Anzeige von Queckeilberatomen in Zeeman-Uhterniveaus;

Pig. 2 eine schematische Darstellung der Energieniveaus γόη Quecksilberatomen bestimmter Art und der Übergangsmöglichkeiten derselben;

Fig· 3 eine schematische Darstellung der rauglichen Orientierungen des magnetischen Momentes von Queokeilberatomen in einem magnetischen Feld;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, welche der Anzeige paramagnetischer Resonanzen von Quecksilberatomen unter Anwendung optischer Mittel zur Anzeige der Ausrichtung "ton Atomen dient)

Fig. 5a eine Cszillographenspur der 546,1AA¹ Absorption bedingt durch 5p Quecksilberatome in Abhängigkeit der Feldstärke 2 H t, wobei die Abnahme der Absorption durch paramagnetische Resonanzwiederausrichtung unter Anwendung eines radiofrequenten Feldes von ungefähr 62,5 Millifcause erkennbar ist. Die Strahlung war parallel zu H polarisiert;

Fig. 5b eine Oszillographenspur der Abhängigkeit der 546,1 u. u. Linie durch'P2 Quecksilberatome in Abhängigkeit des Feldes H , wobei die Zunahme der Absorption durch paramagnetische Resonanz wieder Ausrichtung, bedingt durch ein radiofrequentes magnetisches Feld j von ungefähr 62.5 Milligauss bei Anwendung einer senkrecht zu H polarisierten Strahlung zu erkennen ist;

Fig· 6 ein Bockschema einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetometers;

Fig. 7 ein Blockschema einer Ausführungsform der Erfindung, welche dem Zwecke des optisohen Pumpens und der Anzeige von IJatriumatomen und der Erzeugung und Anzeige gyromagnetischer Resonanzen dient;

Fig. 8 ein schematisches Bild, welches die Energieniveaus von Natriumatomen spezieller Art und die Übergangsmöglichkeiten derselben wiedergibt; hierbei ist, da für die vorliegenden Erörterungen nicht von Belang, dAmVorzeichen der g-Faktoren und den zugehörigen verschiedenen F-Niveaus keine Beachtung geschenkt;

Fig. 9 eine Oszillographenspur der Absorption der 589,6,^/W-Linie, bedingt durch 3²S₁/- Natriumatome bei verschiedenen Feldstärken H₀V* wobei die Zunahme der Absorption infolge paramagnetischer Resonanzwiederausrichtung gezeigt ist unter Anwendung eines radiofrequ^nten Feldes und eine« optischen einen Pumpvorgiiiig b' !runden Li«litstrahles, der parallel zu H^ und zirkulär im Uhrzeigersinn polarisiert ist; ^L

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Pig. 10 eine sohematische Darstellung der Dicklichen radiofrequenten übergänge «wischen überfein strukturellen Niveaus dee Qrundzustandes von Alkaliatomen;

Fig. 11 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Magnetometersystemes unter Anwendung eines Alkalielementes j

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Energieniveaus eines theoretischen Falles eines Atomes, welches ein Valenz-Elektron besitzt» wobei der Kernspin Null ist;

Pig. 13a bis 13 e Vektordiagramme, welche verschiedene

Präzessionebewe^ungen von quantenhaften Systemen wiedergeben;

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer Ausführungsfοrm der Erfindung, welche Natriumatome in Ausrichtung duroh ein optisches Pumpsystem und unter Anwendung des lfiodulationevorganges durch sich kreuzende . Strahlenbündel sum Gegenstand hat;

Fig. 15 Oszillographenspuren des Z-Lichtstrshles und des modulierten x-Lichtstrahles, wie sie von einer Meesapparatur ^em&B Fig. 14 unter Anwendung einer Ablenkfrequenz von 60 Uz erhalten werden;

Fig. 16 eine andere Oszillo^raphenspur des x-Lichtstrahles;

Fig. 17 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung, entsprechend Fig. 14, jedoch in Abänderung zur Messung magnetischer Felder;

Fig. 18 ein Blockschaltbild einer auf der Anwendung von drei Strahlen beruhenden Messanordnung;

Fig· 19 ein Blockschalbild eines Cszillatorsystemes gemäß der Erfindung;

Fig. 20 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungβ-form eines erfindungsgeaäßen Oszillators;

Fig. 21 ein Blockschaltbild eine« freie fräzessionen

ausnützenden Systemes unter Anwendung modulierter optischer Strahlung;

Fig. 22 ein Blockschaltbild einer weiteren, freier Präzessionen ausnützenden Anordnung;

Fig. 23 ein Blockschaltbild einer dritten Ausfühfeungsform eines mit freien Präsessionen arbeitenden Systemes;

Fig. 24 ein Blockschaltbild eines Systeires zur Erzielung doppelter Frequenzmodulation eines Lichtstrahles.

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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der eine Diode 11 mit Glühkathode und Gas füllung, welche Quecksilberdampf im Gleichgewicht mit flüssigem Quecksilber bei einem Druck in der Größenordnung von 1 i 10"^ mm Quecksilbersäule enthält. Der Zwischenraum zwischen Kathode und Anode beträgt 2 cm, die Kathode wird mit ungefähr 200 EiA betrieben und die Anoden spannung beträgt ungefähr 20 V,olt, was günstige Verhältnisse für die Erregung des Vr, Energiezustandes der Quecksilberatome darstellt. Unter diesen Verhältnissen wird der Zwischenraum zwischen Anode und Mhode mit einem Plasma gleichen Potentiales ausgefüllt und die Hathode 12 wird eng mit einer Ionenumhüllung umgeben. Lie Elektronen, die von der I&thode ausgesendet werden, erhalten alle ihre Beschleunigung innerhalb der Ionenhülle und betreten den Plasmaraum in Form eines Strahles, der senkrecht zu der Ebenenkathode 12 liegt, und dort vollziehen sich Zussir,i:,enstöße zwischen den Elektronen und den ^uecksilberatcmen.

Gemäß den Prinzipien der Quantentheorie werden Enefgiezustände eines Atomes durch eine Gruppe von 4 Quantenzahlen charakterisiert. Ter niedrigste Energiezustand oder das Grundniveau für die beiden Elektronen außerhalb der geschlossenen Schale der 7& Elektroofen im jiecksilberatom wird im allgemeinen als 6 3 bezeichnet, vergl. Fig. 2, wobei 6 die Hauptquantenzahl ist, die Ziffer 1 das gesante Impulsmoment darstellt, 3 aas :ull betragende Körnent der Kreisbewegung bezeichnet und das ,'Juffix n«li ο die Zahl der magnetischen Untemiveaus charakterisiert, welöhe in diesen Zustand gleich Null ist. 009815/0002

BAD Oft&iNAL

Die Quecksilberatome können von dem Grundniveau 6 S durch Elektronenbombardement zu erregten Zuständen höheren Eneigieinhaltes übergehen; dasselbe kann auftreten, wenn man hohe Temperaturen anwendet oder gestattet, dass Strahlungsenergie einer Strahlungsquelle absorbiert wird. Las Bombardement durch den Elektronenstrahl, welches in der Diode 11 stattfindet, ist derart, dass Energie geliefert wird, welche ausreicht, die Quecksilberatome von

1 3

dem 6 S-Grundzustand in den 6^Pg erregten Zustand zu überführen. Der 6 Pp-Energiezustand ist ein metastabiler Zustand,von welchem ein Atom nicht zu dem Grundzustand durch Ausstrahlung von Energie zurückkehren kann, wie dies den bekannten Auswahlregeln der Atomphysik entspricht, waa einen Unterschied zu vielen anderen Zuständen der Erregung bildet. Ein Queoksilberatom, welches den Zustand 6 P« annimmt, bleibt in diesem erregten Zustand, es sei denn, dass es zu dem Grundniveau dadurch zurückkehrt, dass es einen geeigneten Energiebetrag an ein anderes Atom im Wege eines Zusammenstoßes abgibt; eine andere Art der Rückkehr besteht in Absorption von hinreichend Energie, durch welche das Atom den metastabilen Zustand verläßt und einen höheren Zustand annimmt, von welchem aus die Selektionsgesetze gestatten, dass eine Rückkehr zu dem Grundniveau unter Abgabe von Strahlung stattfindet. x\ngeiiomaten es befinden sich Queck-

■x

silberatome in dem 6 Pp-Energieniveau infolge eines Aufpralles von Elektronen, so soll nunmehr betrachtet werden, welchen Einfluss ein gleichsinnig gerichtetes Magnetfeld H , welches auf die Atome parallel zum Elektronenstrahl wirkt,

009815/0002 . BAD ««WAL

besitzt. Im betrachteten Fall sei die magnetische Feldstärke ungefähr 8,3 Gauss und entsprechend den bekannten Vorgängen des Zeeman-Effektes, wird das 6 in 5 Unterniveau3 aufgespalten, welche im Atomspektrum ungefähr 17#2 Mz auseinander liegen, wenn kein vom Kern bedingtes Drehmoment der Bewegung vorliegt. Die magnetischen Momente M der Atome in den verschiedenen Unterniveaue sind in verschiedenen Richtungen ausgerichtet, inbezug zu der Richtung des die Hiveauaufspaltung bewirkenden Magnetfeldes H . Auf diese Weise ist die z-Komponente der magnetischen Momente, d.h. die Projektion des magnetischen Momentvektikrs auf die Richtung des magnetischen Feldes H , für die Atome in dem M=O Unterniveau £leich Null; die z-Komponente für die magnetischen Momente der Atome in den Unterniveaus M = + 1 und M = + 2 Bind entsprechend größer» wobei die magnetischen Momente in den Unterniveaus M == - 1 und M = - 2 gleich aber von entgegengesetzter Richtung zu den magnetischen Momenten sind, die für die Zustände M = + 1 und M = + 2 maßgeblich sind; dies ist in Fig.3 dargestellt. Von diesen 5 Unterniveaus, werden in besonders starken Maße das Unterniveau M=O und, infolge Austausches von Elektronenspin, die Unterniveaus M = ± durch die Elektronen erregt, d.h. besonders stark besetzt durch Quecksilberatome,im Gegensatz zu den Unterniveaus M β +· 2» was eine Ausrichtung des Systemes bedeutet.

Diese Ausrichtung wird durch die Technik optischer Strahlung ausgewertet, dergestalt, dass festgestellt wird, ob solchelne Ausrichtung tatsächlich auftritt und in welchem

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I H ά <5 4 b <L

Maße . Ia Rahmen der Erfindung wird von einer Quecksilberdampflampe 14t wie sie an sich bekannt ist, beispielsweise einest normalen Queoksilberaampfgleichrichter mit im weiten Abstand angeordneten Elektroden und offen gehaltener Elektrodenanordnung, Strahlung erzeugt, welche Wellen Ton 546*3 /U/U enthält (grüne Quecksilberlinie). Biese Strahlung wird mittels einer geeigneten Linse 15 fokussiert und durch den Zwischenraum zwischen den Elektroden der Diode geleitet, sodass die Strahlung von den Quecksilberstonen absorbiert wird und dieselben von dem 6^P₂-Niveau «u dem 7 S₁ Niveau übergehen. Da keine spezielle Polarisation der 546.1 /U/U Strahlung vorhanöer ist, werden die Atome von den 5 Unterniveaus H = 0, £ 1, ^ 2 ohne Unterschied in die drei Unterniveaus K = Qj ^ 1 des höheren Energieniveaus 7 S- an^ehouen. Von diesem höheren üiveau können die Queoksilberatome zu dem Grundniveau oder zu irgendeinem anderen der 5 Unterniveaus des 6 Ip-Z-atandes unter entsprechender spektraler Ausstrahlung übersehen.

Wenn indessen die Strahlung der Quecksilberdampflampe' 14 polarisiert ist, Xn einer bestimmten Richtung relativ sun Magnetfeld H , so werden die Atome der 5 Unterniveaus niobt ohne Unterschied in den höheren Energiezustand 7 S, überführt; vielmehr werden Atome eines bestimmten Unterniveaue solche polarisierte Strahlung aufnehmen und in den höheren Energieauetand übergehen, während Atome in anderen Unterniveaus keine Strahlung absorbieren und dementsprechend in dem Unterniveau verharren werden. Wenn beispielsweise ein Polarisationsfilm 16 zwischen die Lampe 15 und die

Diode 11 eingefügt.wird, dergestalt, dass die Strahlung der

009815/00 0 2 ΒΑπ

BAD

Quecksilberlampe in einer Ebene polarisiert wird, welche parallel dem Magnetfeld H liegt, so wirkt sich die Auswahlregel AM=O der Quantentheorie aus und dementsprechend absorbieren Strahlungen nur die Quecksilberatome in den Unterniveaus M = 0, ♦ 1 und nur solche Atome werden in den höheren iSnergiei.ustand 7 S-, und zwar dessen Unterniveaus M = 0, +_ 1 überführt. »Vie daher in Fig. 2 angedeutet, wenden die Atome der Unterniveaus

M= 0, ;+ 1 des Inergieniveaus 6 Pp die Unterniveaus

ti = 0, +_ 1 des Ziiergietiiveaus 7 3- besetzen. Atome, die sich in den nicht absorbierenden Unterniveaue M = + 2 und IS = '- 2 des .^-iergieniveaus 6 P„ befinden, gehen nicht zu den höfctren üinergieniveau 7 Ii- über, aa dieses Niveau keine entsprechenden Unterniveaus + 2.besitzt.

Ide von den C,uecksilberatomen absorbierte Strahlungsenergie kann mittels einer phctoelektrischen Zelle 17 bestirnt werden, die in den Str&hlengang gebracht wird, nachdem die Strahlung die Diode durchsetzt hat; es ist daher der Gleichstrom des Ausg&ngskreises der Photozelle 17 eine direkte Punktion der auftreffenden strahlung der Wellenlänge 546.1 /U/U. ^ine Linse 18 kann verwendet werden, um das Licht auf die irhotozelle zu fokussieren. £ine Zunahme der Absorption der Strahlung in der !Diode 11 resultiert daher in einer Abnahme des Ausgangsgleichstrcmes der Photozelle 17, was als eine Zunahme oder Abnahme eines Ausgangssignales in Erscheinung tritt, wobei geeignete elektrische Verstärkungsmittel 19 und eine Auf ze i ehr. ungs vor richtung 21 X)UBT ein Oszillograph Anwendung finden.

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BAD ORiGLNAL

Da die Menge der absorbierten Strahlung direkt proportional der Zahl der Quecksilberctoue in dem abs orbierenden Zustand M = 0, +^ 1 der ünterniveaus dee Zustandes 6 Pg ist, im Gegensatz aber von den nicht absorbierenden Ünterniveaus M = hh 2 nicht abhängt, bildet die Messung der Absorption ein zweckmäßiges Mittel, um die Ausrichtung der Atome in dem 6 P₂ Energiezustand zu untersuchen·

Die Mehrzahl der Queckailberatome, welche in den iSnergiezustand 7S₁, welcher kein metastabiler Zustand ist, überführt werden, können beispielsweise im Wege der Strahlungsaussendung zu dem Grundniveau 6 Sq zurückkehren, von welchem aus sie wiederum in die Unterniveaus des metastabilen Energiezuständes 6 Pg durch Elektronenstoß überführt werden können·

Eine wesentliche Schwächung der Absorption der 546.1 /U/U Strahlung kann herbeigeführt werden, dass paramagnetisohe Resonanz Wiederausrichtung der Quecksilberatome in dem Zustand 6 P„ stattfindet, dergestalt, dass Übergänge zwischen den Zeeman-Ünterniveaus stattfinden» Indem man beispielsweise von einem geeigneten Generator 22 eine Hochfrequenz einer Spule 23, die in der Nähe der Diode 11 gemäß Fig. 4 untergebracht ist, sich auswirken läßt, und ein hochfrequenten magnetisches Feld H₁, senkrecht zu der Richtung des Magnetfeldes H erzeugt, welches die Frequenz der Larmorfrequenz (17·2 Hz) besitzt, welch letztere für die Quecksilbers tonte in dem H -Magnetfeld von 8.3 Gauss Stärke maßgeblich ist, ergibt sich eine Resonanz in den Quecksilberatomen, dergestalt, dass Δ M a + 1 Übergänge "Zwischen den magnetischen

"θ 0 9 8 1 5 / 0 0 0 2 _BAD

TJnterniveaus stattfinden. Da der Elektronenstoß nicht in beträchtlicher Weise die nicht absorbierenden Unterniveaus Ja = + 2 berührt, ergibt sich die Besetzung derselben nur auf Kosten der absorbierenden Niveaus M » 0, + 1 infolge der durch Kesonanzeffekt auftretenden Übergänge. Die geringere Besetzung der absorbierenden Unterniveaue U = 0, + 1 äußert sich in einer beträchtlichen Schwächung der Absorption der Wellenlänge 546.1 λζ αχ, was in leichter Weis· durch die Photozelle 17 angezeigt werden kann. Lurch Anwendung von Modulationsmaßnahmen, wie sie bei gyromagnetischen Eesonanzmessungen üblich sind, beispielsweise duroh Modulation des Magnetfeldes H mit einer niederfrequenten Durchlauffrequenz eines magnetischen Felde» und unter Anwendung entsprechender modulierender Spulen 24, die mit dem Durchlaufgenerator 25 verbunden sind, wird der lunkt maximaler paramagnetischer Resonanz periodisch durchlaufen und auf einem Oszillographen 26 angezeigt, wofrei die horizontalen Ablenkplatten des Oszillographen mit dem iiiederfrequenzgenerator 25 gekoppelt sind. Me Verringerung der Strahlungsabsorption, die während des Iie3onanzvorganges auftritt, zeigt sich auf der Oszillojiraphenspur gemäß Pig. 5a, Es ist offensichtlich, dass eine Modulation der Frequenz de» hochfrequenten Feldes H₁ zum Durchlaufen des Resonanzbereiches verwendet werden kann, anstelle der Modulation des Magnetfeldes H . Es kann auf diese Weise die paramagnetische Resonanz festgestellt werden, durch Auswertung der Ausrichtung der Atome, indem die Absorption polarisierter optisoher Strahlung untersucht wird.

009815/0002 _BAD o^GiNAL

Wenn die nicht absorbierenden Unterniveaus stärker

absorbierenden
besetzt sind als die/Unterniveaus vor Auftreten der Resona»«, so führen die radiofrequenten Uber£än£e zu absorbierenden Unterniveaus auf Kosten der nicht absorbierenden Unterniveaus« Diese vergrößerte Besetzung der abeorbierenden Unterniveaue resultiert in einer Zunahme der Energieabsorption optischer Strahlung unäeiner Abnahme des Li oh te a «reiches durch die Photozelle angezeigt wird. Keint Änderung in der Lichtabsorption würde darauf hinweisen! dass gleiche Beaetsung der absorbierenden und nicht absorbierenden Unteruiveaus vorhanden ist.

Gemäß den Gesetzen der ..uantentheorie ist die 3pektralfrequena der i.ner£iequianten h¥ , welche die Zeeiaan-Unterniveaue trennt, durch die Larmorfrequenz bestimmt; diese Frequens ist eine direkte Punktion der Stärke des Magnetfeldes H . welches die Aufspaltung der Tenne bewirkt. Ftir ein bestimm'es Atom kann daher, wenn die Starke des mj £.netiaohen Feldes H bekannt ist, die Larmorfrequenz bestimmt werden und um_eekehrt. Im Beispiel des ^uecksilberatonea beispielsweise» betrug die Laraorfiequenz 17.2 MHz bei eines Magnetfeld von 8.3 Gauss Stärke· Die Anwendung der vorliegenden Erfindung für die Zwecke der Messung von Magnetfelder:: ist daher offensichtlich, hin für praktische Zwecke teeitnetea Uagnetoceter ist in Fi^:. 6 dargestellt. der vorstehend erörterte paramagnetische Resonanzapparat , der eine Anordnung zur 3t5StiL:mung optischer Strahlen umfaßt, wird in ein unbekanntes magnetisches Feld Hq ^ebraucht und die Frequenz dee vom Generator 22 bewirkten hochfrequenten

0 0 9 8 15/0002 BAD W*

Magnetfeldes wird so eingestellt, dass maximale Strahlungsübertragung durch die Photozelle 17 angezeigt wird, was maximale paramagnetische Resonanz charakterisiert. Von dieser Larmorfrequenz kann diät magnetische Feldstärke leicht berechnet werden. Die Spulen 24 liegen in einem Stromkreis mit einem Widerstand 27. Die Ausgangsenergie des Verstärkers 19 wird einem Phasendetektor 28 zugeführt, welchem ein Bezugssignal von dem niederfrequenten Durchlaufkreis geliefert wird. Die Ausgangsenergie des Phasendetektors ist ein· Gleichspannung, deren Vorzeichen davon abhängt, ob die Resonanz inbezug auf das Resonanzmaximum nach der hohen oder niedrigen Seite verschoben wird, und die Stärke der Ausgangsenergie hängt von der Größe der Verschiebung ab. Das Gleichstromsignal wird dem Widerstand zugeführt, um dem magnetischen Felde eine Vorspannung zu liefern, die automatisch eine Verschiebung der Resonanz auf ihrem Maximalwert bewirkt. Die erforderliche Gleichstrom-Vorspannung wird an einem Strommessgerät 29, welches in magnetischer Feldstärke geeicht ist, angezeigt. Es ist auch möglich, verschiedene Arten van Atomen spektroskopisch zu untersuchen, indem man die vorgenannte paramagnetische Resonanzmethode anwendet und zuvor genau die magnetische Feldstärke H bestimmt hat, sowie die Hochfrequenz und die optischen Frequenzen. _;

Das vorstehend erörterte Beispiel der Quecksilberatome und der optischen Polarisation parallel zu dem Magnetfeld H dient dem Zwecke, die Erfindung zu erläutern. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung

009815/0002 BAD ORIGWAL

nicht auf die Anwendung von Quecksilberatomen beschränkt ist, aber vielmehr auf eine große Anzahl anderer Atome und anderer Quantensysteme anwendbar ist. Es kann auoh die Richtung der Polarisation des Lichtes entsprechend den Quantensystemen und den zu erzielenden Resultaten gewählt werden. Wenn beispielsweise, im Fa Ie der dargestellten Quecksilberatome, die optische Strahlung senkrecht zu dem Feld H_Q polarisiert ist, und nicht parallel zu demselben, so herrscht die Auswahlregel ^ΔΜ = + 1 vor. In diesem Falle zeigt es sich, dass die M. = +_ % Unterniveaus stärker- absorbieren und dementsprechend findet eine Vergrößerung der Absorption statt, wenn durch Anwendung hochfrequenter Resonanz die vorgenannten Unterniveaus stärker besetzt werden ; dies ist in Fig. 5b dargestellt. Die optische Strahlung kann auch zirkulär polarisiert sein, in welchem Falle die Auswahlregeln

h M = + 1 oder AM = - 1 gelten, je nach der Richtung der zirkulären Polarisation. Wenn unpolarisiertes Licht bei dem Quecksilberdampfversuch verwendet wird, ergibt sich eine Verringerung der beobachteten Absorption, welche dem Unterschied der Signale gemäß Fig. 5a und Fig; 5b entspricht, weichletztere für ifichtpolarisation parallel und senkrecht zum magnetischen Feld maßgeblich war. Wie zuvfr erörtert wurde, ist der Absorptionskoeffizient K» der eich bei ausgerichteten Systemen ergibt, ein Maß für die Stärke der Ausrichtung. Irgendein Vorgang, der die Ausrichtung beeinflußt, wie die erörterte gyromagnetische

009815/0002

Resonanz, werden sich daher auf die Größe des Absorptionskoeffizienten auswirken. Andere Mittel zur Bestimmung der Wiederauariehtung, die von Interesse sind, sind Übergänge zwischen verschiedenen feinstrukturellen Zuständen, die im allgemeinen durch die Qua,ntenzahl 3? bezeichnet werden· Beispielsweise besitzt das Quecksilberisotop 199 zwei feinststrukturelle Zustände F = 3/2 und 5/2. Indem man ein Mikrowellen-frequentes Magnetfeld senkrecht zum Feld H verwendet, können Übergänge Δμ_β = 0, + 1, F = + 1 bewirkt werden, deren Wiederausriehtungseffekt ähnlich demjenigen des Vorganges AH = + 1, AB' = 0 der zuvor erörterten hochfrequenten Übergänge ist.

In Fig. 7 wird eine andere Ausfünrungsform der Erfindung erläutert, welche ein evakuiertes aus einer Glaskugel bestehenden Absorptionsgefäß 31 von etwa 1 Liter Inhalt vorsieht, wobei das Gefäß eine geringe Menge metallischen ffatriums in Gleichgewicht mit seinem Dampf unter einem Argondruck von ungefähr 30 mm Quecksilber aufweist. Das Absorptionsgefäß wird auf eine Temperatur von etwa 130 - 150⁰Cerhitzt, dergestalt, dass eine ungefähr 50jSige Absorption eintritt» Das Argon wirkt als Puffergas für das natrium und demzufolge ergibt sich eine Eelaxationszeit von ungefähr 0,21 sek. für die Ausrichtung der Uatriumatome. Der tatsächliche Dampfdruck unter den Bedingungen des Experimentes betrug ungefähr 10 ' mm, was auf einer Berechnung^ in der die lichtabsorption zu Grunde gelegt wird, beruht, und unter der Annahme gilt, dass ein Gleichgewicht zwischen der Absorption durch die

Glaswandungen und Verdampfung von der Metalloberfläche : 009815/0002

noch nicht erreicht war. Indessen betrug bei den bis jetzt getroffenen Ausführungeformen die Oberflächenbedeckung durch Alkalimetall in dem Absorptionsgefäß ungefähr 1/10 der gesamten Innenfläche des Gefäßes, sodass man annehmen kann, dass unter den gegebenen Temperaturbedingungen eine verhältnismäßig gute Näherung des Dampfdruokgleichgewichtes erreicht ist.

2 Dae Grundniveau der Natriumatome ist das 3 S₁ /₂ Niveau,

in welchem in Anbetracht des totalen Drehmomentes der Bewegung eine Aufspaltung in zwei feinststrukturelle Zustände P * 1 und P * 2 auftritt, vergl. Fig. 8. Das Absorptionegefäß befindet sich in einem Magnetfeld H₀, welches beispielsweise das erdmagnetische Feld sein kann,und der P * 1 feinststrukturelle Zustand wird in drei ZeemantJnterniveaus H * 0, + 1 aufgespalten, während der F = 2 Zustand in 5 Zeaman-Unterniveaus H=O, + 1, + 2 aufgespalten wird; diese Zeeman-Unterniveaus sind im atomaren Spektrum durch die Larmorfrequenz der Natriumatome in dem Magnetfeld H getrennt. In dem erdmagnetischen Feld von ungefähr 1/2 Gauss Stärke, ist die LarmorfrequenE ungefähr 350 kHz.

Eine Quelle optischer Strahlung der Weilenlänge 589«6/U/u befindet sich in Form einer koEmerziellen !Fatriumdampflampe 32 vorgesehen, welche von einer Batterie 33 gespeist wird; die Lampe befindet sich in einem Dewar-Gefäß, welch letzteres nicht dargestellt ist. Eine Katriumdampflampe der Type NA-1 der Pirma General Electric Company wurde verwendet. Bei kürzlich ausgeführten Versuchen mit Kalium wurde eine Osramkalium-Spektrallampe verwendet. Die Strahlung dieser Lampe wird mittels einer Kondensatorlinse 34 durch einen zirkulär

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polarisierenden Film 35 in das Absorptionsgefäß 31 gerichtet. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist die optische Strahlung parallel zu dem Magnetfeld H polarisiert und die zirkulär polarisierte Strahlung ist im Uhrzeigersinn polarisiert, wenn man von'der Strahlungsquelle 32 in Eichtung zu dem Gefäß 31 blickt. Die optische Strahlung der Lampe 32 wird, nachdem sie das Gefäß 31 durchsetzt hat, mittels der Linse 36 auf eine Vakuumphotozelle 37 gerichtet, deren Ausgarigsenergie mittels eines Breitbandverstärkers 38 verstärkt wird und auf einem Oszillographen oder einem Schreibgerät 39 zur Anzeige gebracht wird.

Entsprechend den Auswahlregeln der Quantentheorie bewirkt die zirkularpolarisierte optische Strahlung ^M = '+ 1 Übergänge der Kä.triumatoise zwischen dem Grund-

2 2

niveau 3 S₁ /p und dem Niveau höherer Energie 3 J?i/? > welche im Spektrum um die Wellenlänge 589.6yU/U getrennt sind.

2
Der Zustand 3 f|/2 *ird in zwei feinststrukturelle Zustände F = 1,2 aufgespalten, wie dies Fig. 8 zeigt, wobei diese Zustände wiederum in drei und Zeeman-Unterniveaus aufgespalten sind. In Anbetracht der Auswahlregel £kl£ ■=..+ 1 absorbieren sämtliche liatriumatome der Zeeman-

2 ' ■

IJnterniveaus des 3 S₁ μ Zustandes, mit Ausnahme M = + Unterniveaus des F= 2 feinstrukturellen Niveaus Energie der »ellenlange 589,.6/U/U und werden dadurch auf die

Niveaus 3 P. /- gebracht. Die .Atome in diesen höheren Energieu^ können zu den Unterniveaus des Grundzustandes

übergehen, indeia die erforderlichen Energiequonten im V?ege

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"00981 5/0002 ■■--.-.

*~ jj —

der Strahlung oder durch Zusammenstöße und dergleichen Vorgänge abgegeben wird, wobei die Gesetze der Cuantentheorie es zulassen, dass die Atome zu den verschiedenen Unterniveaus ohne Unterschied übergehen. Dementsprechend gewinnen die nicht absoroierenden Unterniveaus M = + 2 Atome auf Kosten der anderen Unterniveaus, bis sich ein Sättigungszustand der Polarisation einstellt.

Die Stärke der absorbierten Strahlung, kann durch Anwendung einer photoelektrisohen Zelle bestimmt werden, deren Ausgangsstrom eine direkte Punktion der auftretenden Strahlung der Wellenlänge 509.6 /u/u ist. Sa äußert sich daher eine vergrößerte Strahlungsabsorption des Absorptionsgefäßes 3 t in einer Abnahme des Ausgangsgleichstromes der Photozelle 37» was als eine Zunahme oder als eine Abnahme eines Signalstromes zu. werten ist, dergestalt, dass geeignete elektrische Verstärkungsmittel ein Schreibgerät 39 beeinflussen können» Da die Stärke der Strahlungsabsorption direkt dem Anteil der Natriumatome in dem ab-

sorbierenden Unterniveaus 3 S- /^ entspricht, aber nicht durch die nicht absorbierenden M = + 2 bestimmt ist, bildet eine Absorptionsmessung einen sehr nützlichen Weg, um die

2
Ausrichtung der Atome in den 3 3-j /g' Energie zuständen- zu

bestimmen, und zwar sowohl qualitativ als auch quantitativ.

Unter praktischen Verhältnissen ist indessen das Verfahren des optischen Pumpvorganges zur Bestimmung der Ausrichtung der Hatriumatome wesentlich komplizierter, als dies in dem vorangehenden einfachen Beispiel erörtert wurde, beispielsweise ist in dem Watriumlicht zusätzlich eine Strahlung 589.0/UyU zu der Strahlung 589« 6/UyU vorhanden;

009815/0002 BADORiOiWAL

diese beiden Strahlungen bilden die beiden sogenannten B-Linien, des natrium. Die genannte 589.OyUyU Strahlung besitzt die geeignete Frequenz, um liatriumatome von ihrem

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Grundniveau in den Zustand 3 2-z/o ^zu befördern, welch letzterer Zustand aus 4 superfeinen Zuständen P=O, I₁ 2 und 3 sioh zusammensetzt, wobei letztere* wiederum 16 Zeeman Unterniveaus bilden. Diese Erscheinung beeinflußt die Zahl der -latriumatome, welche die Unterniveaus des Grundzustandes besitzen, indem das Verhältnis der Übergangswahrscheinlichkeiten für den optischen Pumpvorgang von den Zeeman-Uhterni.veaus des Grundzustandes und deren relative Besetzung eine Punktion des Verhältnisses R der Intensität der Y»e3Lenlänge 589,.6.u/U zur Intensität der 'Wellenlänge 589.0 yUyU ist. Wenn die Intensitäten der beiden Wellenlängen 589«6/U/U und 589.0/UyU gleich ist, d.h. der Faktor Έ. = 1 ist, sind sämtliche Zeeman-Unterniveaus des Grundzustandes in gleicher Weise besetzt, und es tritt keine Ausrichtung dee Systemes auf. Wenn indessen R größer wird, so nehmen die M = + 2 Unterniveau des superfeinen Zustandes P = 2 nicht absorbierenden Charakter an und sie werden dann relativ zu den übrigen Zeeman-Unterniveaus überbesetzt; auf diese 7/eise ist die Größe der Ausrichtung einer Punktion des Verhältnisses der Intensität der verschiedenen Strahlung der Natriumlampe. Es stehen kommerzielle Ha-triumlampen zur Verfügung, bei welchen ein wesentlicher Untemehied zwischen den Intensitäten der beiden D-Linien vorhanden ist. Man kann auch die eine oder die andere der D-Linien auafil trier en, falls dies erwünscht ist, und auf diese Weise kann man eine ' Strahlung, die vollkommen rein der D|-Linie entspricht* er-

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BAD

halten» dergestalt, dass eine Konzentrierung der Atome in den Zuständen F = 2 und M = 2 erreicht wird, die im wesentlichen unabhängig ist von der Art der Rückkehr zu

2
dem P-Niveau.

»ie f«r einen iachc»ann offensichtlich ist, können auoh andere Ausrichtprozesse stattfinden, beispielsweise Ausriohtprozesse bedingt durch zirkularpolarisierte Natriumliclitstrahlung, die entgegengesetzt, wie zuvor erörtert, polarisiert ist, nämlich im Gegenuhrzeigersinn; die Quantentheorie liefert hierfür die Auswahlregel ÜK = und dft-S M = - 2 magnetischen Unterniveaus des superfeinstrukturellen Niveaus Jf ~ 2 des Urundzustandes iat ein nicht absorbierendes Niveau und wird im Vergleich zu den übrigen magnetischen Unterniveaus überbesetzt sein.

Jeder Effekt, welcher £äi? die relative Besetzung der magnetischen Unterniveaus zu verändern bestrebt ist, und eine Änderung in der Anzahl der Atome der absorbierenden Unterniveaus bewirkt, liefert eine Änderung in der Intensität des ausgestrahlten Lichtes» Beispielsweise nirrjEt das ursprünglich ausgesendete Licht der Intensität I^ während der Ausrichtung der Atcne in den 1.1 = + 2 Zustand, gemäß des Systeiiies der Pig. 7, auf den Wert I₁ + ΛI zu. Wenn in adiabatischer \.eise die Sichtung des I'.agnetfeldes H zusammen mit der Achse urr ^uqntisierurit, umgekehrt wird, wobei die 3eset^u.igsVerteilung unverändert bleibt, oder wenn nur die 2ix-kularpolari3ation des Lichtes von der Uhrzeigerriclitur^ in die Jegenuhrzeigerrichtung umgekehrt wird, herrscht anstelle der Auswahlregel -λ 'J. - -<- 1 die Auswahlregel

009 8 1 5 /OC02

BAD ORIGINAL

Λ M = - 1; das zuvor nicht absorbierende.. Unterniveau M = + 2 wird sofort zu einem absorbierenden Biveau, während das Niveau M = - 2 von einem absorbierend en Unterniveau in ein nicht absorbierendes Unterniveau umgewandelt wird. Ia hierbei das absorbierende Untemiveau M = +2 überbesetzt war, werden die in diesem Niveau befindlichen Atome lichtabsorbierend und. es ergibt sich daraus eine beträchtliche Abnahme in dem Licht, welches auf die Photozelle 37 fällt. Die Intensität des Lichtes nimmt unmittelbar von dem Wert I₁ + Al auf den Wert I₁ - Δ I ab. Indessen wird, infolge des optischen Pumpprozesses der absorbierenden Unterniveaus M = + 2 und der zunehmenden Überbesetzung der nicht absorbierenden Unterniveaus Ii- - 2, die Lichtintensität, die die Photozelle 37 anzeigt, wieder auf den Wert I₁ +^I zurückkehren. Es liegt auf der Hand, dass ein solches System die Eigenschaften eines schnell wirkenden Lichtventiles besitzt.

Die experimentellen Abklingzeiten T können aus der Neigung der Abnahme der Lichtintensität bestimmt werden. Die experimentelle Abklingzeit ΐ" der Spin-Polarisation kann in Abhängigkeit von der Intensität I₀ des in das Absorptionsgefäß 11 eingestrahlten Lichtes aufgetragen werden. Diese Darstellung gestattet die Bestimmung der Relaxationszeit I des 3pins_r die von der Zeit T* unterschieden werden muß.

Im vorstehenden wurden iiatriumatome erörtert, um die Erfindung zu beschreiben. Es ist indessen offensichtlich für Jeden Fachmann, dass die Erfindung nicht auf Natriumatome beschränkt ist, dass sie sich aber ebenso auch auf andere

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• ■ . ■-■ BAD GRi

Alkaliatome wie zum Beispiel Kalium, Rubidium und Caesium.

Zwei ilachteile, die die Verwendung von Natrium mit sich bringt, liefen einerseits in der verhältnismäßig hohen Temperatur, die sowohl für die Lichtquelle als auch für die Absorptionszelle (23O⁰C und 140⁰C) benötigt wird und in dem engen Abstand von 0,6..uyu der .iatrium-D-Linien, was es schwierig macht, eine dieser Linien auszufiltern. Im Falle der Alkalimetalle Kalium, aubidium und Caesium sind die Spektrallinien, welche die Energieniveaus P-i/o ^¹^ ^-, /ρ erregen, verhältnismäßig weit voneinander getrennt und können durch Anwendung von Interferenzfiltern isoliert werden. Kalium ist für viele Anwendungszwecke der Erfindung sehr geeignet. Die Arbeitsbedingungen einer Kalium-Absorptionszelle sind optimal bei 60⁰C, was eine sehr günstige Temperatur für die Umgebung darstellt. Die beiden Spektrallinien von Kalium, die von Interesse sind, sind 766.5 und 769»9/U /u, wodurch sich ein sehr günstigeres Filterungsproblem ergibt als im Falle von Natrium. Rubidium hat den Vorteil, dass es eine sehr hohe Superfeinstruktur-Konstante besitzt, was zur FoI^e hat, dass im erdmagnetischen Felde eine sehr kleine Aufspaltung entsprechend dem Back-Go^smith-Effekt auftritt; die beiden interessierenden Spektrallinien sind mehr als 10/U/U voneinander getrennt (7Ö0.0 bzw. 794.8/U/u), was die Filterung außerordentlich einfach gestaltet. Die Arbeitstemperatur der Kubidium-Absorptionazelie liegt nahe bei der Raumtemperatur. Caesium (852.1 ~ 894.3/^u/^u) benötigt noch geringere Arbeitstemperaturen und erfordert unter Um-

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ständen sogar Kühlung. Caesium hat einen höheren Arbeits-Danipfdruck und daher kommt man mit geringeren Mengen einer Probe aus. Lithium hat einen sehr niedrigen Dampfdruck und erfordert hohe Arbeitstemperaturen und es sind ; auch die beider. Spektrallinien sehr nahe beieinander gelegen, weniger als 0.1 /α al getrennt.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass der Druck des I-uffergase3 bei einer bevorzugten Aus führung sform der Erfindung wesentlich höher ist, als man bisher annahm. Eie bisher verwendete Technik, welche das optische Pumpen von Alkalistonen zugrunde legte, verwendete Puffergaße eines Iruckes von ungefähr 1 mm Hg und es ergab sich dadurch eine Ausrichtung der optisch erregten Zustände. Der thermische Helaxationspros-ess in optisch erregten Zuständen ist viel kürzer als in den Grundzuständen und, im Gegensatz zu de/i Grund zustand en, wird der Lelaxationsvorgang zu einem hohen Maße durch_vZusammenstöße zwischen den Alkaliatomen und dem Puffergas bewirkt. Auf diese Weise ergibt es sich, dass bei hohen Puffergas drucken (jOima Hg), was bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig ist, um die langen üelaxationszeiten des Grundniveaus zu erreichen., die Besetzungsverteilung in den ünterniveaus des

2 ■
erregten -Zustandes P wesentlich statistisch bedingt ist, bevor Emission stattfindet. Unter diesen Bedingungen nimmt die Polarisation der Ilesonanzfluoreszenz den Wert Null an und die zuvor entwickelten Methoden zur Anzeige der Ausrichtung versagen in solchem Fall; indessen versagt nicht das erfindungsgemäße Verfahren der Anzeige aufgrund der ■ ■

0 0 9 8" 1 S / 0 0 0 2 ^ßAD OSi

Lichtübertragung. Bei dem letzteren Verfahren ist nur

ρ
die Ausrichtung der S Grundniveaus maßgeblich, während

ρ
die Unordnung der P Zustände belanglos ist.

Eine wesentliche Zunahme der Absorption der 589.6 /U/U Strahlung in Natrium-Atomen kann erzielt werden, wenn man paramagnetische Resonariz-Wiederausrichtung der Na-

2 triumatome in den Energiezustand 3 S₁ s_n vornimmt, sodass Übergänge zwischen den Zeeman-UnterniveauB bewirkt werden. ?renn man daher mittels eines geeigneten Generators 41 und einer Hochfrequenzspule 42, die in der .,ähe des Abaprtionagefäßes 31 angeordnet wird, ein hochfrequentes magnetisches Feld H₁- senkrecht zu der Richtung des magnetisohen Feldes H wirken läßt und die Larmorfrecuenz (35OkHz) der Natriumatome im magnetischen Feld der Erde H₀ von unge- · fähr 1/2 Gaues Feldstärke sich ausbildet, vollzieht sich ein Eesonanzeffekt der Natriumatome, wenn Δ K = + ¹ übergänge zwischen den magnetischen Unterniveaus bewirkt werden. Jlie absorbierenden Zeeman-Unterniveaus werden dann auf Kosten der nicht absorbierenden Zeeman-Unterniveaus Ii = + 2 während der Reeonanzübergänge in stärkerem Kaße besetzt. Eie Zunahme der Besetzung der absorbierenden Unterniveaus äußert aioh in einer wesentlichen Schwächung der Wellenlänge 589.6/U/U, die durch die Photozelle angezeigt wird. Inden man das magnetisohe Feld H mit einem niederfrequenten lurchlauffeld moduliert, unter Anwendung entsprechender Modelationsspulen 45 und eines Durchlaufgenerators 44, wird der Zustand maximaler paramagnetischer Resonanz periodisch durchlaufen und auf einem Oszillographen 45t dessen horizontale Ablenkplatten' mit dem niederfrequenten Generator gekoppelt werden, kann eine

^009815/0002 BAD ORKHNAL

Anzeige erfolgen, lie Abnahme der hindurchgelassenen Strahlung, die während der Resonanz sich ergibt, ist durch die Gszillographenspur eier Fig. 9 charakterisiert. £s ist offensichtlich, dass die Modulation der Frequenz des hochfrequenten magnetischen Feldes H₁ verwendet werden kann, um den Lesonanzbereich zu durchlaufen, statt dass Modulation des magnetischen Feldes H angewendet wird. IiS kann auf diese Weise die paramagnetische Resonanz durch die Anzeige der Ausrichtung der Natrium-Atome im Wege der Beobachtung der Absorption et©? einer polarisierten optischen Strahlung festgestellt werden, wobei die optische 3trahlung -dazu benutzt wird, die Atome auf optischem Wege einem Pumpvorgang zu unterwerfen.

Eine ähnliche Situation ergibt sich, wenn Mikrowellenübergänge der Feldstärke 0 und entsprechend AF = -£.-1 ; ΔΜ = C, _+ 1 durch Anwendung eines hochfrequenten magnetischen Feldes geeigneter Richtung und Frequenz zwischen superfeinstrukturellen P-iJruppen bewirkt""wird; für ..atrium beträgt die Frequenz 1772 1/.Ez, Ein anderer Weg ist, dass I und J in starken magnetischen iSLdern voneinander entkoppelt werden. Ler Fall Δ F = ± 1 ; A 14 = 0, _+ 1 iiiikrowellenübergänge, die zwischen superfeinstrukturellen F-Gruppen von !{atriumatomen bewirkt werden, ist in Fig. 10 dargestellt./⁷^ Lurch ein magnetisches Feld der gyromagnetischen Resonanzfrequenz von 1772 IiJ-Iz, wobei das Feld parallel den gleichsinnigen magnetischen leid liegt, werden Übergänge AK= ausgelöst und wenn die Orientierung senkrecht ist, treten Δ Iu*= +/ 1 übergänge auf.

: 0098 15/000 2

BAD O

r ^M

/' Gemäß den Hegeln der Quantenmechanik sind in achwachen magnetischen .Feldern die übergänge zwischen dem ]? = 2; M = O iiiveau und dem F= 1; IJ = O Iliveau unabhängig von der magnetischen Feldstärke.

BAD ORIGINAL 009815/0002

Die NaLriumdampf-Resonanzlinie hat eine thermische Relaxationszeit T-, von ungefähr 0,2 sek, wie bereits eingangs bemerkt wurde, und eine Linienbreite, die entsprechend' schmal ist, entsprechend einer Breite in einem magnetischen leid von ungefähr 10~ Gauss. Die Gründe für diese extrem geringe linienbreite liegen vermutlich in folgendem! £i)-l?s treten in Anbetracht der geringen ^ Zahl der Natriumatome in den Absorptionsgefäß nur wenig Zusammenstöße

solcher Atome miteinander auf.
b) Durch den-hohen. Druck des Puffergases wird ein häufiges Auftreten von Zusammenstößen mit der ,Vandung verhindert.

Die Anzahl der ^atriumatome in den Äbaoxptionsgefäß

-7
bei diesen Dampf-Druck von 10 mm Hg ist so gering, dass die Resonanz unter Anwendung üblicher iLesonanzmet¹ öden mit Hochfrequenzspu3 en oder Eohlraumresona^itoren, die eng mit dem zu untersuchenden Stoff gekopptel werden, nicht möglich ist«. Die optische Anzeige dieser Resonanz liefert ein Anzeigeverfahren von einem äußerst ^üristigen Signal-Störgeräuschverhältnis-. Bei diesem Veifahren äußert sich die Absorption eines ^uants oder eines ihotons von Hochfrequenzeiaergie in tbergängeri der iiatriumatome zwischen Zeeman-Unterniveaus durch die Absorption eines durchgelassenen Lichtstrahles bestehend aus Lichtphotonen. Im erdmagnetisehen Feld ist die Frequenz eines Hochfrequenzphotons ungefähr TO Hz, während die Frequenz eines optischen Photons ungefähr

15
10 Hz ist. Dementsprechend ergibt sich eine Verstärkung von ungefähr 10^J der absorbierten Energie In" einem Resonanzvorgang. Diese Betrachtung dient dem Zwecke, zu erklären, warum außerordentlich günstige Signal-Störgeräuschverhältnisse

009815/0002 ⁰'

bei den Experimenten erzielt werden können, obwohl der Vorgang der Anzeige de3 durchgelaasenen Lichtes durch ein Lichtanzeigemittel, wie es eine xhotozelle darstellt, ein relativ wenig wirksamer Vorgang ist» für aie besten photoempfindlichen Jc:ichten ergeben sich nämlich ungefähr 10 Quanten pro Llektron, was ungünstig ist im Vergleich mit denjenigen, die für die Anzeige von Hochfrequenzenergie verwendet werden. Der Unergiegewinn, der durch die magnetischoptieohe Verstärkung erzielt wird, ist so außerordentlich, dass er sämtliche übrigen Verluste in den System in hohem lila ße wettmacht.

Da die Spektralfrequenz der Ei ergie-tUanteri h \f , »eiche die Zeeman magnetischen Unterniveuus trennt, eine direkte Funktion der Stärke des magnetischen Feldes H , welches die üiveauaufspaltung bewirkt, ist, verausgesetzt, dass man mit demselben Atom es zu tun hat, läßt sich die Larinorfreouenz bestimmen, wenn die magnetische Feldstärke H bekannt ist und umgekehrt. 3ei dem Beispiel des ^atrium-•tomes, das benutzt wurde, ist die Larmorfre^uenz 35C kHz in Falle eines magnetischen Feldes von 1/2 Gauss. lie Ausnutzung dieser Seite der Erfindung gestattet, eine Magnetometeranordnun_b hoher ücipfindlichkeit und schnellen Aneprechvermb_ce:i8 zu bauen. Eine praktische ilagne tometeranordntmg ist in Pig. 11 gezeigt. Ter zuvor erörterte paraaagnetische Reecnanzai-parat, der eine Anordnung zur Oeesung optischer Strahlung ausnützt, wird in ein unbelEftnntee magnetisches PeId H gebracht und die Frequenz des Eur Wirkung gebrachten hochfrequenten magnetischen

0 0 9 815/0002 BAD ORIGINAL

Feldes, welches durch den Generator 41 erzeugt wird, wird eingestellt, bis durch die Photozelle 37 minimale durchgelassene Strahlung angezeigt wird, was ein Zeichen dafür ist, dass man es mit maximaler paramggnetischer Resonanz zu tun hat. Von dieser Larmorfrequenz kannflie magnetische Feldstärke leicht bestimmt werden j die Ausgangsenergie des Verstärkers 38 wird auf einen Phasendetektor 46 geleitet, dem ein Bezugssignal , das ebenfalls von dem niederfrequenten Durchlaufkreis 44 abgeleitet wird, zugeführt wird. Die Ausgangsleistung des Phasendetektors 46 ist eine Gleichspannung, deren Vorzeichen davon abhängt,' ob die Resonanz na£h der linken oder der rechten Seite von ihrem Maximalwert verschoben wird, und deren Größe von der Größe der Verschiebung abhängt· Diese Fehlersignal-darstellende Gleicl spannung wird auf einen Frequenzabetimmkreis 47 übertragen, welcher automatisch den Generator 41 auf deW Optimalwert der Resonanz einstimmt· Ee kann selbstverständlich ein Aufzeichen&erät mit Aufzeichenstreifen benutzt werden, um die Frecuenz oder das Federsignal in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke aufzutragen. Die Magnetometeranoränung eignet sich besondere für J£a£netometermessung auf Flugzeugen in kontinuierlicher Weise« Das Meßsystein spricht auf schnelle Änderungen der magnetischen Feldstärke sehr gut an und di« !tesonanafjrequenz iet jjnabl üngig von der Orientierung des Instrumentes im magnetischen Feld und es sind daher keine speziellen -Lage bed indungen hinsichtlich deß erdmagnetiechen feld«· bei.Benutzung auf ilug^eugen *« «rföll*n* Is ie* Mi* B·- atittotheit möglich_;f ein liagnetoaeter zu konstruieren, welche»

■ BAD ORfGINAL

ein Störniveau von 0,01 Graiama besitzt.

'c.enn die im Zusammenhang nit fig. 10 erörterten von der Feldstärke unabhängigen superfeinstrukturellen übergänge ausgenützt werden, bildet die in Fig. 11 dargestellte Anordnung in Anbetracht der Unabhängigkeit von der Feldstärke keine ijeei^nete liiagnetometer-Au^führungs· form. Indessen wirkt sie in der Weise, dass 3ie sehr genau den Hochfrequenzgenerator stabilisiert, dessen frequenz der superfeinstrukturellen Übergangsfrequenz entspricht ( 1772 MHz für Natrium). Wegen der Unabhängigkeit von der Feldstärke ist ea zweckmäßiger, die Hochfrequenz des Generators 41 zu modulieren, sodass die Resonanz durchlaufen wird, atatt das Feld H zu modulieren, um Frequencetabili« tät zu erreichen.

. BAG 0 0 9 8 15/0002

- 44 - V

-von 0.01 GamBia besitzt. Es ist auch möglich, verschiedene Alkaliatome spektroskopisch im ^ve^e der paramagnetischen Resonanzmessung zu untersuchen, wenn man ^enäu die m &:vetischen Felder H , die Hochfrequenz und die zur Übe τ* tragung gelangenden optischen Frequexizen bestimmt hat.

Das vorstehend erörterte Beispiel der .Jatriiunatome wurde verwendet, um die Anwendungsfähi^iceit auf paramagnetische Resonanzen der Erfindung zu erläutern. Es ist selbstverständlich offensichtlich, daa3 die Erfindung nicht auf die Anwendung von jJatriumatomen beschränkt ist, das» sie aber in gleicher Weise auch in diesen Fällen andere Alkaliatome, wie beispielweise Kalium, Eubidium und Caesium betrifft; allerdings sind in diesem Falle die besonderen Eigenschaften dieser Atome zu beachten» Si besitzt indessen Caesium keine allgemeinen Isotopen der Spinzahl 3/2, sämtliche haben größere Spins, was aioh in einer niedrigeren LaraorfreQuenz in einem bestimmten Magnetfeld äußert, und daher ist Caesium für Magnetometeranordnungen nicht von besonderem Nutzen· Inbezug auf die übergänge zwischen iuperfeiristrukturellen F-GTuppen dieser Alkaliatome ist zu bemerken, dass die superfeinstrukturelle Trennung für Kalium (K*^) 462 MHz ist, für Rubidium Rb⁸⁵ = 3036 JiHz, für· Hb⁸⁷ * 6835 JiHe , und für Cs = 9193 MHz". Ia nachfolgenden soll nunmehr die Modulation einer optischen Strahlung unter Anwendung der Absorption von Quanten-Systemen, die eine mit der Zeit sich ändernde Ausrichtung zeigen,beschrieben werden; es handelt sich'somit um die "Technik gekreuzter Strahlen".

0 0 9 8 1 5 / 0 0 0 2 ■■ ν ^ 'V

BAD

- ¥5 - If*}

Bevor im nachfolgenden eine bevorzugte Auafiihr dieser Anwendun&smöglichkeit der Erfindung unter Benutzung von Alkalimetalldampf beschrieben wird, sollen drei wesentliche Prozesse, die Ausrichtung, die zeitliehe Änderung der Ausrichtung, und die Modulation optischer Strahlung , unter Zu^rundelegen eines theoretischen Fallt· mit Atomen, die nur ein Valenz-Dlelitron besitzen, aber ein Kernspin gleich Null aufweisen, besprechen werden. Um zunächst die anfäri£liche Ausrichtung zu erzielen, soll bei diesem Ausführungsbeispiel die Polarisation parallel zur Z-Achse liefen unter Anwendung des Vorganges de· optischen Pumpens. Der optische Pumpproeeee wurde bereite eingangs erörtert. Es soll hier kurz der Vorgang dee Pumpenβ zusammengefaßt werden unter Anwendung optischer

2 2

Übergänge von des S₁/o Grundniveau au einem erregten ϊ

Niveau, wobei der Strahl Zirkularpolarisation unter Hesonansbedingungen besitzt und parallel «ur z-Achse liegt. Infolge der zirkulären Polarisation gilt die Auswahlregel ΔΜ- « + 1 und nur Atome in dem Zustand IL, = -1/2 führen

E ja

Übergänge zu erregten Zuständen aus, von welchen sie unterschiedslos wieder zurückkehren.(vergl. Fig* 12). Dementsprechend gewinnen die M=+ 1/2 Grundunterniveaua Atome auf Kosten der M * - 1/2 Unterniveaus, was sich in einer tlberbeaeteung der nicht absorbierenden Unterniveaus äußert, d.h. Xn einer Ausrichtung, al« Folgeerscheinung des optlsohvn I>u«pToreange·. Auf diese Weiae ergibt sich al« Geiteffekt «in eakroekopieohea Monent läng« der Richtung

dea magnetischen Peldes als Endeffekt des optischen Pumpvorganges. Bei der vorstehenden Behandlung wurde die Pumpstrahlung gemessen, nachdem die Atome gepumpt wurden, wobei die Intensität des durchgelassenen Lichtes sich ändert, wenn der relative Anteil der Atome in den nicht absorbierenden Energieunterniveaus sich ändert, ein Vorgang der für die IJessung der Ausrichtung benutzt wird. Abgesehen von der Erzielung einer anfänglichen Ausrichtung durch Anwendung des optischen Pumpvorganges, v.ie er gerade erörtert wurde, kann eine größeren Anzahl anderer Ausrichtoethoden verwendet werden. Um nur einige solcher Ausrichtmethoden zu nennen, sei darauf hingewiesen, dass man das Ausrichten eines Systemes durch entsprechende 'Wechselwirkung mit äußeren magnetischen Feldern oder krystallinen elektrischen Feldern bei niedrigen Temperaturen verwenden könnte, sogenannte Ovorhauser-Effekte, räumliche Tretinmothodei., wie sie bei der Strahl te cftnik 'ir.it Atocen verwendet werden und auch 2'lektronenstoßnethoden.

Is soll nunnehr ein zweiter grundsätzlicher Vorgang zur Zrörterurig gestellt werden, bei -welchen periodisch mit der Zeit eine „L-.deruni. der Ausrichtung ausgenützt wird. Die I.'ethoden/zur Erzielung einer anfänglichen Ausrichtung, wie sie vorstehend genannt wurden, liefern im allgemeinen Ausrichtungen eines Symnie trie Charakter s, dergestalt, dass keine Präzessioics- oder schwankenden elektrischen oder magnetischen Momente eintreten und zwischen den speziellen

Atomen und ilol-ekülen e»* bestehen dann keine Phasenbeziehungen. ■ ' 013 9 8 15/0002

'.'BAD'ORIGINAL'

oämtliche Atome oder Moleküle können so betrachtet werden, dass sie aich in einem Eigenzustand der Drehmomentkomponente befinden, die durch die '.uantenzahl h charakterisiert wird, wobei ζ die Achse der Ausrichtung ist und die Ausrichtung durch die relativen BeSetzungszahlen a,, (M = J, J - 1, ..., -(J-I), -J) charakterisiert ist. nunmehr ist eine Störung erforderlich, welche das ausgerichtete System oder einen Teil desselben in einen Zustand bringt, welcher als eine von der Zeit abi angige Mischung von M-Sustiinden zu bezeichnen ist, wobei eine zeitliche Änderung der Besetzungs- ziJal a_M = äßrC'^) vorliegt. Es soll nunmehr eine spezielle kethode ,dieses Ziele zu erreichen, betrachtet werden.

Angenommen, S-. /p Atome mögen vorliegen, welche im \vege des optischen Pumpens sämtliche in dem Zustand M₂= + 1/2 gebracht wurden. Dann beschreibt die Funktion ψ = C⁺)_z» in der (+)„ die Eigenfunktion entsprechend der Drehmomentkomponente inbezug auf die z-Achse bezeichnet,vom werte + 1/2 den Anfangszustand ( vergl. Fig. 13a). >,ird nun ein magnetisches Feld H in der y-liichtung eingeschaltet, und zwar in plötzlicher Weise, so werden die Atome veranlaßt, eine Larmor-Präzession der Kreisfrequenz

in der x, z-Ebene auszuführen* Der Zustand wird nun beschrieben durch die Gleichung

^L. (₊)_{2 +} sin 4* (-)_z

und durch die anteilmäßigen Besetzungszahlen

²Jt ₄ ²Ot

^a+1/2 * ^C0S ~2— ^{} a}-1/2 ^{= sin} "~T~ .

BAD Ö09815/0002

- 46■■-■"■

9·

Beide Gleichungen zeigen die gewünschte zeitliche Veränderung. Für einen Strahl zirkulär polarisierten Resonanzlichtes, welches längs der z-Achse zur Wirkung gebracht wird, und in welchem nur ^M= + 1 Übergänge

ρ
in den erregten Zustand P-i/p auftreten können, kann nur der Anteil a_₁ >>, der Atome in dem Zustand M = - 1/2 zu der Absorption beitragen, dergestalt, dass letztere mit der Kreiafrequenz u) moduliert wird, da a« /p diese Zeitabhängigkeit aufweist.

Als weiteres 3eispiel 3oll nunmehr eine Gruppe von S-, /p Atomen betrachtet werden, die zunächst alle den Zustand Al = + 1/2 besitzen. Unter dem Einfluß irgendeiner Störung möge die anfängliche Polarisation in eiiier Richtung θ, φ inbezug auf die z-Achse gekippt sein. Der Zustand, in welch®* der Vektor ^M> , der durch die zu erwartenden Werte der Drehbewegungs-Momentkomponenten

gebildet wird, in die Richtung θ und weist, kann beschrieben werden durch

f- e =ψ (₊)_{z +} sin § e ψ (-)_g (1)

in welcher (+)_z und (-)_z zwei Eigenzmstänäe bezeichnen, in welchen M₂ = +1/2 und M_z = - 1/2 maßgeblich sind. Im einfaohaten Falle des optischen Überganges I = 1/2 -^J¹ =1/2 unter dem Einfluß zirkularpolarisierten Lichtes„ welches parallel zur z-Achse einfällt, wofür die Auswahlrc ^r**l Δμ » + 1 gültig ist, trägt nur der Anteil von ') η dem (-)jj Zustand zur Absorption bei. Dieser Anteil wird

0098 15/00 0 2

■ . . BAD

gegeben durch die Gleichung

L ²O

\ * a ι /rj = sin 15— = 1/2 (1 - cosG)

wobei θ der Winkel zwischen dem Vektor des Lrehbewegungsmomentes ^M > und dem Strahl bedeutet. Dieses Ergebnis muß unabhängig von der speziellen Wahl des Koordinatensystemes und der Eigenzustände sein. Dementsprechend muß allgemein gelten

5 = i/£ (1 -(Vp)) (3)

wobei "ST und ρ Einheitsvektoren sind, die in der Richtung des Vektors des Impulsmomenteβ.^JI> und de3 Strahles liegen. Diese einfi-.hce Vektorausdrucksweise ist zweckmäßig, wenn der Absorptionsvorgang, der durch eine vollständig in der Richtung m polarisierte Meng· beschrieben wird, sofern es sich um einen zirkulär polarisierten Strahl in der Richtung ρ handelt. Wenn das System einem statischen Magnetfeld H in der z-'-.ichtung unterworfen v.ird, so wird der Sustand von der Ueit abhängig:

^ θ -IJt , * -. © iOt , χ

Der Vektor 4.M> führt Präzessionen um die z-Achse mit dem konstanten Winkel ©, vergl. Fif 13b. In aem durchgelassenen zirkularpolarisierten Kesonanziicht kann man tatsächlich die fräzessionsbewegung der Atome "sehen". Gemäi der Formel (3) ist nur die Komponente des Moments in Hiohtung des Strahles von Bedeutung. Ixe Modulationstiefe eines Strahles in der i-Eichtung ist ein Maß für die Änderung von £M> , die Modulation eines Strahles in der '

009815/0002

/ - ■ 5β - V

y-Richtung ist ein Maß für die Änderung der^M ^ Komponente. Numerisch erhält man für den absorbierenden Anteil des x-Strahless

= 1/2 (1 - sin Ö cos Ot).

Es kann auf diese V/eise die jL-räzessionsbewegüng dazu ausgenutzt werden, um die Intensität einer optischen Jtrahlung, die sich in der χ-Richtung bewegt, mit der Fre- ^uenz der rräzession zu codulieren. ähnliche Ausdrücke könnan für optische übergänge erwartet werden, die auf höheren J, J-.₍erten beruhen, wenn das Grundniveau eine iräzeasionsbev.egung ausführt.

Als eine ό-törung .um die anfängliche Polarisationsebene um einen Winkel θ gegen die ursprüngliche z-Richtung zu kippen, wird die Anwendung eine3 magnetischen hochfrequenten l-eldes Ii₁ von der gleichen frequenz wie die freie Präzession in dem H -Feld besitzt benutzt, und eine Orien-

tierung senkrecht zu L . las pulsierende Feld H₁ kann nun in zv.ei Komponenten zerlegt' werden, die um die z-Achse mit .entgegengesetzten Lichtungen rotieren. Hur die Komponente, die mit eiern gleichen 'Zii.n wie die fe-tomsre Präzessionrotiert, braucht betrachtet zu wer der.. ,Venn man von einem Koordinatensystem, welches mit derselben Frequenz wie die

atomare Präzessior. rotiert, den "Vorgang betrachtet, ist die Bewegung der atomaren tagrietisierung dieselbe, als wenn nur ein statisches I-eld der Stärke K₁ " senkrecht zu der z-Achse

auf dae rotierende System ausgeübt würde. Die Magnetisierung füh'rt eine Präzession um H-j in dem rotierenden System

0098 15/0002

BAD ORIGINAL

ti
mit der Kreisfrequenz ¹^i=X -η— aus, vergl. Fig. 13c).

Jedes gewünschte Kippen der anfänglichen Polarisation kann daher durch Einachalten von Hochfrequenzimpulsen der richtigen Intensität und richtigen Dauer bewirkt werden· Weitere Beispiele von Präzessionsbewegungen elektronischer Momente, die für die Zwecke der Modulation ausgenützt werden können, sind bei Erscheinungen zu sehen, die durch kristalline elektrische Felder oder durch elektrische und magnetische Wechselwirkungen mit Atomkernen beruhen.

Die Bewegung im letztgenannten Fall der magnetischen Wechselwirkung zwischen Atomkernen soll nachstehend erörtert werden, Nimmt man eine rein magnetische Wechselwirkung von S₁ /p elektronischen Zuständen mit einem theoretischen Kern von unendlich großem Moment der Drehbewegung I an, so hat man im wesentlichen die gleiche Situation, die im Zusammenhang mit Fig. 13b erörtert wurde. Das elektronische Drehbewegungs-Moment J führt eine Präzession um I aus, wie das zuvor hinsichtlich M um H herum grörtert wurde, (vergl Pig. 13d). .Normalerweise befindet sioh das Elektron in einem der energetischen Eigenwertszustände, die dadurch charakterisiert sind, dass das Drehbewegungsmoment Werte P-= I + J besitzt, für die der Elektronenspin und der Kernspin parallel sind und F = Fp ⁼ ^- "* ^* ^r welchen Zustand dieselben parallel und entgegengeriohtet sind. Wenn indessen das hochfrequente Magnetfeld geeigneter Frequenz senkrecht zu I zur Wirkung gebracht wird, kann J gekippt werden und die vorstehend erörterte Präzession tritt auf. Wenn anfänglich sämtliche Systeme in einen F-Zustand; ge-

009815/0002

- gebracht wurden, d.h. den P = I + J Zustand und wenn ferner sämtliche Vektoren in der +z-Richtung gerichtet sind, ergibt sich vollständig dieselbe Situation wie in dem zuvor betrachteten Beispiel. Dementsprechend erfährt ein Lichtstrahl, der zirkulär polarisiertes Resonanzlicht enthält und in der x-Eichtung verläuft, dieselbe

Art der Modulation mit der Präzessionsfrequenz IE₂-E₁I

V „ -ο _σ = -i—= , so wie dies zuvor beschrieben wurde.

Der Umstand, dass das elektronische Moment J mit einem anderen Drehbewegungsmoment I gekoppelt ist, hat zur Folge, dass andere Ausrichtungssituationen sich ergeben können, welche nicht eine anfängliche Polarisation und damit verbundene Gesamtmagnetisierung aufweisen.

Ea sollnunmehr der Pail betrachtet werden, in welchem sämtliche Systeme sich in dem Zustand P=I+ J befinden, wobei die Hälfte de selben einen Vektor P besitzen, der in Richtung der positiven Achse weist, während die andere Hälft« in negativer z-Richtung gerichtet ist (vergl. Fig. 13e) Wenn nunmehr ein H₁-Feld kurze Zeit zur Wirkung gebracht wird, dann wird jedes System denselben Typ der Präzession zeigen, der zuvor erörtert wurde. Die Präzesslqnen sind indessen von entgegengesetztem Sinn und haben eine solche Phasenbeziehung, dass die resultierende senkrechte Komponente M^ eine oszillierende Komponente in der x-Eichtung ist, d.h. in der Richtung des hochfrequenten Feldes.

Dies stimmt überein mit Betrachtungen hinsichtlich der Konservierung der Energie. Nimmt man an, dass E ^f "% (E₁ entspricht dem Zustand F₁ = I +.J) und' (E₂ ent&p^.: rlxt dem Zustand F₂ * I -J). Ee bedeutet dann das Kippen von

009815/0002 .

J tegen I eine Zunahme der Energie und diese Energie muß durch dae Kittel, welches das Kippen bewirkt, nämlich duroh H<i geliefert werden· Es muß auch eine periodisch sich ändernde Mangetisierungskomponente M_x » M^ cos tO t Vorhandensein, welche einen Anstieg der absorbierten Leistung liefert:

^p - H - V4i Λ *ι ^Hi ^cos °^x

wobei H_x= H₁ sinvOt ist.

Dieses Resultat kann man beträchtlich verallgemeinern! betrachtet man Systeme, in welchen die Sw? Atomt irgendeiner Wechselwirkung unterworfen sind, die BU einem entsprechenden Schema von Energieniveaus führt. Wenn dann magnetische Dipoltibergänge zwischen zwei solchen Niveaus durch ein kohärentes hochfrequentes Feld bewirkt werden kann, wobei das Ubergangselement einen Beitrag durch das atomare tloment des S₁ /p Grundzustandes erfährt, so erfährt ein Strahl zirkularpolarisierten Resonanzlichtes, der in Richtung des Hochfrequenzfeldes verläuft, eine Modulation mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes, aber 90° außer Phase liegend. Die Modulationstiefe ist proportional der Quadratwurzel der hochfrequenten Übergangswahrscheinlichkeit, bei einer bestimmten hochfrequenten Feldstärke.

In dem praktisch wichtigen Falle ist der elektronische Spin S stark gekopptel mit dem Kernspin I, aodass sich ein gesamtes Moment F der Drehbewegung ergibt; in diesem Falle verfährt man wie fälgt»

Ü9T Absorptionsanteil ist nach wie vor durch den Betrag Ton (-). der Wellenfunktion bestimmt, welche sich auch in

009815/0002

- 54 -

die Komponente des magnetischen Momentes hineinreflektiert. Im Falle I = 3/2, F = 2, K_p = -2 beispielsweise hat man "U^ "" ¹^d* ·>? '"W-^T - "^ß, dasselbe gilt für M=- 1/2 eines Atomes mit einem Elektron. Für den Fall F = 1 indessen gilt dies nicht

"fl mehr. Hier erhält man für M = +1 U₇- ^A ' (X . Dieses

Z β, ^w

deutet an, dass der Zustand 3/4(-) und 1/4C+)_z enthält, woraus sich ergibt, dass nur 75 f* der Absorption des zuvorigen Falles, in welchem K = - 1/2 ist, erhalten wird« Ks sei nun die Formel für den Abaorption|ieil abgewandelt:

= 1/2 /f 1 - e m-"p7 = 1/2 /~1 - (F + IU-

wobei e = g„F die "effektive Elektronenanzahl" des F Zustandes der betrachteten Art ist, und bo ergibt sich eine Beschreibung für den endgültigen Kemspin-Fall· Ähnlich wie in dem Fall des verschwindenden Spins wird vollständige x^jolarisation angenommen. Pur das numerische Beispiel J = 1/2, I = 3/2, welches für den Fall Natrium und Rubidium zutrifft, erhält man dementsprechend:

F = 2 ^ = 1/2 J

F = 1 ^1/2^1- (1/2)(m.pJ7.

hieraus ergibt sich, dass nur eine halb so groie Orientierungsabhängigkeit für F = 1 sich ergibt wie für den Fall r = 2.

7re::n man noch allgemeinere Bedingungen aufstellen v.ill, unter v.elchen eine Modulation eines zirkularpolarisierten Strahles von P.esonanzlicht bev/irkt wird, wenn das Eesonanzlicht im otande ist, Übergänge S₁^₂ " ^pi/2 ^zu

009815/00 0 2

BAD

1423^,62

-Vb-

bewirken, sofern geeignete Bewegungen des S₁ /~ (Grund-) Zustandea angenommen wird, so kann man wie folgt vorgehenι Die Bewegung des Grundzustandea kann durch einen Satz von Energieeigenwerten E₁, E₂ ··· und durch entsprechende Eigenzustände j₁₍ 7_a ... beschrieben werden, wobei beispielsweise _E -p

¹ t 1/ _ u _Q -i(TT-) t » i%- "*4 ^e ⁿ

Die anfängliche Ausrichtung oder der erste Prozess möge eine Besetzung des Zustandes E₁ allein bewirkt haben. In dem zweiten grundsätzlichen Prozess möge die Störung etwas Ep bewirkt haben, wobei sämtliche Atome in Phase sind. Der Zustand kann dann wie fügt beschrieben werden»

wobei I öl I und j P I nicht von der Zeit ablängig sind. Die /\ji enthalten Elektronenspineigenfunktionen für den S₁ /p Grundzustand als Paktor· TJm die Absorption zu ermitteln, welche ein zirkularpolarisierter Strahl von Rescnanzlicht in der p-ilichtung erfährt, wird die Wahrscheinlichkeitsamplitude \(C')g * f)\ gebildet. Dieser Ausdruck kann durch Anwendung üblicher Rechenmethoden der Quantenmechanik gebildet werden.

Im nachfolgenden Beispiel wird die Modulation ifi einee

polarisierten Lichtstrahles betrachtet, der ^ Übergänge AM * 0 liefert, und es wird gezeigt, dass in

diesem Pail eine Modulation festzustellen ist, die die doppelte Präzessionsfrequenz besitzt. Für diesen Pail soll ein Atom mit zwei Valenzelektronen betrachtet werden, belspielswe weise ein Queoksilberatom, und es soll angenommen werden,

009815/0002 BAD ORIGINAL

dass das gesamte Lrehbewegungsmoment im Grundzustand eins ist, während in dem erregten Zustand es Hull ist. In diesem Fall kann Licht nur durch die Komponente der Grundzustand-7/ellenfunktion absorbiert werden, für welche M=O ist. Man geht wie folgt vor: wenn der Winkel der Präzession zu irgendeinem Zeitpunkt ö ist, so kann die Wellenfunktion des Grundzustandes wie folgt geschrieben werden;
(cos -| (+)₁ + sin 1(-J₁)(COs §(+)₂ + sin | (-)₂) wobei die Suffixe 1 und 2 sich auf Elektronen beziehen. Durch Anwendung algebraischer Regeln erhält man dann:

cos £ (+J₁(+J₂ + sin £ cos 77(-J₁ ( + )₂ + sin β (-J₁C-J₂ + cos £ sin ^ (+)-|(-)₂

Dies kann in Ausdrücken von P, m geschrieben werden, wobei F = Ί , m = +^ 1 oder O ist, und in diesen Falle ergibt sich
cos² I (+1) + sin² | (-1) + v£ sin | cos | (O).

Die Absorption von polarisiertem Licht, welche optische AM=O Übergänge bewirkt, ist proportional dem Quadrat des Koeffizienten des (C ) Termes, d.h. proportional zu 2 0 2 ö

2 sin -κ cos -κ . Durch Anwendung elementarer trigonometrischer Regeln ergibt sich
2 _Sin²f cos² f - V2 3in²0 « £ ₍₁ _ _cos2ö).

Wenn daa einfallende Licht polarisiert ist, sodass sein magnetischer Vektor in der Ebene der Präzession liegt, d.h.· wenn daa Licht senkrecht zu dem gleichsinnigen magnetischen

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BAD Oi"35^AL

Feld polarisiert ist, und wenn iO die Kie.sfrequenz der Präzeseion ist, so wird die Intensität des Lichtes duroh den Ausdruck bestimmt:
^ = 1 (1 - oos2 v)t).

Diese Formel zeigt eine Modulation mit der doppelten Präzeeaionsfrequenz. Ba dben-polarisiertes Licht benutzt wird, kann entweder Δ^ = O oder AM = + 1 oder - 1 gleichzeitig vorhanden sein, entsprechend der Bezugswahl. In jedem Falle ergibt sich kein beobachtbares Gesamtmagnetiaches Moment. Für gleiche Besetzungen von M = O, jh muß die Winkelabhängigkeit verschwinden. lie komplementäre Abhängigkeit eu dem gerade erörterten /all, in welchem gleiche Zahlen im M * + 1 und M = - 1 Zustand angenommen sind« ergibt sich, wenn vollständig die anfängliche Ausrichtung M=O herrscht. Obwohl kein makroskopisches Geeamtmoment vorhanden ist, können die Momente der eineeinen Atome, die vorhanden sind, zu einer Iräzession durch ein mrgnetisches Hochfrequenzfeld veranlaßt werden· Bei der anfänglichen Ausrichtung wird wiederum eingenommen,

eine
dass die/Hälfte dem Zustand M « 1 und die andere Eälfte

den Zustand M » - 1 für θ * 90° entspricht und dass eine lineare Lichtpolarisation in der y-Ebene vorhanden ist-Ein aerkwürdiger Umstand für all diese Fälle, in welche» eich keine gesamte Magnetisierung ergibt, liegt darin, dass keine Energie von dem hochfrequenten Feld geliefert werden muß, um die Ausrichtung umzukehren und eine Modulation dee Liohtetrahlea zu bewirken.

Bei den meisten praktisch zur Anwendung

Systemen wird sich ein Polarisationszustand, der einmal

^009815/OOCJ BAD OMQIlUL

hervorgerufen wurde, nicht für alle Zeit erhalten, er wird vielmehr bald zerfallen, in Anbetracht verschiedener, die Orientierung störender Effekte. Es ist daher erforderlich, kontinuierlich Polarisierung in dem zu untersuchenden Stoff zu bewirken, während der zweite und dritte grundsätzliche Vorgang sich abwickelt. Als ein spezielles Beispiel soll die gyromagnetische Bewegung, die sich in einem System J = 1/2,. I = 3/2 von Rb ' Atomen in dem Zustand F = 2 unter dem Einflüsse eines magnetischen Feldes abwickelt, betrachtet werder, wobei das magnetische Feld Komponenten besitzt, die von der Zeit abhängen. Das System wird kontinuierlich durch den Δ Μ = + 1 Pumpvorgang, der eingangs beschrieben wurde, unter Anwendung eines Strahlenbündels von Resonanzlicht in der z-Richtung, nicht notwendigerweise I)₁ -Licht, beeinflußt, um die Disorientierungseffekte auszuschalten. I.'s sollen nunmehr Be we gungs gleichung en aufgestellt werden, welche uns M = M(+) liefern. Für einen Untersuchungss'rahl von sirkularpolarisierten D₁-Licht in der Hichtung ρ wird die zeitabhängige Absorption dann wie folgt beschrieben:

- Vi .' 1 t 1

(t) -P J7

"O '

wobei M_Q dem Zustand vollständiger Polarisation entspricht, wehrend M(t) kleiner ist. Zu dem vorstehenden Resultat gelangt nan aufgrund der Annahme, dass die Hälfte der nicht ausgerichtetem Atome absorbierende sind. Es gibt drei maßgebliche Ursachen, welche es nach sich ziehen, dass M zeitabhängig wird, nämlich das Drehmoment, welches von dem magnetischen Feld ausgeübt wird, der Pumpeffekt und

009815/0002

BAD C:1K?

die dieorientierenden Effekte der Lichtstrahlung und schließlich die Relaxationseffekte. Der Einfluß des magnetischen Feldes läßt sich beschreiben ^emäß

Der Einfluß eines Strahlenbündels zirkularpolarisierenden Resonanzlichtes ist zweifacher Art· Erstens wird eine Po larisation in der Dichtung ρ bewirkt entsprechend der Beziehung

wobei M die im Sättißungszustand sich einstellende Polarisation für unendlich starke Lichtintensität ist, welche von dem relativen Verhältnis der Intensitäten D.. und ΐ>2 des Lichtstrahles abhängt. Die Zeitkonstante ^ ist umgekehrt proportional der Lichtintensität.

Eine Polarisation M^ senkrecht zu dem Lichtstrahl wird mit derselben Zeitkonatanten T zerstört:

Die Relaxationseffekte, die durch Zusammenstöße und Feld-Inhomogenitäten und dergleichen sich ergeben, können durch die beiden Relaxationezeiten T^ und To ^eschi4?J3en werdens

dM, _ / 1 ) „

009815/0002

uznsi

Die Richtung des magne tisch en x'eldes wurde hierbei als in der z-Eichtung liegend angenommen. Indem man die obigen Zeitabhängigkeiten superponiert, erhält iaan -ifS*nJ_x - (^) M_{x +}

J3ei sehr geringer Intensität des x-Strahles wird

(—i— )->0). üolange wie (■=—) ^- ("=T") er_öeben sich nur T_x T_x ~₂

geringe Abweichungen gegenüber dem vorstehenden Verhalten, wenn Ausdrücke entsprechend (-ä—) in Betracht gezogen werden·

¹ χ
Unter Bezugnahme auf Pig. 14 wird eine At-sführungsform

der Erfindung erörtert, bei welcher die anfängliche Polarisation im V/e^-e des optischen Pumpvor^anges erzielt wird. Ein Teil der Apparatur ähnelt der in lic 7 gezeigten Anordnung und diese Bauteile sind in gleicher »'eise bezeichnet. Zusätzlich zu der zuvor erörterten Methode, gyromagnetische Resonanz im We^e der Absorption von Lichtstrahlen einer Lichtquelle 32 festzustellen, ergibt sich eine andere Methode für die Peststellung der gyromagnetischen Resonanz in folgender Weise: Eine zweite I7atriuialampe 48 ist so angeordnet, dass sie einen Lichtstrahl durch die Kondensorlinse 49 und den Zirkularpolarisator 41-und durch ein Absorptfconsgefäß 31 senkrecht zu der Richtung des erstgenannten Lichtstrahles (z-Strahles) und zu dem magnetischen Feld H_Q richtet (Pig. 14). Wenn als x-Richtung die Richtung des hochfrequenten Feldes bezeichnet wird, dann liegt dieser· zweite, sich quer erstreckende Strahl irgendwo in der

009815/0002 _BAD

χ, y-Ebene oder zu mindesten lie^t er ao, dass eine starke Komponente in der x, y-Ebene vorhanden ist, obwohl der Strahl der Einfahcheit halber nachstehend grundsätzlich ala x-3trahl bezeichnet werden soll. Der x-3trahl definiert eine Kichtung im F.aurce, relativ zu welcher ein Zeeman-Grunduiveau definiert werden kann, wobei die Struktur des Grundniveaus in Pig. 8 wiedergegeben ist. Die Zeeman-Niveaus sind keine Si^enniveaus der Energie, und ein Atome oder eine Gruppe von Atomen, weloh« eines dieser Zeeman-Niveaus zu einer bestimmten Zeit besetzen, können in einem Unterniveau angetroffen werden, welches um eine Li-Einheit aich unterscheidet in einer Zeit, die vergleichbar ist, mit eir.er halben Periodendauer der Larjorfrequenz der Resonanzfrequenz, welche der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen entspricht.

Abgesehen von der- Kopplung des Elektrons mit dem Katriumkern der Spingröße I = 3/2, ist die Situation sehr ähnlich den Verhältnissen, die zuvor im Zusammenhang der gyromagnetischen l.esonanz eines ein Elektron besitzenden AtOMB erörtert wurden. Für schwache Felder, können der Kern und das Elektron als eine fest miteinander gekoppelte Einheit betrachtet werden, die ν zwei verschiedene Zustände gnnehmen kann, welche charakterisiert sind durch die totalen Erehbewegunganiomente F=I und P = 2, wobei die entsprechenden g-Faktoren g* = -1/2 und gg » + 1/2 sind. Der Zustand P a 1 entspricht dem Pail, daes der Elektronenspin entgegengesetzt parallel dem Kernspin ist, und der Pall P =

009815/0002 bad original

-Ge-

entspricht dem Fall, dass beide parallel sind. Der einzige Unterschied liegt darin, dass jedes F getrennte Präzessionen bedingt und Modulation entsprechend der "effektiven Elektronenzahl" e zur Folge hat. Der x-Strahl besitzt Modulation von der Größe der Präzessionsfrequenz, nachdem er durch die Zelle 31 hindurchgetreten ist, da der Absorption&koeffizient Κ_χ des teilweise polarisierten :,^:atriumdampfes entsprechend der Besiehung

Tb. — JX

sich ändert, wobei K der Absorptionskoeffizient für den unpolarisierten Dampf ist, während a eine dimensionslose Konstante ist, die von dem Intensitätsverhältnis V_n

abhängt und ebenso von der zuvor definierten effektiven Slektronenzahl. Die Absorption des s-ßtrahles andererseits ist bestirnt durch die Beziehung:

und liefert eine Hessgröße für M_· Unter günstigen Bedingungen können Hoehfrequenzfeider der Größenordnung eines Mikrogauss öasu ausgenützt werden, intensive Lichtstrahlen zu modulieren«

Lev x-Liehtstrahl, dessen Intensität durch die die Präzessionsbewegung ausführenden Atome mit der Präzessionefrequenz moduliert wurde, wird nach Durchsetzen des Absorptionegefäßes 31 durch eine Linse 52 fokussiert und auf eine Photozelle 53 gerichtet. Das amplitudenmodulierte Ausgangssignal wird in einem Verstärker 54 verstärkt und wird auf den Detektor 55 gerichtet, zu dem Zweck, dass

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eine Anzeige auf einem Oszillographen stattfindet. In Hg. 15 sind typische Oszillographenspurer. des z-Lichtstrahles im unteren Figurenteil gezeigt und Spuren des ^leich^ei'ichteten modulierten x-:jtrahles sind in der oberen i^igurenhälfte dargestellt, wobei eine Durchlauffreqiez von 60 Hz benutzt iüt. Die Spuren von links nach rechts sind erhalten bei zunehmender Stärke des hochfrequenten magnetischen Feldes. Zusätzlich ist die Spur dargestellt, welche bei Resonanz sich auf dem Oszillographenschirm ergibt. Es ist offensichtlich, dass wenn nur angestrebt wird, den modulierten x-Liehtstrahl und nicht z-Lichtstrahl zu beobachten!, die Linse 36, die Photozelle 37» der Verstärker 38 und der Oszillograph 39 in Pig. 14 in Fortfall gelangen kann.

Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass es möglich ist, die Modulation des x-Strahles, wenn er ursprünglich unpolarisiert war, a';.r ein Analysator vor die Photozelle 53 gebracht wird, sodass die Zelle nur eine Komponente der Zirkularpolarisation des x-Strahles erhält, zu beobachten. Eies ergibt sich, weil jede Komponente der zirkulären Polarisation in dem unpolarisierten x-Strahl lediglich durch das Auftreten einer Präzessionsorientierung moduliert wird, obwohl die Modulation-!80° außer Phase liegen und dementsprechend im unpolarisierten Lichtstrahl nicht festgestellt werden könne». Die Feststellung der Präzession auf diesem Wege ist nicht so zweckmäßig, ala die Feststellung unter Anwendung polarisierten Lichtes, da die nicht ausgenützte Polariaationskomponente den untersuchenden Stoff im unerwünschten Sinne einem Pump»

009815/0002

BAD ORIGINAL

- 64 -

vorhang unterzieht. Im allgemeinen ist es möglich, die Lichtquelle und das Lichtanzeigegerät niteinander auszutauschen, ohne dass eine Beeinträchtigung des Ä'odulationsvorganges bedingt ist.

lie Zeitabhängigkeit der drei Komponenten des magnetischen !.!omentvektors JuL, M₁ , 11 scv.ie die Abhängigkeit von der Lichtintensität und dem /..agretischen Feld kann wie folgt beschrieben werden: dlC -» -^ E ι -

⁺ IT ZTi χ Jj7_{y +} ^ . ο

Hi^{2 +} y ZTi χ Jg ₊ ^s . (J-, M₂

In den vorliegenden Gleichungen bezeichnen ¹X*^ und T" ρ Relaxationszeiten, die durch die Intensität des Lichtstrahles und durch die thermischen und sonstigen Relaxationsprozesse bestimmt sind. %"„ ist ferner Feldinhomogenitäten beeinflußt. Die Amplitude des modulierten oignales des Lichtstrahles in der x-Lichtung ist proportional dem Ausdruck M_x wobei T" _xt^CC_z Größen sind, die umgekehrt

proportional den Intensitäten des LichtstrrJiles sind und die Relaxationszeiten darstellen, die man beobachten würde in dem untersuchten Stoff, wenn das gleichsinnig gerichtete magnetische PeId in die x-Richtung bzw. ζ-Richtung gebracht wtirue und wenn thermische Relaxationseffekte nicht vorhanden wären. Wenn man die Intensität des x-Strahles verändert und dementsprechend T*_x> während alle übrigen Größen

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BAD O.^'^'M/j

konstant gehalten werden, so wird, wie sich zeigen läßt, eine maximale 8 Signal erhalten, wenn ^" ungefähr ⁰C ist. In der Praxis bedeutet dies, dass beide Lichtstrahlen ungefähr die gleiche Intensität besitzen Russen, damit optimale Wirkungsweise erzielt wird, we:n^leich diese Voreohrift nioht sehr kritisch Ibt.

In dem Falle von niederfrequenten übergängen zwischen Zeeman-Unterniveaus, (£K = j- 1) muß notwenaiferweise der x-Strahl eine magnetische Komponente senkrecht zu dem H-PeId besitzen. In dem Falle von hochfrequenten Übergängen zwisohen F-Hiveaus, für ΔΜ = + 1 Ü-ber^ä^e muß der x-Strahl eine Komponente senkrecht zu dem H-FeId besitzen, während ΔΜ = 0 Übergänge verlangen, dass der x-Strahl eine Komponente parallel zu dem H₀-FeId besitzt. Im letzteren Fall pulsiert das elektronische Moment eher, ale dass es Präseesionen ausführt.

Bei einer anderen iusführungeform der Lrfindung wird •in Strahl Natriualioht ausgenütst, der die Funktionen der beiden Lichtstrahlen der Fig. 14 erfüllt. Dieser einsig· Strahl wird, damit möglichst günstige Arbeitsweise ersielt wird, unter 45° zu dem H Magnetfeld gerichtet. Dementsprechend werden die Atone anfangs in einer Richtung parallel su dam Feld gepumpt. Es wird indessen nur die Polarisationskomponente parallel zu dem Feld erhalten, während die senkrechten Komponenten Präzessionen ausführen und sich ausmitteln. Die parallele Komponente kann dann einer ähnlichen Untersuchung unterworfen werden, wie zuvor beschrieben wurde, d.h. um 90° gegen das Feld durch An-

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Wendung eines hochfrequenten Feldes gedreht werden und zu Präsessionen um H herum veranlaßt werden. Es ergibt sich dann eine periodisch variierende Polar!jationskomponente in der Strahlrichtung und eine entsprechende Modulation des Strahles tritt auf.

Pig. 17 bezeichnet ein zweckmäßiges System, um erfindungsgemäß den x-Strahl auszunützen für die Zwecke der Feldstärkemessung eines Peldes, da die Lariaor-Präzessiona· frequenz direkt von der Feldstärke von H abhängt. Die Ausgangsleistung des Hochfrequenzverstärkers 54 wird einer Demodulatorancrdnung 58 zugeführt und sodann einem Uitnahmedetektcr 59» welcher ein Bezugssignal von dem Ablenkkreis G1 erhält. Die Ausgangsenergie des Detektors vird einen Anzeigegerät 62 zugeführt, v.elches ein Glelchctrorcsignal aufzeichnet, welches proportional der jeweiligen Abweichung der Generatorhochfrequenz _t egenüber der Frequenz der Liriienir.itte ist. Lie Prequenz, auf welche sich der Generator automatisch unter der Wirkung des Fehlersignales, welches der Litnahmedetektor (lock-in detector) über den Abstimmkreis 63 liefert, ist ein Maß für die Feldstärke.

Es ist zu OGtonen, dass obwohl bei den beschriebenen Ausführungsfomen der Erfindung das Hochfre :uenzfeld senkrecht zu dec x-Strahl _eseigt wurde, dieselben nicht notwendigerweise senkrecht zueinander entstehen müssen. Is besteht keine I/.cglichkeit, dass das hochfrequente Feld direkt in der; I-hc te zellen 37, 5'5 ein „ignal bewirken, es besteht auch keine Lieblichkeit, dass das auf treffende Licht eine Hochfrequenz in der Hochfreuuenzwicklurig 42 erzeugt.

009815/0002 _BAD or'

42Ö42

Ea sind daher daa Anzeigesys·em und das Erze; ersystem vpllständig voneinander unabhängig und voneinander entkoppelt und können unter praktischen Verhältnissen ganz dicht zueinander angeordnet werden. LUe x-Strahlung kann parallel zu dem hochfrequenten Feld liegen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, dass die Erfindung verschiedene physikalische Formen annimmt. Beispielsweise kann man zwei Lichtstrahle, einen x-Strahl und einen y-3trahl anstelle nur eines anzeigenden Lichtstrahles vorwenden, wobei dia genannten Strahlen unter rechten '.Vinkeln zueinander orientiert sind, worauf dann die Ausgangsenergie zu einem zweiphauigen System vereinigt werden, wodurch nicht nur die ?reque;i3, sondern auch die Präzessionsrichtung angegeben wird, oolches 3ystem 1st in Jig. 18 dargestellt, welches Alkaliatome, die im Wege dee optischen Pumpvorganges ausgerichtet sind, zugrunde legt; der z-3trahl und das magnetische Feld H liegen in der Richtung der Zeichenebene. Die Ausgangsenergie aer Photozelle 64 dea y-otraTiles wird über einen Verstärker 65 und einen um 90 drehenden Phasenschieber 66 einem hoehfrequenten Phasendetektor kreis 67 zugeführt, dem ebenfalls die Ausgangsenergie dee Verstärkers 54 des x-ötrahles zugeleitet wird. Die Gleichatrom-Ausgangsenergie des Detektor 67, deren Vorzeichen von dem Sinn

der .träzession abhängt, wird auf einem Registrierstreifen 68 aufgezeichnet.

Bei Quantensystemen, dierwie in Fig. 18 angenommen wurde, im Wege des optischen Pumpverfahrene ausgerichtet wurdtn, kann man das Verhalten der ;,uantensysteme in der z-Richtung daduroh beobachten, dass die optische Strahlung, die den Pumpvorgang

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bewirkte, untersucht *ird; aaf diese ..eise kann das Verhalten dee Jystciiies nach allen drei Komponenten der Polarisation untersucht werden·

In Pig. 19 ist ein frei schwindender Oszillator gezeigt, deasen Frequenz von der Iiesonanzfrequenz der Präzessionseracheinungen der Atommomente abhängt. Ein i'eil der Ausgan^senergie de3 Hochfrequenzverstärkers wird über einen Phasenschieber 69 direkt der Hochfrequenzspule 42 zugeführt. Auf diese Weise wird ein Teil def x'iusgangsenergie rückgekoppelt, um die Schwin^un_£ en aufrecht zu erhalten, «ie bei jtdem Iiuckkop^lunfcSosaillator muß man darauf achten, dass aas rückgekoppelte oignal die richtige Phasenlage besitzt, sodaso Schwingungen bei der mittleren Resonanzfrequenz auftreten, wodurch sich maximale Stabilität ergibt. Es ist offensichtlich, dass die richtige Phasenverschiebung von dem Winkel zwischen dem x-Strahl und dem Hochfrecuenzfeld abhängt. Es können als Übergänge übergänge von Zeeman-Hiveaus ausgenützt werden, wobei man 350 KHz im Erdfeld für die Übergänge des Grundniveaus vcn Natrium erhält oder AF = + 1, AM = J₁I superfeinstrukturelle Kiveauübergänge, wodurch man 1777 IvCHz für iiatrium-Grundniveau-Übergänge erhält. Da die Frequenz der Übergänge der Zeeman-Unterniveaus direkt von der Stärke des magnetischen Peldes H abhängt, hängt die Oszillatorfrequenz sehr stark bei derartigen Übergängen von der Feldstärke ab. Die Anwendung einer solchen Anordnung als magnetisches leldstärkenmeßgerät ist offensichtlich, wobei die Frequenz mittels eines Zählgerätes 71 bestimmt wird, wobei die Anordnung auf der Beziehung zwischen

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der PräzeBBions-Frequenz und der Feldstärke. H beruht .

In Fit. 20 ist ein freischwin_L-ender atonu.rer Cszillator gezeigt, der dem in ?ig. 1^fJ gezeigten ähnlich ist, wobei dieser Oszillator ein rubidiumsyotem und Übergänge AI' = 0, ^F = _+ 1 ausnützt, rie Stnihlun^üquellen T>2 und 4β sind in diesem Fall Rubidiuinlainpen und das Gefä^ 31 enthält Rubidiumatome. TCs werden Maßnahmen getroffen, um eine Überbesetzung der P = 2, K = 0 Niveaus zu bewirken, relativ zu der Besetzung der F= 1, Ii = O Niveaus, was eine Grundbedingung für dna Auftreten des Lichtnodulationaproaesses ist. Indem IlubidiuE 87 anstelle von '!atrium verwendet wird, und ein Interferenzfilter 72, welche β nur die B₁ Icubidiuau. strahlung t« dui'chläßt, i:i dem lunpatrahl benutzt wird, werden praktisch alle Atone in den Zustund " = 2, F = 2 konzentriert. Indeia oii« dchv-achea Oleicha⁴,: ci.feld H ir. der

cur i'.irkun,_, gebracht wird, v.ii-d ales'" Polarisation in eine Auarichtun^ überführt, in der oiiiu bovoriiu^te Besetzung dee F= L', M = C t'iveouE \u\t eil.η και sehr schwache Besetzung der F » 1 Unteri.iveaus stattfii.rot. Indem ein lineares Hochfreouenzfeld in der x-'.ichtun*· zur* Virkur.g gebracht v.ird, ergeben sich Ai¹: = 0 LLe\;än(;c, v.obei sich eine Modulation aes x-Strahles bei ΔΡ = 1 II.F·ü· ait einer Cbergangsfrequenz von 6 830 MHz ergibt.

Die PräzessicnsbeviGgung des .,uantensj'stenes, welche eine Modulation öer Intensität des x-Lichtstrc:hles bewirkt, suß nicht notv.cr»di^erv.eise eine Kesonanzijräression sein, die durch ein Kochfrenucnsöi^nal bcv.irkt wird. lie Modulation kenn auch im ».e^e freier Präsessionen eines ..uantensystemee erfolgen· Beispielsweise können die Natriumatome in dem zuvor

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1431463

erörterten Beispiel veranlaßt werden, freie Präzessionen in einen gleichsinnig gerichteten Magnetfeld auszuführen, beispielsweise in dem Erdfeld, und ein optischer r-Strahl kann auf die eine freie Präzessionsbewegung ausführenden Atome gerichtet werden, wobei die Präzessionsbewegung dann den x-Strahl moduliert. Lin Beispiel eines Magnetometers, welches die optische Anzeige einer freien Präzession ausnützt, ist in Fig. 21 dargestellt. Del" zirkularpolarisierte · einen optischen Pumpeffekt bedingenden Strahl einer Lichtquelle 32 wird einem Absorptionsgefäß 31 unter einem Winkel, vorzugsweise von 90 , inbezug auf das magnetische Feld EL·, welches gemessen werden soll und welches beispielsweise das erdmagnetische Feld von 1/2 Gauss Stärke sein kann, zugeführt. Lin Impuls eines gleichsinnig gerichteten magnetischen Feldes H von der Zeitdauer t., wird in Natrium-

o 1

atomen parallel zu dem den optischen Pumpeffekt bewirkenden Strahl mittels Spulen 73 zugeführt, wobei eine Impulsanordnung 74 und 75 Anwendung findet. Die Zeit t₁ ist hinreichend groß,, eodass sie Ausrichtung der Katriumatome in dem polarisierenden Feld H von ungefähr 5 Gauss Stärke bewirkt. Die Impulsrichtung 74 wirkt so, dass das polarisierende Feld H schnell abgeschaltet wird, und zwar in einer Zeit, die,verglichen mit der Periode der Resonanz-Präzession des Atoraes ,in dem

Hg gering ist. Zunächst werden sämtliche Atome senkrecht zu K-p polarisiert cleiben, um welches Feld herum sie beginnen freie Präzessionsbewegungen auszuführen. Die Präzessionsbewegung moduliert die optische Strahlung der Strahlenquelle 32, welche Resonanzfrequenz besitzt\ das modulierte Licht wird durch eine Photozelle 37 angezeigt und deren

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BADORf-GINAL

Strom" wird über einen Verstärker 38 einem Frequenzmeßgerät 76 zugeführt, welches Präzessionsfrequenz mißt und auf diese 'iVeise eine Meßgröße für die Feldstärke des Feldes IL₁ liefert.

In Pig. 22 ist eine weitere Ausführungsform eines Magnetometers gezeigt, welches auf der Basis freier Präzession arbeitet. Ein Impuls eines gleichsinnig gerichteten magnetischen Feldes IL, wird den IJatriumatomen parallel zu dem optischen Strahl, welcher den Pumpeffekt bedingt, mittels Spulen 73» einer Schaltvorrichtung und einer Gleichstromquelle 75 zugeführt, wobei der Impuls eine Zeit tdauert, die hinreichend groß ist, um die Atome in den Hg Feld £tuszurichten. Eine Schaltvorrichtung bewirkt, dass das ILx-FeId relativ langsam im Verhältnis zur Periodendauer der Resonanzfrequenz abgeschaltet wird, und relativ schnell zu der Zeitdauer t., dergestalt dass die Atome schließlich in dem magnetischen Feld IL. ausgerichtet sind. Ein Lochfrequensimpuls, von der Frequenz der Resonanzfrequenz der i.tome in Magnetfeld H^. wird den ^tonen über die Spulen 73 von der Stromquelle 41 zugeführt, wobei der Impuls eine hinreichend Impulsdauer besitzt, sodass Atommomente um einen bestimmten «/inkel, vorzugsweise senkrecht zu der Feldrichtung H-p gekippt werden. Am Ende des Hoehfrequenzimpulses führen die

Atome in dem magnetischen ILj₁-FeId freie Präzessionen mit ihrer Kesonanzfrequenz aus und modulieren den Lichtstrahl, wobei die Frequenz der Modulation in dem Frequenzmeßgerät 76 gemessen wird.

Man kann auch eine Modulation de3 lichtStrahles bei der Larmorfrequenz unter Ausnützung freier Präzeasionen in

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■■-"*» H23462

■■■■--. .. - ¹W - " ^;

einem System erhalten, welches ähnlich dem in Fig. 22 dargestellten 'Jysteme ist, wobei aer Lichtstrahl unter einem Winkel von ungefähr 45 Grad zu dem Erdfeld Kg ge- ■ richtet ist. In diesem falle ist die Anwendung eines En Feldimpulses nicht erforderlich, ea ist lediglich ein Hochfrequenzimpuls erforderlich, welcher die lük^netieierung um 90 inbezug auf die Feldrichtung K™ kippt.

Lin anderes Magnetometer, welches auf freier Präzession beruht, benutzt sowohl einen z—btrahl als auch einen x-Strahl, wie in Fig. 23 erläutert. L^:er optische Strahl, der den Pumpeffekt bewirkt, wird vor. einer wuelle 32 ^elieiert und parallel zu dem magnetischen i'eld H₇₇, gerichtet, so dass die Atome in dem Feld IL, ausgerichtet weraen. hu v^ird ein hochfrequenter magnetischer Feldimpuls au£,ef.ührt, aer von einer Hochfrequenaquelle 41 unter Anwendung eines Im^ulsgerätes und einer Spule 73 erzeugt v.ird, wobei der Impuls den Atomen unter einem Winkel, und zwar vorzugsweise ur.ter einem rechten Winkel, relativ zu den H_v-Feld zugeführt wird und ungefähr die Resonanzfrequenz der Atome besitzt, und solange dauert, dass die Atommomente um einen Winkel, beispielsweise tim 3<9 , von ihrer ursprünglichen Ausrichtung gekippt werden. Am Ende dea Hochfrequenzimpulses können die Atome freie Präzessionsbewegung mit ihrer charakteristischen Kesonanzfrequenz in dem Feld H-p ausführen. Die Frequenz der Präzessionsmodulation des x-Lichtstr£«hles der Lichtquelle 48 wird dann in dem Frequenzmessgerät 76 gemessen.

In Fig. 24 ist ein weiteres Quantenayoteia gezeigt, in welchem Licht mit der doppelten Präzessioxisfrequenz moduliert

0098 15/0002

. ' BAD

T-S

it · ·

»ird. In dieser Ai:sführun^sform werden ".uockailberatoiae in einem Gefußt 11 ausgerichtet, und zwar in den; 1.1 = 0 Unterzustand des G P„ optischen Zustande, und zv/ar unter Anwendung der r.leltironenstoßmethode. J'ie Ctiahlung der Quecksilberlampe 14 v.ird niittelo aer Linse 1'j aarch einen Polarisator 16, welcher Licht in einer Jbene oenkreclit zu der Richtung dea gleichainnit: gerichteten Magnetfeldes H polarisiert|gerichtet. Der Hochfrequenzgenerator 22 liefert ein di^nal von der Larniorfrequenz mittels einer Spule 23 zu den Atoiaun, wobei das οΐ^ηαΐ jenkrecht üu dem Feld H ließt und iie3onumvüuur^än_ue cwiachen den Zeemanliiveaus in dein Sustand 6'P« bewirkt, "lie zuvor erörtert, wird daa Licht der Lichtquelle 14 uit der üü₄gelten Larmor-Prequenz moduliert, ikiiz uodulierto Licht wird nittela der Photozelle 17 aufgenommen ui:u. ci^eiii llochirt ^acii^verstärker 19 Ku^iifülirt luid Über de:. lH.teLior 79 c-ou Cu::illo£raphen zugeleitet.

Patentansprüche ι

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Claims

Patentansprüche

1.) Anordnung zur Anzeige der Besetzung von Energieniveaus von Quantensystemen, die unter dem Einfluß optischer Strahlung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlungs-empfindliche Anzeigeorgane vorgesehen sind, welche die optische Strahlung nach Durchsetzen des Quantensystemes anzeigen.

2·) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass polarisierte Strahlung Anwendung findet.

3·) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge» kennzeichnet, dass das Quantensystem aus Atomen besteht und die Niveaus magnetische Unterniveaus sind, die sich unter dem Einfluß eines Magnetfeldes bilden.

4.) Anordnung nach Anspruch 1,- 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daes die Strahlürigsempfind Liehen Anzeigemittel ein elektrieches Signal erzeugen, welches eine Funktion der auftreffenden Strahlung ist.

5·) Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantensysterne in Feldern ausgerichtet sind, welche die Ausrichtung aufrecht erhalten.

6.) Anordnug nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche die magnetischen Momente der Qutntensysterne in einem Magnet-' feld ausrichten,und dass die genannten ausgerichteten QuantensyateiEe Kit optischef Strahlung angestrahlt wenden, welche nach Durchsetzen des C.uantensystemes durch strahlungeempfindliehe Anzeigemittel zur Anzeige gebracht werden.

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■■■■■■ .■■■■■. - ■ \ BAD O

7·') Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ^kennzeichnet, dass die IJittel zur Ausrichtung der nag^e tischen Lomente einen Elektronenstrahl erzeugen, welcher die genannten Atome bombardiert.

δ.) Anordnung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daaa C,ueckjilberatome in einer Elektronenröhre sich befinden, die eine Kathode und eine Anode aufweist und 1-ittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls.

9.) Anordnimg nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode sich in einem gleichsinnig gerichteten magnetischen Feld befindet, v«obei die Feldrichtung im wesentlichen parallel zum Elektronenstrahl verläuft, und dass durch das Ulektronenbombaräemeiit die Atome in einen metastabilen Zustand geführt werden, und dass die optische strahlung auruh. den Lv.ibchenrauin zwischen der Anoöe und Kathode gerichtet wird und eine Wellenlänge besitzt, die ausreicht, um die quecksilberntome von dem metastabilen Zustand zu einem höheren Energiezustand anzuheben, und dass die optische Strahlung in Ilichtung des gleichsinnig gerichteten magnetischen Peldes polarisiert ist, dergestalt, dass die Atome nur von absorbierenden Snergieniveaus und nicht von nicht absorbierenden Energieniveaus angehoben werden, und dass die gegenüber der optischen Strahlung empfindlichen Mittel das optische Strahlenbündel auffangen, we»» nachdem es den Zwischenraum zwischen der Kathode und der Anode durchsetzt hat, und dass die Lichtintensität der optischen strahlung durch die genannten Mittel angezeigt wird, wobei die Lichtintensität als eine .iurJrfcion der Anzahl der Quecksilberatoine in absorbierenden Niveaus betrachtet wird,

ÖÖ98 16/0002 -

ν.

10·) Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantensysteme Alkali— atome in dampfförmigen Zustand sind, die sich in einem magnetischen Felde befinden, und dass die genannten Atone im Wege des optischen Pumpeffektes ausgerichtet werden.

11.) Anordnung liäch Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlung prallel zur Feldrichtüng gerichtet ist und zirkularpolarisiert ist.

12.) Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkaliatome Hatriumatome sind, und dass die Energieniveaus magnetische Uhterriiveaus des Grundzustandes der üatriumatome sind«

'13'··)--Anordnung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkaliatome mit einem Puffergas untermischt sind, zu dem Zwecke, die Ausrichtung der Atome zu vergrößern*

$>4·) Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkaliatome mit einem Puffergas von verhältnismäßig hohem Druck untermischt sind, und dass der Brück des Puffergases dergestalt,'dass in wesentlichem Umfang erreicht wird, dass die magnetische Relaxationszeit der Alkaliatome in dem optisch erregten Zustand kürzer ist als die Zeit, die ein Atom benötigt, um Strahlung auszusenden und wieder in seinen Grundzustand zurückzukehren.

15.) Anordnung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absorptionsgefäß vorgesehen ist, welches Alkaliatome in Dampf form enthält, die sich in einem gleichsinnig gerichteten magnetischen Feld befinden, wobei ein Strahl zirkularpolariaierter optischer Strahlung

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durch des Absorptionsgefäß parallel zu dem gleichsinnig gerichteten magnetischen Feld gerichtet wird» dergestalt, dass dit Atome auf optischem Wege in einen Zustand der Ausrichtung gepumpt werden, und dasβ die Strahlunge-empfindlichen Kittel den Strahl aufnehmen, nachdem er das Gefäß durchsetzt hftii und dass die Strahlung gemessen wird und die Strahlung als eine Messgröße für die Ausrichtung der Atome dinet.

16·) Anordnung nach Anspruch 9 oder 15» dadurch gekennzeiohnet, dass die Richtung des gleichsinnig gerichteten magnetischen Feldes inbezug auf die Richtung der Birkularpolarisation der genannten optischen Strahlung, die Ausrichtung beeinflußt, wobei Änderungen in der Ausrichtung duroh Intensltätsmessung der aufgenommenen optischen Strahlung bestimmt werden.

17«) Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Änderung der relativen Richtungen des magnetischen Felde« und der Polarisation Umkehr entweder des magnetischen Feldes oder der zirkulären Polarisation erfolgt.

18·) Anordnung nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daae die Alkaliatome Natriumatome sind und die optische Strahlung von einer Natriumlampe eremugt wird, welche die Strahlungen 589.0/U/U und/oder 589.6/uu erzeugt« dergestalt dass ein tibergang der Natriumatome von deren Grundzustand Pw₂ ^{oder f}3/2 bewirkt werden kann«

19·) Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Filtermittel vorgesehen sind, um. die eine der spektralen Linien der Strahlung zu unterdrücken.

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20·) Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um

eine Ausrichtung der magnetischen Momente der Quantensysteme dadurch zu erzeugen, dass Hochfrequenzübergänge zwischen Unterniveaus in dem ausgerichteten magnetischen Feld stattfinde^ wobei die Wiederausrichtung der Momente durch strahlungsempfindliche Mittel im Wege der Anzeige einer Änderung der Intensität der optischen Strahlung angezeigt wird. .

21.) Anordnung nach Anspruch 20» dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge durch die Auswahlregel Ai¹,= 0, AMj, ? ± charakterisiert sind.

22.) Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet» dass die Übergänge durch die Auswahlregel AlF = + ~-1» Aiä-crÖ» + bestimmt sind.

23.) Anordnung nach Anspruch 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwecke der 7/iederausrichtung Mittel vorgesehen sind, welche ein hochfrequentes magnetisches Feld auf die Quantensy steine zur Einwirkung bringe??» und zwar mit der der gyromagnetisehen Resonanz entsprechenden Frequenz, dergestalt, dass eine gyromagnetische Resonanz der magnetischen Momente bewirkt wird, wobei die gyromagnetische Resonanz durch die strahlungsempfindlichen Mittel angezeigt wird, wobei die Änderung der optischen Strahlung nachaDurchsetzen des Quantensyetemee auegeniltzt wird.

24·) Anordnung nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14_f .15, oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen IiO-aeniHe 4er Alkaliatome einem optischen Pumpprozese unter-

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worfen werden unter Anwendung einer optischen Strahlung, wobei strahlungsempfindliche Mittel vorgesehen sind, welche die optische Strahlung nach Durchsetzen der genannten Atome aufnehmen, und dass Mittel vorgesehen sind, um eine WJgderausrichtung der magnetischen Momente durch Anwendung hochfrequenter Übergänge der Atome zwischen ünterniveaus in dem magnetischen PeId zu bewirken, wobei die 7/iderausrichtung der Momente durch eine Änderung in der Intensität der angezeigten Strahlung zur Messung gelangt.

■ 25·) Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederausrichtung unter Anwendung eines hochfrequenten magnetischen Feldes erfolgt, dessen Frequenz der gyromagnetischen Resonanzfrequenz in dem genannten Magnetfeld entspricht, dergestalt, dass eine gyromagnetische Resonanz der magnetischen Momente bewirkt wird.

26.) Anordnung nach Anspruch 20,oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwecke der Messung magnetischer Feldstärken die Frequenz der hochfrequenten gyro— magnetischen Resonanz-Übergänge ausgenützt wird.

27.) Anordnung nach Anspruch 23, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um für die Zwecke des Durchlaufes durch das Resonanzgebiet, das einseitig gerichtete magnetische Feld und/oder das hochfrequente magnetische Feld zu variieren.

28·) Anordnung nach Anspruch" 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der optischen Strahlung unterworfenen Quanteneysterne in zeitabhängiger Ausrichtung in einem Ausrichtfeld sich befinden, und dass βtrahlungsempfindliche Mittel zur Anzeige der Modulation der Intensität der optischen Strahlung vorge-

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sehen sind, nachdem die Strahlung das ^uantenaystem durohsetzt hat, wobei die Modulationefrequenz 'der „frequenz der zeitlich abhängigen Ausrichtung entspricht, -,,

29·) Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängigen Ausrichtungen aus Präzesaionen der magnetischen Momente der Atome in magnetischen Feldern bestehen. . „ ,

30) Anordnung nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, dass die Quantensysteme Alkaliatome in Dampfform sind, die in einem magnetischen Feld durch Anwendung des optischen Pumpeffektes ausgerichtet sind, und dass die zeitabhängige Ausrichtung der_ Alkaliatome aus Präzessionen der magnetischen Momente der genannten Atomen im Magnetfeld, bestehen. .

3 t.) Anordnung nach Anspruch 28, 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die in einem . magnetischen Feld eine zeitabhängige Ausrichtung der magnetischen Momente der genannten '^uantensy sterne bewirken, wobei die.optische Strahlung eine wesentliche Komponente senkrecht zu dem magnetischen Feld besitzt, dergestalt, dass ,die Intenaität der genannten Strahlung mit der Frequenz der zeitabhängigen Ausrichtung moduliert wird. .

32.·,) Anordnung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch ge— kennzeichnet, dass Präzession^der magnetischen, Momente der Atome; ;durch hochfrequentev Übergänge öer' Atome zwischen ünterniveaus^in einem.?iaagnetisGhen ield erzeugt, werdend; .

?"33vw) Anordnung naohi^Anäpruch 32, dadurch gekennzeichnet, daae die^f Übergänge:4ur;öh <Auswahlrege2ii entsprecheaid i?a o, *+·1 bestimmt sindi ■·--■■■' '- "· - ^;.

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34.) Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekenneeichntt, dass die übergänge durch Auswahlregeln 4F * + 1, AM™ » 0, ♦ 1 bestimmt sind.

35·) Anordnung nach Anspruch 32, 33 oder 34» dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequenten Übergänge durch Einwirken fines hochfrequenten magnetischen Feldes auf die Quantfnsytteme bewirkt wird, wobei die Frequenz des magnetischen leides der gyromagnetische!! Resonanzfrequenz in dem magnetischen Feld entspricht, dergestalt» dass gyromagnetische Besonanzpräzessionen der magnetischen Momente hervorgerufen werden, und dass diese gyromagnetischen Resonanepräzttfionen durch strahlungsempfindliche optische Anzeigemittel ange§ttgt werden, und zwar als Modulation der engtetigttn optischen Strahlung von einer Frequenz, weicht, der hochfrequenten Präzession der magnetischen Momente entspricht.

56·) Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, da·* Kittel vorgesehen sind, um die genannten Atome einer optischen Strahlung auszusetzen» deren Richtung parallel tu dem gifichsinnig gerichteten magnetischen Feld verläuft und die sirkularpolarieiert ist, zu dem Zwecke, die Atome im Vegt dt· optischen Pumpverfahrens in dem gleichsinnig geriohttten pagnetischen Feld in ihrem Grundzustand auszurichten, und dme· Mittel vorgesehen sind, um ein hochfrequentes ■agnttisohtt Feld auf die Atome einwirken zu lassen, wobei das genannte hochfrequente magnetische Feld im wesentlichen senkrecht »u dem gleichsinnig gerichtetem magnetischen Feld verlaufVund die Frequenz der «yromagnetischen Resonanzfrequenz

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der- genannten AtpDie in dein Magnetfeld besitzt, und dass auf diese Weise gyromagnetische Ees«>nanzpräzessipn der Alkaliatome in/dem Magnetfeld bewirkt werden, und dass Ilittel zur optischen Bestrahlung der die £räzes8ionsb.e~ wegung augführenden Atone mit einer Strahlung, die im wesentlichen eine Komponente senkrecht zu den gleichsinnig gerichteten Feld besitzt, und dass die strahlungsempfihdliohen Mittel die letztgenannte optische Strahlung naph IJurchsetzen der genannten Atome zur Anzeige4)ringen, wobei die eine PräzesgionBbewegung ausführenden Alkaliatorce die Intensität der letztgenannten optischen Strahlung mit der Frequenz der Präzesgionsfrequenz modulieren·

37·} Anordnung nach Anspruch 56, dadurch gekenni2eichnflst| dasB der- AjLkElidampf mit einem Puffergäp untermiBpht wirdi au dein ZyWCk₁, die Ausrichtung der Alkaliätome zu begünstigen.

30 _s) Anordnung nach Anspruch 29 oder einem der folgendirii (äaduröh ^cehnzeichnetj! dass für die Zvyeskf der Meeeung der feldstärke eines gleichsinnig gerichteten magnetischen Pel^.f» Kittel vorgesehen sind, welche die Frequenz genannten Modulationen messen, wobei die Frequenz proportional der Stärke des gleichsinnig gerichteten magnefischen FelcLee i§t.

19.) Anordnung nach iü-ispruch 29 ,oder einem der fplgendexi, dadurch gekennzeichnet, da3s für die Zwecke der Ableitung kontinuierlicher Schwingungen Ypn einem atomaren C< eyntem Mittel vorgesehen sind, lÄqhe einen Seil der energi· der angezeigten Strahlung dem Cuantensystein in fgrm eines magnetischen iechselfeldee wieder zuführen, wobei dae genannte V;echselfelil ie wesentlichen senkreeht zu dew

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ausriohtenden Feld erzeugt wird, zu dem Zwecke, erzwungene Präzessionen des ^uantenaystemes zu erzeugen

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