DE1491532C - Atomic resonance device for regeneratively excited radiation emission - Google Patents

Atomic resonance device for regeneratively excited radiation emission

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DE1491532C
DE1491532C DE1491532C DE 1491532 C DE1491532 C DE 1491532C DE 1491532 C DE1491532 C DE 1491532C
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Hugh G. Waltham Mass. Robinson (V.StA.)
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Varian Medical Systems Inc
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Varian Associates Inc
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Description

jleiohgewichts-Energiezustand und den metastabilen sprechend geführt ist, zum Aufbau eines Spektro-jleiohgewichts-energy state and the metastable speaking led to the construction of a spectro-

Atomen weitgehend vermieden sind, so daß eier Güte- meters, wobei der dritte Bereich als Verstärker fürAtoms are largely avoided, so that a quality meter, the third area as an amplifier for

faktor des angekoppelten elektrischen Kreises niedrig die durch gyromagnetische Resonanz erzeugte HF-factor of the coupled electrical circuit low the HF generated by gyromagnetic resonance

gewähU werden kann. Spannung dient.can be chosen. Tension serves.

Ernndungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- 5 Im ersten Bereich erfolgt die Anregung der AtomeAccording to the invention, this task is thereby achieved. In the first area, the atoms are excited

löst, daß das Gefäß mittels eines zwischfcogescbil- auf ein Niveau, von dem aus durch optisches Pum-triggers that the vessel by means of an intermediate cogescbil- to a level from which by optical pumping

teten Gaskanals in zwei Bereiche aufgeteilt ist, durch pen die Atome auf ein Niveau angeregt werden kön-the gas channel is divided into two areas through which the atoms can be excited to a level

den die Diffusion der Gasatome eingeschränkt ist, nen, von dem aus sie unter Aussendung der Strah-from which the diffusion of the gas atoms is restricted, from which they emit the radiation

daß die Pumpstrahlung im ersten Bereich eingestrahlt lung auf ein anderes Niveau übergehen können, undthat the pump radiation in the first area irradiated treatment can pass to another level, and

wird und daß der zweite Bereich mit den Magnet- io diese erste Anregungsstufe wird zweckmäßigerweiseand that the second area with the magnet io this first excitation stage is expedient

feldern gekoppelt ist, dsr Gasatome im Ungleich- durch Elektronenstoßanregung herbeigeführt, in .derfields is coupled, dsr gas atoms in the unequal- brought about by electron impact excitation, in .der

gewichts-Zustand enthält, die vom ersten Bereich Weise, daß im ersten Bereich eine elektrische Ent-contains weight state, the way from the first area that an electrical development in the first area

hinuberdiffundiert sind, so daß die strahlenden ladung steht, mit der Atome zur Wechselwirkung mitare diffused over, so that the radiating charge stands with which atoms interact with

Atome von den unerwünschten Wirkungen der der optischen Pumpstrahlung angeregt werden.Atoms are excited by the undesirable effects of the optical pump radiation. Pumpprodukte im ersten Bereich getrennt sind. . 15 Es wurde bereits erwähnt, daß der wesentlichePump products are separated in the first area. . 15 It has already been mentioned that the essential

Durch die Verwendung von getrennten Bereichen Vorteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darin des Gefäßes werden Kollisionen von zur strahlung besteht, daß der angekoppelte Kreis keinen hohen angeregten Atomen mit anderen Atomen im meta- Gütefaktor zu haben braucht. Das ist besonders bei stabilen Zustand oder mit Elektronen, die durch das durchstimmbaren Oszillatoren, Filtern und Verstär-Pumpen hervorgerufen werden, weitgehend ver- ao kern der Fall; in solchen Fällen wird zweckmäßigermieden, so daß die Strahlungslebensdauer der Atome weise der mit der Ansammlung strahlender Atome erheblich vergrößert und damit die Linienbreite der gekoppelte elektrische Kreis mit einem Gütefaktor Resonanzstrahlung wesentlich herabgesetzt wird. kleiner als 10 gewählt, um ein möglichst großes Außerdem wird auf diese Weise eine Störung der durchstimmbares Band zu erhalten. Phasenbeziehung der strahlenden Atome im Beob- as Vorzugsweise ist der mit der Ansammlung strahachtungsbereich wesentlich herabgesetzt. Der Güte- lender Atome gekoppelte Kreis ein Hohlraumfaktor des an die strahlenden Atome angekoppelten resonator, sofern die durch die strahlenden Atome Kreises kann drastisch auf praktisch gut realisierbar abgegebene Frequenz zur Anregung eines Hohlraum-Werte herabgesetzt werden, beispielsweise Q =■ 200 resonators auch nur irgend geeignet ist. oder kleiner. 30 Als strahlende Atome kommen zunächst He3-The use of separate areas of the advantage of a device according to the invention in the vessel means that there are collisions with the radiation that the coupled circuit does not need to have high excited atoms with other atoms in the meta quality factor. This is particularly the case in a stable state or with electrons, which are caused by the tunable oscillators, filters and amplification pumps, to a large extent anao kern; In such cases, it is expedient to avoid, so that the radiation lifetime of the atoms, as with the accumulation of radiating atoms, is considerably increased and thus the line width of the coupled electrical circuit with a quality factor of resonance radiation is significantly reduced. less than 10 is chosen in order to obtain the largest possible In addition, a disturbance of the tunable band is obtained in this way. Phase relationship of the radiating atoms in the observation. The region of radiation with the accumulation is preferably significantly reduced. The quality of the atoms coupled circle is a cavity factor of the resonator coupled to the radiating atoms, provided that the circle created by the radiating atoms can be drastically reduced to a practically feasible frequency for the excitation of a cavity value, for example Q = 200 resonator suitable is. or smaller. 30 First He 3 comes as radiating atoms -

Grundsätzlich ist es möglich, ein Gefäß aus zwei Atome in Frage, es können aber auch Atome vonBasically it is possible to use a vessel made up of two atoms, but it can also contain atoms of

etwa kugelförmigen Teilen, die die beiden getrennten Wasserstoff, Hg1M,i0» oder Rb85. « Verwendungroughly spherical parts which separate the two hydrogen, Hg 1M , i0 »or Rb 85 . " Use

Bereiche bilden, aufzubauen, vorzugsweise wird finden.Forming, building up, preferably finding areas.

jedoch der zweite Bereich des Gefäßes um den ersten Sofern die strahlenden Atome an der Gefäßwandhowever, the second area of the vessel around the first provided the radiating atoms on the vessel wall

Bereich herum angeordnet, so daß sich ein zentraler 35 entspannt werden können, d. h. an der GefäßwandArea arranged around so that a central 35 can be relaxed, i. H. on the vessel wall Pumpbereich und ein ringförmiger Beobachtungs- rekombinieren oder auf ein nichtstrahlendes NiveauRecombine the pumping area and a ring-shaped observation or on a non-radiating level

bereich ergeben. herabfallen können, wird zvveckmiißigerweise wenig-area. can fall down, it is

Um die Speicherzeit der strahlenden Atome im stens im zweiten Bereich das Gefäß in bekannterTo the storage time of the radiating atoms in the least in the second area the vessel in known Beobachtungsbereich stark zu erhöhen, werden Weise innen mit einer nichtentspannenden Ausklei-To greatly increase the observation area, be wise inside with a non-relaxing lining.

zweckmäßigerweise die Gefäßbereiche über wenig- 40 dung versehen, so daß trotz der begrenzten Größeexpediently the vessel areas are provided with a little bit, so that in spite of the limited size

stens eine längliche Röhre untereinander verbunden, des Gefäßes Kollisionen mit der Gefäßwand keineat least one elongated tube connected to one another, the vessel does not collide with the vessel wall

die am Eingang des zweiten Gefäßbereiches eine Rolle spielen und der Beschränkungsmechanismuswhich play a role at the entrance of the second vascular area and the restriction mechanism

Verengung aufweist. Die in den zweiten cder 3eob- nach wie vor auf aufeinanderfolgenden Gss-Gas-Has constriction. The in the second cder 3eob- still on successive Gss-Gas-

achtungsbereich eindiffundierenden Atome können Kollisionen beruhtCaution diffusing atoms can cause collisions

durch einen derart geformten Gaskanal nur sehr 45 Sofern als erste Anregungsstufe eine Anregung schwer wieder in den ersten oder Pumpbereich des durch Elektronenstoß mit Hilfe einer elektrischen Gefäßes zurück, so daß sich für die strahlenden Entladung vorgesehen ist, wird die"se dann zweck-Atome eine sehr große Speicherzeit in der Größen- mäßigerweise auf einen nicht mit Aaskleidung Verordnung von mehreren Sekunden ergibt. Die übrigen sehenen Bereich beschränkt, so daß die Entladung Pumpprodukte haben eine vergleichsweise kurze 50 und die nichtentspannende Auskleidung einander Speicherzeit, so daß der Beobachtungsbereich auf nicht stören können.through a gas channel shaped in this way only very much 45 If the first excitation stage is an excitation difficult to get back into the first or pumping area of the by electron impact with the help of an electric Back into the vessel, so that it is provided for the radiating discharge, these "se purpose atoms" result in a very long storage time in terms of size to a regulation of several seconds not with carrion clothing. The remaining areas are limited so that the discharge Pump products have a comparatively short 50 and the non-relaxing lining on each other Storage time so that the observation area cannot interfere with.

diese Weise im wesentlichen mit einer Mischung aus Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindungthis way essentially with a mixture of other features and advantages of the invention

strahlenden Atomen und neutralen Atomen gefüllt ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Ver-radiating atoms and filled neutral atoms result from the following description in comparison

ist, so daß die strahlenden Atome ungestört bleiben. bindung mit den Zeichnungen; es zeigtso that the radiating atoms remain undisturbed. bond with the drawings; it shows

Um die freie Weglänge noch weiter zu kürzen und 55 F i g. 1 schematisch einen erfindungsgemäßenIn order to shorten the free path even further and 55 F i g. 1 schematically shows an inventive

damit einen noch einwandfreieren Gas-Gas-Kollision- Atomgasmaser,thus a still flawless gas-gas-collision-atomic gas maser,

Beschränkungsmechanismus zu erhalten, kann der Fig. 2 ein Termschema zur Darstellung desTo obtain the restriction mechanism, FIG. 2 can show a term diagram for the representation of the

zweite Gefäßbereich gekühlt werden. PUknpmechanismus für die Kernpolarisation dessecond vascular area to be cooled. PUknpmechanismus for the nuclear polarization of the

Für verschiedene Zwecke ist es vorteilhaft, einen He'-Atoms,For various purposes it is advantageous to use a He'-atom,

dritten Gefäßbereich vorzusehen, der mittels eines 60 F i g. 3 eine Aufsicht auf eine andere Form einerthird vascular area to be provided, which by means of a 60 F i g. 3 is a plan view of another form of a

Gaskanals, durch den die Diffusion der Gasatome Beobachtungs- und Pumpbereichsanordnung desGas channel through which the diffusion of gas atoms observation and pumping area arrangement of the

eingeschränkt ist, mit dem zweiten Bereich verbun- erfindungsgemäßen Masers,is restricted, maser according to the invention connected to the second area,

den ist und der vom zweiten Bereich entfernt ange- F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 3,which is and which is indicated at a distance from the second area. 4 shows a section along the line 4-4 in FIG. 3,

ordnet ist. Solche Anordnungen sind besonders als Fig. 5 ein Schaltbild eines Atommasers mit eineris arranged. Such arrangements are particularly as Fig. 5 is a circuit diagram of an atomic fiber with a

Gradiometer geeignet; ein ähnlicher Aufbau kann 65 ß-Multiplizierschaltung,Suitable for gradiometers; a similar structure can be 65 ß multiplier circuit,

aber auch dazu verwendet werden, die Anregung Fig. 6 eine Ausgangsschaltung für einen erfinder Atome und das optische Pumpen der angeregten dungsgemäßen Atommaser in Verwendung für ein6 an output circuit for an inventive atom and the optical pumping of the excited atomic laser according to the invention in use for a

Atome zu trennen, oder, wenn der Gaskanal ent- Magnetometer,To separate atoms, or, if the gas duct is ent- magnetometer, Fig. 7 ein Schema eines erfindungsgemäßen Grä- geordnet und enthält der Zirkularpolarisator einen7 shows a diagram of an arrangement according to the invention and the circular polarizer contains one

diometers,* ' Linearpolarisator 9, beispielsweise einen Linear-diometers, * 'linear polarizer 9, for example a linear

Fig. 8 eine andere Ausführungsform eines erfin- polarisator vom Polaroid-TypHR für das Infrarote8 shows another embodiment of an invented polarizer of the Polaroid type HR for the infrared

dungsgemäßen Gradiömeters, und eine Viertelwellenplatte 11, deren Achse- 45° zuraccording to the Gradiömeters, and a quarter wave plate 11, the axis 45 ° to

Fig. 9 ein Schemabild des Ausgangsteils eines 5 Achse des Linearpolarisators orientiert ist. Eine ge-9 is a schematic diagram of the output portion of a 5 axis oriented linear polarizer. A good

abstimmbaren Schmalbandfilters oder -Verstärkers eignete Viertelwellenplatte 11 ist'»Cellophan« (Han-A quarter-wave plate 11 suitable for a tunable narrow-band filter or amplifier is' »Cellophan« (Han-

mit Merkmalen der Erfindung, delsname) von 0,025 mm Stärke.with features of the invention, delsname) of 0.025 mm thickness.

Fig. 10 ein Schema einer anderen Maserausfüh- Im Pumpbereich 2 wird mittels einer HF-Spule 12,Fig. 10 is a diagram of another Maserausfüh- In the pump area 2 by means of an RF coil 12,

rung mit gekühltem Beobachtungsbereich, die vorzugsweise in zwei koaxiale Segmente auf-with a cooled observation area, which is preferably divided into two coaxial segments.

Fig. 11 ein Schema eines Ausgangsteils mit klei- io gespalten ist, die auf beiden Seiten des Gefäßbereichs11 is a diagram of an outlet part with a small split on both sides of the vascular area

nem Gütefaktor für einen erfindungsgemäßen Maser, angeordnet sind, so daß ein magnetisches HF-nem quality factor for a burl according to the invention, are arranged so that a magnetic HF-

Fig. 12 eine andere Ausführungsform eines Wechselfeld innerhalb des Bereichs2 hervorgerufen12 shows another embodiment of an alternating field within the area 2 Maserausgangsteils mit niedrigem Gütefaktor, wird, eine elektrische Entladung erregt Die HF-SpuleThe low Q factor output section, an electrical discharge is excited. The RF coil Fig. 13 schematisch einen Hyperfeinstruktur- wird von einem geeigneten HF-Oszillator 13 zur13 schematically shows a hyperfine structure is used by a suitable RF oscillator 13 Atommaser mit Merkmalen der Erfindung, 15 Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung ge-Atomic fiber with features of the invention, 15 maintenance of the electrical discharge ge Fig. 14 ein Schema einer anderen Ausfuhrungs- speist,14 shows a diagram of another embodiment feed,

form eines Zweibereichmasers, Ein Maser-Ausgangskreis 14 ist urn den Beobach-shape of a two-range grain, a grain output circle 14 is around the observer

F i g. 15 schematisch eine andere Ausführungsform tungsbereich 3 herum angeordnet, so daß die ange-F i g. 15 schematically another embodiment arrangement area 3 arranged around so that the

eines Hyperfeinstruktur-Masers, regte Strahlungsemission von den Gasatomen imof a hyperfine structure measles, stimulated radiation emission from the gas atoms in the

F i g. 16 ein Schema eines anderen Zeeman-Über- ao Kreis aufgenommen wird und eine genügend hoheF i g. 16 a scheme of another Zeeman-Über- ao circle is included and a sufficiently high one

gangsmasers, Wechselwirkung auf die Ansammlung strahlendergangsmasers, interacting on the collection of radiant

Fig. 17 schematisch einen anderen Maser mit ge- Atome zurück bewirkt, so daß eine kohärente antrennten Bereichen für eine elektrische Entladung, geregte Strahlungsemission von der ganzen Gas-Polarisation und Beobachtung, atomansammlung im Beobachtungsbereich 3 erhalten17 schematically causes another maser with ge atoms back so that a coherent separate areas for an electrical discharge, stimulated radiation emission from the entire gas polarization and observation, atom accumulation in the observation area 3 is obtained

Fig. 18 ein Blockschaltbild einer Magnetfeld- 25 wird. Bei einer Ausführungsfonn enthält die Maser-Fig. 18 is a block diagram of a magnetic field 25. In one embodiment, the burl

stabilisier-Einrichtung mit Merkmalen der Erfindung, Ausgangsschaltung 14 eine Spule 15 in Parallel-stabilizing device with features of the invention, output circuit 14 a coil 15 in parallel

Fig. 19 ein Schaltbild eines Stromreglers mit resonanz mit einem Kondensator 16 bei der Reso-Fig. 19 is a circuit diagram of a current regulator with resonance with a capacitor 16 in the Reso- Merkmalen der Erfindung und nanzfrequenz der Strahlungsemission. Das magne-Features of the invention and the frequency of radiation emission. The magne- Fig. 20 schematisch ein Spektrometer für gyro- tische WechselfeldH1, das durch den von der Strah-20 schematically shows a spectrometer for gyro- tic alternating field H 1 , which is produced by the

magnetische Resonanz mit Merkmalen der Erfindung. 30 lung in Spule IS induzierten Strom eizeugt wird, sollmagnetic resonance with features of the invention. 30 ment current induced in coil IS is supposed to be generated

Ein erfindungsgemäßer Maser ist in Fig. 1 dar- auch eine starke Komponente H1 im Bereich 3 rechtgestellt. Ein hanteiförmiges Gefäß 1, beispielsweise winklig zur Richtung des magnetischen Polarisationsaus »Pyrex« (Handelsname), enthält eine Ansamm- feldes H0 haben.A burl according to the invention is shown in FIG. 1 with a strong component H 1 in area 3. A dumbbell-shaped vessel 1, for example at an angle to the direction of the magnetic polarization from “Pyrex” (trade name), contains an accumulation field H 0 .

lung Gasatome, wie beispielsweise He3, unter einem Der Pumpmechanismus, durch den sich der Ungeeigneten Druck, beispielsweise etwa 1 mm Hg. Das 35 gleichgewichts-Energiezustand der Helium-Atomhantelförmige Gefäß ί weist zwei getrennte kugel- kerne im Beobachtungsbereich 3 ergibt, entsteht wie förmige Bereiche 2 bzw. 3 von beispielsweise 3,5 cm folgt:lung gas atoms, such as He 3, under one of the pumping mechanism by which the Bad pressure, for example about 1 mm Hg. The 35 equilibrium energy state of the helium atom dumbbell-shaped vessel ί has two separate spherical cores in the observation area 3 above, is formed as shaped areas 2 or 3 of, for example, 3.5 cm follows:

Durchmesser auf, die durch ein Diffusionsrohr 4 mit Wie dem Tennschema Fig. 2 zu entnehmen ist, kleinem Durchmesser, beispielsweise 4 mm Innen- wird HeS(1S.) durch ElektronedStoß im Pump^ durchmesser und 3,5 cm Länge, verbunden sind. Ein 40 bereich Z angeregt, die Elektronen sind durch die Ende des Diffusionsrohres 4, vorzugsweise das in schwache elektrische Entladung darin erzeugt Der den Beobachtungsbereich 3 mündende Ende, enthält Elektronens>toß ruft metastabile HeS^S^-Zustände eine kleine öffnung S, die die geometrische Lebens- hervor, die durch die zirkulär polarisierte He«-Resodauer — oder mit anderen Worten die Speicher- nanzstrahlung optisch gepumpt werden. Durch das zeit — der Atome im Beobachtungsbereichs be- 45 optische Pumpen wird eine aus dem Gleichgewicht stimmt. Die geometrische Lebensdauer oder Speicher- verschobene Besetzung der 'Sj-Zustände erzeugt die zeit ist gegeben durch die mittlere Zeit die ein Atom Kern-Spins sind nämlich in der gleichen Weise benötigt, das durch die öffnung S in die Kammer 3 orientiert. Anschließend finden Kollisionen mit dem diffundiert, willkürlich in der Kammer »umherzu- Zustand HeS(1S0) statt, wobei das angeregte Elektron laufen«, wobei Tausende von aufeinanderfolgenden 50 ausgetauscht wird. Daraus folgt daß die Kern-Spin-Kollisionen mit anderen Gasatomen erfolgen, und Orientierung an den He^S^-Zustand übertragen schließlich zurück den Weg durch die öffnung 5 wird, für den die Lebensdauer bei Fehlen einer Entfinden, ladung sehr lang ist Beispielsweise ist eine Quer-Diameter, which by a diffusion tube 4 with As the separation scheme Fig. 2 can be seen, small diameter, for example 4 mm inside HeS ( 1 S.) is connected by electron shock in the pump ^ diameter and 3.5 cm length. A 40 area Z is excited, the electrons are generated by the end of the diffusion tube 4, preferably the weak electrical discharge in it. The end opening into the observation area 3 contains electrons Geometric life, which are optically pumped by the circularly polarized He «-reso duration - or in other words the storage radiation. The optical pumping of the atoms in the observation area causes one to be out of balance. The geometric lifespan or memory-shifted occupation of the 'Sj-states is generated. The time is given by the mean time that an atom of nucleus spins are required in the same way that is oriented through the opening S into the chamber 3. Subsequently, collisions with the diffused, arbitrary in the chamber "around - state HeS ( 1 S 0 ), with the excited electron running", with thousands of consecutive 50 being exchanged. It follows from this that the nuclear-spin collisions take place with other gas atoms, and orientation to the He ^ S ^ state is finally transferred back the way through the opening 5, for which the service life in the absence of a charge is very long, for example a transverse

Das hantclförmige Gefäß 1 ist in einem geeigneten Relaxationszeit (Strahlungslebensdauer) für die Kern-The dumbbell-shaped vessel 1 is in a suitable relaxation time (radiation lifetime) for the core

magnctischcn Polarisationsfeld H„ angeordnet das 55 Spins des Zustandes HeS(1S0) von bis zu 55 Sekun-Magnetic polarization field H " arranged that 55 spins of the state HeS ( 1 S 0 ) of up to 55 seconds

bcispielswcise von einem Solenoid 6 erzeugt wird den entsprechend einer Resonanzlinienbreite vonB. is generated by a solenoid 6 corresponding to a resonance line width of

oder, im Falle eines Schwachfeldmagnetometers, das 6 X 10~s Hz erhalten worden. Dieser Wert waror, in the case of a low-field magnetometer, the 6 X 10 ~ s Hz has been obtained. That value was

Erdfeld ist und in diesem Falle fehlt das Solenoid 6. hauptsächlich durch die vorhandenen magnetischenEarth field is and in this case the solenoid is missing 6. mainly due to the existing magnetic Zirkular polarisierte optische Resonanzstrahlung von Feldinhomogenitäten bestimmtCircularly polarized optical resonance radiation determined by field inhomogeneities

einer Hc«-I,ampc 7 und einem Zirkularpolarisator 10 60 Die Übertragung eines Drehimpulses vom zirkulära Hc «-I, ampc 7 and a circular polarizer 10 60 The transmission of an angular momentum from the circular

leuchtet in den Pumpbercich 2, wobei die Fort- polarisierten Licht zum metastabilen He» und damitlights up in the pump area 2, whereby the further polarized light becomes the metastable He »and thus

pflaüzungsrichtung des polarisierten Lichtes eine in den Grundzustand dieser Atome ergibt eine ein·direction of the polarized light in the ground state of these atoms results in a

erhebliche Komponente parallel zur Richtung einer drucksvoll starke Kernpolarisation von etwa 2O«/o beiconsiderable component parallel to the direction of an impressively strong nuclear polarization of about 20%

starken Komponente des magnetischen Polarisations- einem Gasdruck von etwa 1 mm Hg Die He»-Kerne,strong component of the magnetic polarization - a gas pressure of about 1 mm Hg The He »nuclei,

fcldcs //„ hat Der Zirkularpolarisator 10 kann in 65 die somit in der Gegenwart des Magnetfeldes polari-fcldcs // "has The circular polarizer 10 can be polarized in 65 the thus in the presence of the magnetic field

irgcndcincr beliebigen bekannten Form ausgeführt sicrt sind, werden dann durch den DiiTusionsnrozeßAny known form is then carried out by the dissolution process

sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vor durch die enge Diffusionsröhrc 5 in den netrcnntcnbeing. In a preferred embodiment, there is in front of the narrow diffusion tube 5 in the netrcnntcn

dem /Muliirpnlarisator dnc Kondcnsorlinsc 8 an- Beobachlungsbcrcich 3 transportiert Die Vcrwen-the / Muliirpnlarisierungsdnc Kondcnsorlinsc 8 to the observation area 3 transports the user

Γ Μ Γ Μ

dung des getrennten Beobachtungsbereichs 3 sorgt brauchbares Material zur Herstellung optisch gefür die Abwesenheit vom metastabilen Atomen und pumper DifTusionsmaser, wie noch später näher erElektronen im Beobachtungsbereich. Solche uner- läutert wird. Es ist zu berücksichtigen, daß zur Erwünschten Partikel im Beobachtungsbereich werden zielung einer großen Speicherzeit und langer, aktiver vermieden, weil diese Elektronen und metastabilen S Lebensdauer der strahlenden Atome eine beträcht-Atome relativ kurze Lebensdauer haben. Wenn sie liehe Zahl von Wand-Zusammenstößen im Beobachalso im Beobachtungsbereich nicht laufend erzeugt tungsbereich 3 erhalten wird, obwohl der dominiewerden, beispielsweise durch Pumpen in diesem Be- rende Beschränkungsmechanismus der von Kollisioreich, werden sie eliminiert. Der Beobachtungs- nen mit dem Puffergas ist. Das für das aktive Matebereich 3 ist gegen das Pumplicht und die elektrische io rial- des Masers verwendete Atommaterial muß also Entladung abgeschirmt. Eigenschaften besitzen, die es erlauben, daß es oftThe formation of the separate observation area 3 provides usable material for the production optically for the absence of metastable atoms and pumper diffusion masers, such as electrons in the observation area that will be discussed in greater detail later. Such is not explained. It must be taken into account that the desired particles in the observation area are aimed at a long storage time and longer, more active avoided because these electrons and metastable s lifetimes of the radiating atoms have a considerable- atoms relatively short lifetimes. If the number of wall collisions in the observation area is not continuously generated in the observation area 3, although they become dominant, for example by pumping in this limiting mechanism of the collision area, they are eliminated. The observation with the buffer gas is. The atomic material used for the active material area 3 is against the pump light and the electrical io rial- des maser so must Shielded discharge. Possess properties which allow it often

Auf der anderen Seite haben die polarisierten auf die Wand aufprallen kann, ohne daß die ange-Kerne, wenn sie nicht durch solche metastabilen regte Strahlungsemission unzulässig gestört wird Atome und Elektronen gestört werden, Lebensdauern und ohne daß es mit der Wand rekombiniert oder in erheblich über 1 Sekunde und können relativ lange »5 anderer Weise entspannt wird. In dieser Beziehung in strahlendem Zustand im Beobachtungsbereichs prallt Hg199·801 extrem gut auf, während die Alkaligespeichert werden. Elemente ebenso wie Wasserstoff nicht entspannende,On the other hand, the polarized atoms and electrons have a lifespan and without it recombining with the wall or in considerably over 1 second and can be relaxed in other ways for a relatively long time. In this regard, in the radiant state in the observation area, Hg 199 · 801 bounces extremely well while the alkalis are stored. Elements like hydrogen not relaxing,

Beispielsweise für den He3-Maser nach F i g. 1 mit inerte Wandbeschichtungen erfordern, wie beispielsden obenerwähnten Abmessungen hatte die öff- weise »Teflon« (Handelsname) oder Paraffin. Im nung 5 nur einen Durchmesser von 0,1 mm, so daß ao Falle von Hes-Atomen kommt die angeregte Strahdie Speicherlebensdauer bei dem angegebenen Druck lungsemission von der Kernresonanz des Heliumin der Größenordnung von 28 Sekunden lag, wäh- atoms. Bei einigen anderen der genannten Atome rend der Gütefaktor des abgestimmten Ausgangs- kommt die Atomresonanz aber entweder von einer kreises 14 etwa Q = 200 betrug. Mit diesen Para- Hyperfeinstrukturresonanz oder einer Zeemann-Remetern wurden Maserschwingungen von einer Lei- as sonanz des Valenz-Elektrons, stung von 5·10~14 Watt an den Klemmen 17 mit In dem Fall, daß eine HyperfeinstrukturresonanzFor example, for the He 3 grain according to FIG. 1 with inert wall coatings, such as the dimensions mentioned above, which had the opening “Teflon” (trade name) or paraffin. In the voltage 5 only a diameter of 0.1 mm, so that in the case of He s atoms, the excited beam comes the storage life at the specified pressure emission from the nuclear resonance of helium in the order of 28 seconds, where atoms. For some of the other atoms mentioned, the quality factor of the matched output comes from the atomic resonance, but either from a circle 14 was approximately Q = 200. With this para-hyperfine structure resonance or a Zeemann remeter, maser vibrations of a lease resonance of the valence electron, power of 5 · 10 ~ 14 watts at the terminals 17 with. In the case that a hyperfine structure resonance

einer Resonanzlinienbreite von 1,6 · 10~2 Hz in als Maserübergang verwendet wird, beispielsweise einem Polarisationsfeld H0 von 32 Gauß erhalten. bei Benutzung von Alkali-Elementen einschließlicha resonance line width of 1.6 · 10 ~ 2 Hz is used as a maser transition, for example a polarization field H 0 of 32 Gauss. when using alkaline elements including

Mit den oben in Verbindung mit F i g. 1 genannten Rubidium, wird mit Elektronenresonanz gearbeitet, Parametern und einer Feldstärke von 32 Gauß lag 30 wobei das Magnetmoment etwa tausendmal größer die Kernresonanzfrequenz der Maserschwingungen ist als bei Kernresonanz. Bei einem Hyperfeinstrukim Bereich 3 bei 103 kHz. Die obige Leistung und turmaser wird also eine erheblich kleinere Anzahl Linienbreite ergibt einen quadratischen Mittelwert- von Atomen im Beobachtungsbereich eine angeregte Bruchteil der Frequenzfluktuation von Strahlungsemission von größenordnungsmäßig glei-With the above in connection with FIG. 1 called rubidium, electron resonance is used, Parameters and a field strength of 32 Gauss was 30 whereby the magnetic moment was about a thousand times greater the nuclear magnetic resonance frequency of the maser vibrations is than for nuclear resonance. With a hyperfine structure in range 3 at 103 kHz. So the above power and turmaser will be a considerably smaller number Line width gives a quadratic mean value of atoms in the observation area an excited one Fraction of the frequency fluctuation of radiation emission of the order of magnitude of the same

35 eher Stärke wie die von Kernresonanz erzeugte35 more like strength like that produced by nuclear magnetic resonance

(A r2) V» · r0, was etwa 5 · \0~^Ιγϊ (A r 2 ) V »· r 0 , which is about 5 · \ 0 ~ ^ Ιγϊ . Strahlung liefern. Es wäre also zu erwarten, daß im. Deliver radiation. So it would be expected that im

Falle von Alkali-Elementen und Wasserstoff beiCase of alkali elements and hydrogen

für eine Beobachtungszeit von t Sekunden ergibt. Verwendung von Hyperfeinstrukturübergängen die Diese Stabilität ergibt sich durch Fundamental- Gasdrücke im Pump- und im Beobachtungsbereidi Phasenfluktuationen, die durch die thermische Ener- 40 erheblich geringer sein werden als der bei Helium gie im Schwingkreis verursacht sind, und Einflüsse verwendete Druck Trotzdem wird in Betracht geauf Grund magnetischer Feldfluktuationen sind ver- zogen, daß der dominierende Beschränkungsnachlässigt. Eine Verringerung der Resonanzlinien- Speichermechanismus weiterhin der eines Puffergase; breite um eine Größenordnung auf ö · i0~s Hz wird ist und nicht der, der durch einen Praiibockspcidictleicht mit Quer-Relaxationszeiten bis zu 55 Sekunden 45 mechanismus gekennzeichnet ist, bei dem die geerhalten, wenn im wesentlichen gleichartige Vor- speicherten Atome aufeinanderfolgend mit der Gerichtungen wie die in Fig. 1 gezeigten verwendet fäßwand zusammenstoßen, wobei eine wesentlicr werden. kleinere Kollisionswahrscheinlichkeit mit andererfor an observation time of t seconds. Use of hyperfine structure transitions The stability results from fundamental gas pressures in the pump and in the observation area phase fluctuations, which are caused by the thermal energy 40 considerably less than the pressure used in the case of helium in the resonant circuit, and influences Due to magnetic field fluctuations, the dominant restriction neglects. A reduction in the resonance line storage mechanism continues that of a buffer gas; width by an order of magnitude to 10 ~ s Hz and not that which is easily characterized by a praiibock specidic mechanism with transverse relaxation times of up to 55 seconds 45 in which the, if essentially identical, pre-stored atoms are retained one after the other with the Directions such as those shown in Fig. 1 used to collide the vessel wall, being a substantial. smaller likelihood of collision with others

He3 hat die ungewöhnliche Eigenschaft, daß es Gasatomen innerhalb des Beobachningsbereiche! viele Wandkollisionen mit dem Gefäß 3 erleiden 50 vorliegt, d. h., die mittlere freie Weglänge der Atom« kann, ohne daß der strahlende Kernquantenzustand ist größer als die Querabmessung des Beobachtungs merkbar gestört wird. Weiter ergibt sich eine merk- bereiches.He 3 has the unusual property that there are gas atoms within the observation area! suffer many wall collisions with the vessel 3, that is, the mean free path of the atoms can be noticeably disturbed without the radiating nuclear quantum state being larger than the transverse dimension of the observation being noticeably disturbed. There is also a memory range.

liehe Bewegungsverengung der Resonanzlinie dank Es ist zu erwähnen, daß zwar in Fig. 1 nur eitborrowed narrowing of the movement of the resonance line thanks It should be mentioned that although in Fig. 1 only eit

der relativ schnellen Diffusion von Helium durch das Pumpbereich 2 mit zugehöriger Lichtquelle, Lina Magnetfeld- Diese Bewegungsverengung gewähr- 55 und Polarisatoren 7, 8, 9 und 11 vorgesehen sind leistet eine kleine Linienbreite und sorgt auch für die tatsächlich aber eine oder mehrere zusätzliche ahn symmetrische Linienform, selbst wenn die magne- liehe Pumpbereiche und zugehörige Lichtquelle tische Feldinhomogenitätsverteilung über der Probe durch entsprechende Diffusionsröhren gewünschten im Bereich 3 asymmetrisch ist. Die Ausgangsfrequenz falls mit dem Beobachtungsbereich 3 gekoppelt wer des He^Masers ist damit eindeutig mit dem mittle- 60 den können. Ein solches Vorgehen würde die Polari ren Magnetfeld über der Probe und den Wert des sierung verbessern und eine größere Ausgangsleistung (abgeschirmten) He8-Kernmagnetmomentes ver- ermöglichen. Gleiche Betrachtungen gelten auch fü knüpft. folgende Ausführungsformen der Erfindung.the relatively fast diffusion of helium through the pumping area 2 with the associated light source, Lina magnetic field- This movement restriction ensures 55 and polarizers 7, 8, 9 and 11 are provided provides a small line width and also ensures the one or more additional, symmetrical ones Line shape, even if the magnetic pumping area and associated light source table field inhomogeneity distribution over the sample is desired asymmetrical in area 3 due to appropriate diffusion tubes. The output frequency, if coupled with the observation area 3, is clearly with the mean. Such a procedure would improve the polar magnetic field over the sample and the value of the sizing and enable a higher output power (shielded) He 8 nuclear magnetic moment. The same considerations also apply to links. the following embodiments of the invention.

Es können auch andere Atomarten als aktive In F i g. 3 und 4 ist dnc andere geometrische FornIt is also possible for other types of atoms to be active in FIG. 3 and 4 is a different geometric shape

Atommaterialien bei einem solchen optisch gepump- 65 des erfindungsgemäßen Masers dargestellt, die fü ten Diffusionsmaser verwendet werden. Speziell sind besseren Betrieb in schwachen Feldern, wie der solche anderen Materialien Hg199·*11, Rb"5-87 und Erdfeld, geeignet ist. Es wird insbesondere ein vei andere Alkali-Hlemcntc. Auch Wasserstoff ist ein besserter Fullfaktnr dadurch erreicht, daß ein zylfaAtomic materials shown in such an optically pumped maser according to the invention, which are used for diffusion maser. In particular, better operation in weak fields, such as the other materials such as Hg 199 * 11 , Rb " 5 - 87 and earth field, are suitable. In particular, a number of other alkali substances are used a zylfa

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drischer Pumpbereich 18, beispielsweise aus Pyrex, gen Schaltung dienen dazu, den Gütefaktor der Maserverwendet wird, um den herum ein ringförmiger Be- ausgangsschaltung 14 zu vervielfachen. Die Maserobachtungsbereich 19 angeordnet ist. Der Ringbe- ausgangsschwingungen stehen dann an den Ausreich ist mit dem zentralen Pumpbereich 18 über eine gangsklemmen 43. Der Vorteil der Verwendung der Anzahl speicherartiger Diffusionsröhren 21 mit oft*- 5 Gütefaktormultiplizierschaltung nach F i g. 5 liegt nungen 5 verbunden, wie sie oben in Verbindung mit darin, daß es damit möglich ist, Maserschwingungen Fig. 1 beschrieben sind, um die geometrische der Atomgasresonanz zu beobachten, wenn ohne die Lebensdauer der strahlenden Atome im Beobach- Gütevervielfacherschaltung Maser-Grenzbedingungen tungsbereich 19 festzulegen. Wie im vorangegange- vorlagen.The third pump area 18, for example made of Pyrex, serves to multiply the quality factor of the maser around which a ring-shaped output circuit 14 is used. The maser observation area 19 is arranged. The ring output oscillations are then available to the central pump area 18 via an input terminal 43. The advantage of using the Number of memory-like diffusion tubes 21 with often * -5 quality factor multiplier circuit according to FIG. 5 lies Connections 5 connected, as described above in connection with the fact that it is possible with it, marshal vibrations Fig. 1 are described to observe the geometric of the atomic gas resonance when without the Lifetime of the radiating atoms in the observation Q-multiplier circuit Maser boundary conditions area 19 to be determined. As in the previous templates.

nen Ausführungsbeispiel sind zwei Elektroden 22 an io In F i g. 6 ist ein typisches Magnetometer mit den beiden Enden des zylindrischen Pumpbereichs einem erfindungsgemäßen Maser dargestellt. Die angeordnet und werden mit HF-Energie von einer Ausgangsschaltung des Masers enthält die Spule 15, HF-Quelle 23 erregt, so daß eine schwache elek- die mit Reihenkondensatoren 45 bzw. 46 in Paralleltrische Glimmentladung innerhalb des Pumpbereichs resonanz liegt. Die Kondensatoren 45 und 46 dienen erzeugt wird. Eine der Elektroden ist mit einer öff- 15 als Spannungsteiler zur Impedanzanpassung an einen nung versehen, um zirkulär polarisierter Resonanz- geeigneten Spannungserhöhungstransformator47. Die strahlung von Quelle 20 den Zutritt zu ermöglichen. Hochspannungs-Sekundärwicklung des Transfonnadamit die Atome im Pumpbereich in höhere Energie- tors 47 ist an den Eingang eines Verstärkers 48 anzustände gepumpt werden. Wie im obigen Ausfüh- geschlossen, wo die Maserschwingungen bei der Rerungsbeispiel ist die Fortpflanzungsrichtung der zir- 20 sonanzfrequenz verstärkt werden. Im Falle einer kular polarisierten optischen Strahlung parallel zur Kernresonanz haben die Maserschwingungen typi-Richtung des Magnetfeldes gerichtet Um den ring- scherweise eine relativ niedrige Frequenz. Die Freförmigen Beobachrungsbereich 19 herum ist eine In- quenz hängt von der Größe des zu messenden Maduktion-sspule 24 gewickelt, die in Parallelresonanz gnetfeldes H0 ab. Im magnetischen Erdfeld liegt die mit einem Kondensator 25 stehen kann, um die Aus- 35 Maserschwingung bei etwa 2 kHz, entsprechend einer gangsschaltung 14 des Masers zu bilden. Größe des Erdfeldes von etwa 0,5 Gauß. Wenn In Fig. 5 ist ein anderer erfindungsgemäßer ver- andererseits ein Elektronen-Spin-System als aktives besserter Maser dargestellt, bei dem die Ausgangs- Medium verwendet wird, beispielsweise das von schaltung 14 eine Q-Multiplizierschaltung ZUr Ver- Wasserstoff oder Rubidium, ist die Resonanz eine besserung des Empfanges der Maserschwingungen 30 Hyperfeinstrukturresonanz oder Elektronenresonanz, in dem Beobachtungsbereich 3 enthält. und die Resonanzfrequenz liegt in der Größenord-Kurz gesagt enthält die Ö-Multiplizierschaltung nung von 1400 MHz bei Wasserstoff und 6800 MHz zwei Elektronenröhren 26, 27 in Kathodenfolger- bei Rubidium.In an exemplary embodiment, two electrodes 22 are attached to FIG. 6 shows a typical magnetometer with the two ends of the cylindrical pumping area of a maser according to the invention. The arranged and are excited with RF energy from an output circuit of the maser contains the coil 15, RF source 23, so that a weak elec- the resonance with series capacitors 45 and 46 in parallel glow discharge within the pumping area. The capacitors 45 and 46 are used to generate. One of the electrodes is provided with an opening as a voltage divider for impedance matching to a voltage, around a circularly polarized resonance-suitable voltage increasing transformer47. The radiation from source 20 to allow entry. High-voltage secondary winding of the transformer, so that the atoms in the pumping area can be pumped into higher energy states at the input of an amplifier 48. As in the above example, where the maser vibrations are amplified in the example, the direction of propagation of the zirconia frequency is amplified. In the case of circularly polarized optical radiation parallel to nuclear resonance, the maser vibrations are typically directed in the direction of the magnetic field. Around the ring, a relatively low frequency. The free-form observation area 19 around it depends on the size of the induction coil 24 to be measured, the magnetic field H 0 in parallel resonance. In the earth's magnetic field, which can stand with a capacitor 25, in order to form the maser oscillation at about 2 kHz, corresponding to an output circuit 14 of the maser. Size of the earth's field of about 0.5 Gauss. If in Fig. 5 another inventive, on the other hand, an electron spin system is shown as an active improved maser, in which the output medium is used, for example that of circuit 14 a Q multiplier circuit ZU r Ver hydrogen or rubidium, If the resonance is an improvement in the reception of the maser vibrations 30, it contains hyperfine structure resonance or electron resonance in the observation area 3. and the resonance frequency is in the order of magnitude. In short, the multiplier circuit contains two electron tubes 26, 27 in cathode follower with rubidium of 1400 MHz for hydrogen and 6800 MHz.

schaltung. Die Ausgangsschwingungen des Maser- Wenn die Niederfrequenzresonanz verwendet wird, kreises 14 werden über einen Koppelkondensator 28 35 beispielsweise bei Kernresonanz von He5, ist vor- und einer. Gittervorspannungswiderstand 29 an das zuziehen, daß ein Frequenzvervielfacher 49 an den Gitter der ersten Röhre 26 gekoppelt, wo die Maser- Ausgang des Verstärkers 48 angeschlossen wird, um schwingungen verstärkt werden und an der Anode das Resonanzsignal auf eine höhere Frequenz zu der ersten Röhre 26 auftreten. Eine Parallelschaltung multiplizieren, die den erforderlichen Genauigkeitsaus Kondensator 31 und Widerstand 32 liegt in 40 grad ergibt, wenn sie in einem geeigneten Zähler 51 Reihe an der Kathode der ersten Röhre 26, um die gemessen wird. Der Zähler wirft die Frequenz, die nötige Gittervorspannung zu erzeugen. vom Ausgang des Frequenzvervielfachers 49 gslie-Die verstärkten Signale der ersten Röhre 26 wer- fert wird, aus, gewünschtenfalls kann diese aufgeden der zweiten Röhre 27 über Kathode zugeführt zeichnet werden. Bei bekanntem Muitipiikationstak- und werden dort verstärkt. Die verstärkten Signale 45 tor des Vervielfachers 49 ist die Resonanzfrequenz stehen über dem abgestimmten Schwingkreis 33 der der Kerne leicht zu bestimmen, und diese Resonanzzweiten Röhre 27. Der Schwingkreis 33 ist leicht ge- frequenz ist ein direktes Maß der Magnetfeldstärke genüber der erwarteten A.omresonanz verstimmt, um H9. Gewünschtenfalls kann der Zähler speziell so eine Phasenverschiebung der Maserfrequenz um 90° ausgebildet werden, daß die Ablesung direkt in Mazu erhalten. Ein Teil der verstärkten und in der Phase 50 gnetfeldstärkeeinhehen erfolgt verschobenen Ausgangsspannung von der zweiten Die extreme spektrale Reinheit des Resonanzsi-Röhre 27 wird an den Eingang der ersten Röhre 26 gnals, das vom Maser nach F i g. 6 erhalten werden über einen 90°-Phasenschieber aus einem Koppel- kann, erlaubt eine bisher nicht mögliche Messung kondensator 34 und einem Reihenwiderstand 35 oder Regelung eines Magnetfeldes. Die Maserausrückgekoppelt. Diese kombinierte Phasenverschie- 55' gangsfrequenz folgt auch getreu praktisch trägheitsbung des Rückkopplungsweges und im verstimmten los den Änderungen im Feld. Das trifft trotz des Schwingkreis 33 sorgt für eine leicht positive Rück- hohen Gütefaktors des Kern-Zeeman-Übergangs zu. kopplung, gerade unterhalb der Selbsterregung, so In Fig. 6 ist der Maser zwar mit einem hantelförmidaß mit einem schwachen Masersignal bereits Maser- gen Gefäß dargestellt, wenn das Magnetometer aber schwingungen erhalten werden. Eine automatische 60 zur Messung schwacher Felder verwendet werden RC-Vorspannungsschaltung liegt zwischen Erde und soll, beispielsweise des Erdfeldes, ist vorzuziehen, Gitter der zweiten Röhre 27, um einen stabilen Be- die Form nach Fig. 3 zu verwenden; weil in diesem trieb zu gewährleisten, sie besteht aus einem Wider- Fall der Füllfaktor für das Magnetometer verbessert stand 36 und einer dazu parallelen Kapazität 37, die wird, wie bereits beschrieben, zwischen Gitter der Röhre 27 und Erde liegen. Eine 63 In Fig. 7 ist ein Gradiometer mit Merkmalen der feste Gittervorspannung wird fiber einen Vorspan- Erfindung dargestellt Ein gemeinsamer Pumpbereich nungswiderstand 41 von B+ bei 42 erhalten. 54 enthält die aktiven Gasatome. Der Pumpbereich ,; Die Röhren 26 und 27 zusammen mit der zugehöri- ist an zwei Beobachtungsbereiche 55 angeschlossen.circuit. The output oscillations of the maser If the low frequency resonance is used, circuit 14 are via a coupling capacitor 28 35, for example at nuclear resonance of He 5 , is before and one. Grid bias resistor 29 to draw that a frequency multiplier 49 is coupled to the grid of the first tube 26, where the maser output of the amplifier 48 is connected to vibrations are amplified and the resonance signal at a higher frequency to the first tube 26 occur at the anode . Multiply a parallel circuit that gives the required accuracy of capacitor 31 and resistor 32 is 40 degrees, if they are in a suitable counter 51 series at the cathode of the first tube 26, around which is measured. The counter raises the frequency to generate the necessary grid bias. The amplified signals of the first tube 26 are output from the output of the frequency multiplier 49; if desired, these can be drawn to the second tube 27 via the cathode. If the Muitipiikationstak- and are reinforced there. The amplified signals 45 tor of the multiplier 49 is the resonance frequency above the tuned oscillating circuit 33 that of the cores can easily be determined, and this resonance second tube 27. The oscillating circuit 33 is slightly frequency is a direct measure of the magnetic field strength compared to the expected magnetic resonance out of tune at B 9 . If desired, the counter can be specially designed to phase shift the grain frequency by 90 ° so that the reading is obtained directly in Mazu. Part of the amplified output voltage, which is shifted in phase 50, occurs from the second output voltage. 6 can be obtained via a 90 ° phase shifter from a coupling, a previously impossible measurement allows capacitor 34 and a series resistor 35 or control of a magnetic field. The burl disengaged. This combined phase shift frequency also follows practically the inertia exercise of the feedback path and in the detuned los the changes in the field. This applies in spite of the resonant circuit 33 ensures a slightly positive reverse high quality factor of the core-Zeeman transition. coupling, just below self-excitation, so. In Fig. 6 the burl is already shown with a dumbbell-shaped gauge with a weak burl signal, but when the magnetometer vibrates. An automatic 60 RC bias circuit is used to measure weak fields and is located between earth and should, for example, the earth field, is preferable, grid of the second tube 27, in order to use a stable load the shape of FIG. 3; because in this drive to ensure it consists of a drawback, the fill factor for the magnetometer improved stand 36 and a parallel capacitance 37, which, as already described, will lie between the grid of the tube 27 and earth. In Fig. 7, a gradiometer with fixed grid bias features is shown via a bias invention. A common pumping area voltage resistance 41 is obtained from B + at 42. 54 contains the active gas atoms. The pumping area,; The tubes 26 and 27 together with the associated one is connected to two observation areas 55.

1111th

I 12I 12

die in einigem Abstand vom Pumpbereich 54 ange- sionsröhre 56 in einen ersten Beobachtungsbereich ordnet sind und voneinander den Abstand D haben, 55 über Öffnung 57. Ein bestimmter Bruchteil der der in der Größenordnung von einigen Metern liegen Atompartikeln im Beobachtungsbereich 55 kann vom kann. Die Beobachtungsbereiche 55 sind mit läng- Bereich 55 entweichen und diffundieren in einer liehen Diffusionsröhren 56 mit dem Pumpbereich 54 5 zweiten Diffusionsröhre 62 in einen Beobachtungsbeverbunden; die Röhren 56 enthalten Öffnungen 57 reich 63. Die Diffusionsröhre 62, die den Bereich 55 zur Festlegung der geometrischen Lebensdauer der und den zweiten Bereich 63 verbindet, ist so bemesstrahlenden Atome in den Beobachtungsbereichen sen, daß die Diffusionszeit durch die Röhre 62 rela-55. Wie in den vorangegangenen Beispielen ist das tiv kurz ist, verglichen mit der Strahlungszeit der Gerät mit einem geeigneten Gas, etwa Hes, gefüllt, io Atompartikeln. Auf diese Weise ist die Resonanzfreund die Pumpkammer 54 wird mit zirkulär polari- quenz der Partikeln im ersten Beobachtungsbereich siertem Licht von einer geeigneten Quelle 20 be- 55 bestimmend für die mittlere Magnetfeldstärke in strahlt; die Richtung des Lichtes ist parallel zur den Bereichen 55 und 63. Das mittlere Magnetfeld Richtung des Magnetfeldes, das gemessen werden im Bereich 63 kann also effektiv durch die Masersoll. Zusätzlich enthält die Pumpkammer eine 15 ausgangsschaltung 14 überwacht werden, ohne daß schwache elektrische Entladung, so daß die Hes- unmittelbar an dem Bereich 63 eine Ausgangsschal-Kerne polarisiert werden, wie oben in Verbindung tung verwendet wird. Das Maserresonanzsignal wird mit F i g. 1 beschrieben. also in der Maserausgangsschaltung 14 festgestellt,which are arranged at some distance from the pumping area 54 into a first observation area and are at a distance D , 55 from each other via opening 57. A certain fraction of the atomic particles in the observation area 55 are of the order of a few meters. The observation areas 55 escape with a longitudinal area 55 and diffuse in a borrowed diffusion tube 56 with the pump area 54 5 second diffusion tube 62 in an observation area; the tubes 56 contain openings 57 rich 63. The diffusion tube 62, which connects the area 55 for determining the geometric life span of the and the second area 63, is so dimensioned radiating atoms in the observation areas that the diffusion time through the tube 62 rela-55. As in the previous examples, the tiv is short compared to the radiation time of the device filled with a suitable gas, such as He s , io atomic particles. In this way the resonance friend is the pumping chamber 54 is radiated with circularly polar frequency of the particles in the first observation area from a suitable source 20 determining 55 the mean magnetic field strength in; the direction of the light is parallel to the areas 55 and 63. The mean magnetic field direction of the magnetic field, which can be measured in the area 63, can therefore be effectively determined by the measles target. In addition, the pumping chamber contains an output circuit 14 which can be monitored without a weak electrical discharge, so that the He s - are polarized directly at the region 63 of an output switching core, as is used in connection with the above. The maser resonance signal is given by F i g. 1 described. thus determined in the Maser output circuit 14,

Zwei elektromagnetische oder HF-Schirme 58, dann im Verstärker 64 verstärkt und dem Zähler und beispielsweise aus Kupfer, sind zwischen dem Pum- ao Anzeigegerät 66 zugeführt, wie oben beschrieben.
penbereich54 und den Beobachtungsbereichen55 In Fig. 9 ist ein abstimmbares Schmalbandfilter angeordnet, um eine Störung zwischen den Maser- oder ein abstimmbarer Verstärker nach der Erfinschwingungen in den voneinander entfernten Beob- dung dargestellt Dieser besteht aus einem Maser achtungsbereichen 55 zu verhindern. Die Maser- nach Fig. 1, bei dem die Ausgangsschaltung 14 geschaltungen 14, die an die voneinander entfernten as ringfügig abgeändert wurde, indem eine getrennte Beobachtungsbereiche 55 angeschlossen sind, liefern Eingagnsschleife 71 eingeführt wird, die mit dem Be-Ausgangssignale, deren Frequenzen den Magnetfeld- obachtungsbereich gekoppelt ist An den Beobachstärken in den betreffenden Beobachtungsbereichen tungsbereich ist auch eine Ausgangsschleife 72 angeentsprechen. Wenn ein Gradient im Magnetfeld vor- koppelt, in der Ausgangssignale erhalten werden, handen ist, unterscheidet sich die Maserschwingungs- 30 Wenn die Vorrichtung als schmalbandiger abstimmfrequenz von einem Bereich 55 leicht von der des barer Filter oder Verstärker betrieben wird, werden anderen Beobachtungsbereichs, und die Frequenz- die Maserparameter, der Füllfaktor η, der Gütefaktor differenz ist ein direktes Maß des Magnetfeldgradien- der abgestimmten Ausgangsschaltung und die PoIaten. Die beiden Masersignale können leicht in einem risation M0 der Atomresonanzpartikeln um Eins oder geeigneten Frequenzmischer oder einem Verrastungs- 35 mehr unter den Schwellwert ununterbrochener Maserdetektor verglichen werden, so daß sich ein direktes schwingung herabgesetzt In diesem Fall ergibt sich Ausgangssignal ergibt, das ein Maß für den Gradien- keine kohärente angeregte Strahlungsemission der ten ist. Partikeln im Beobachtungsbereich, so daß sich kein
Two electromagnetic or HF screens 58, then amplified in the amplifier 64 and made of copper for example, are fed between the pump ao display device 66, as described above.
pen area54 and the observation areas55. In FIG. The Maser- according to Fig. 1, in which the output circuit 14, which has been slightly modified to the mutually distant ASs by connecting a separate observation area 55, supply input loop 71 is introduced which is connected to the Be output signals, the frequencies of which are the Magnetic field observation area is coupled An output loop 72 is also corresponding to the observation strengths in the observation area concerned. If there is a gradient in the magnetic field, in which output signals are obtained, the mase oscillation frequency differs slightly from that of the filter or amplifier, other observation areas, and the frequency, the grain parameters, the fill factor η, the quality factor difference is a direct measure of the magnetic field gradient of the matched output circuit and the potential. The two maser signals can easily be compared in a risation M 0 of the atomic resonance particles by one or a suitable frequency mixer or a latching 35 more below the threshold value uninterrupted maser detector, so that a direct oscillation is reduced. In this case, the output signal results which is a measure for the gradients are no coherent excited radiation emission of the th. Particles in the observation area, so that no

Die Maserausgangssignale von den beiden Beob- Ausgangssignal ergibt In Gegenwart eines Eingangsachtungsbereichen 55 werden vorzugsweise zunächst 40 signals, das an den Beobachtungsbereich und den getrennten Vorverstärkern 53 zugeführt, um eine Maserschwingkreis über die Eingangsschleife 71 anKopplung und ein Ziehen des einen Maseroszillators gelegt wird, ergibt das Eingangssignal, wenn es die durch den anderen zu verhindern. Die Ausgänge der Resonanzfrequenz der Atome im Beobachtungsbe-Vorverstärker 53 werden dann einem Mischer 59 zu- reich hat, eine Anregung der Strahlungsemission der geführt, in dem sie gemischt werden, so daß eine 45 Atomansammlung, diese Emission ist kohärent und Differenzfrequenz entsteht, die einem Frequenzzähler dient dazu, das über die Eingangsschleife 71 eingezugeführt wird, mit dem eine geeignete Gradienten- führte Signal zu verstärken. Die angeregte Strahdarstellungseinrichtung 60 verbunden ist, so daß eine lungsemission wild dann im Maserschwingkreis aufdirekte Anzeige des Gradienten erhalten wird. Ge- genommen und durch die Ausgangsschleife 72 an wünschtenfalls kann eine größere Präzision erhalten 50 eine nicht dargestellte Last ausgekoppelt
werden, indem der Ausgang des Mischers 59 vor Das Durchlaßband der Einrichtung als Filter oder dem Zählen und der Darstellung im Frequenzzähler Verstärker wird durch Veränderung der Größe des und Auswertegerät 60 multipliziert wird, so daß eine magnetischen Polarisationsfeldes H9 verändert, indem größere Präzision bei der Messung der Differenzfre- der Strom im Solenoid 6 geändert wird oder eine gequenz erhalten wird, wie in anderem Zusammenhang 55 eignete Kompensationsspule vorgesehen wird, mit oben bereits erläutert der das gesamte Polarisationsfeld im Beobachtungs-
The maser output signals from the two observing output signal results In the presence of an input observation area 55, preferably 40 signals are first fed to the observation area and the separate preamplifiers 53, to a maser oscillating circuit via the input loop 71 and pulling the one maser oscillator results in this Input signal if it is to prevent the through the other. The outputs of the resonance frequency of the atoms in the observation preamplifier 53 are then fed to a mixer 59, a stimulation of the radiation emission in which they are mixed, so that a 45 atom collection, this emission is coherent and a difference frequency arises The purpose of the frequency counter is that which is introduced via the input loop 71, with which a suitable gradient-led signal is amplified. The excited beam display device 60 is connected so that a lung emission is then obtained in the maser oscillation circuit upon direct display of the gradient. Taken and, if desired, through the output loop 72, a greater precision can be obtained 50 decoupling a load (not shown)
The passband of the device as a filter or the counting and display in the frequency counter amplifier is multiplied by changing the size of the and evaluation device 60, so that a magnetic polarization field H 9 is changed by greater precision in the Measurement of the differential frequency of the current in the solenoid 6 is changed or a sequence is obtained, as in another context 55 suitable compensation coil is provided, with the above already explained that the entire polarization field in the observation

Die spezielle Form gemäß Fig. 7 ist besonders bereich geändert werden kann. Als Schmsiband-The special shape shown in FIG. 7 is particularly area can be changed. As Schmsiband-

zweckmäßig, weil zwei Beobachtungsbereiche von Filter oder -Verstärker hat das Gerät die extrem Useful because the device has two observation areas for filters or amplifiers

einem gemeinsamen Pumpbereich gespeist werden kleine Bandbreite der Zeeman-Resonanzünienbreite A common pumping area is supplied with a small bandwidth of the Zeeman resonance line width

können. 60 in der Größenordnung von 10~3 Hz. Wie erwähnt.be able. 60 on the order of 10 ~ 3 Hz. As mentioned.

In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform eines wird die Mittenfrequenz durch die Stärke des ma- In Fig. 8 is another embodiment of a , the center frequency is determined by the strength of the ma

erfindungsgemäßen Masers dargestellt Dieser Maser gnetischen Polarisationsfeldes eingestellt, und einMasers according to the invention shown This Maser set magnetic polarization field, and a

ist ähnlich dem in Fig. 7 dargestellten, es wird je- Durchdrehen dieser Feldstärke ändert die Mhten- is similar to that shown in Fig. 7, it is every turning of this field strength changes the Mhten-

doch nur ein einziger Maserkreis zusammen mit frequenz des Filters und/oder Verstärkers. Das Ge- but only a single Maserkreis together with the frequency of the filter and / or amplifier. The GE-

einem einzigen Vorverstärker verwendet In diesem «3 rät kann extrem schnellen Fluktuationen im Feld A single preamplifier is used in this «3 advises can cause extremely rapid fluctuations in the field

Fall diffundieren Atompartikela, die im Pumpenbe- folgen, und dementsprechend ist eine zeitlich pro-In the case of diffuse atomic particles which follow in the pumping, and accordingly a temporally pro-

reich54, wie oben in Verbindung mit Fig. 7 be- grammierte Mittenfrequenz erhältlich, die für sichere reich54, as shown above in connection with FIG. 7 sawn-programmed center frequency for secure

schrieben, gepumpt werden, durch eine erste Diffu- Kommunikationen od. dgl. verwendet werden kann. Written, pumped, od through a first Diffu- communications. The like. Can be used.

Es handelt sich um einen Lorenfc-Frequenzgang. Das frequenzen arbeiten, ohne eine entsprechende Ab-It is a Lorenfc frequency response. The frequencies work without a corresponding Durchlgßband des abstimm-tfiren Filters oder Ver- Stimmung der Ausgangsschaltung,Pass band of the tuning filter or tuning of the output circuit,

stärkers kann geändert werden, indem die Beobach- In Fig. 11 ist eine andere Ausgangsschaltung mitThe strength can be changed by using the observer

tungsbereichsöffnung 5 entsprechend bemessen wird, geringem'Gütefaktor für einen Maser-Oszillator und/ um die gepmetrische Lebensdauer der strahlenden 5 oder Verstärker mit Merkmalen .der Erfindung dar-area opening 5 is dimensioned accordingly, low 'quality factor for a Maser oscillator and / around the pmetric service life of the radiating 5 or amplifiers with features of the invention.

Atome nachzujustieren. Beispielsweise wird durch gestellt. Die Ausgangsschaltung enthält eme Spule 15Readjust atoms. For example, is put through. The output circuit includes a coil 15 Verringerung der geometrischen Lebensdauer im Be- zur Aufnahme der Strahlungsemission, und dieseReduction of the geometric life in loading to absorb the radiation emission, and this

obachtungsbereich das Durchlaßband des Masers Spule ist direkt mit einer geeigneten Last 75 überObserve the pass band of the measles coil is directly with a suitable load 75 across

vergrößert Zusätzlich kann das Durchlaßband durch Leitungen 76 verbunden. In diesem Fall ist die Reak-Vergrößerung der Inhomogenität des magnetischen io tanz der Spule 15 bei der Maserfrequenz vorzugs-Additionally, the passband can be connected by lines 76. In this case, the reac-enlargement of the inhomogeneity of the magnetic io dance of the coil 15 at the maser frequency is preferred.

Feldes im Beobachtungsbereich vergrößert werden weise kleiner als der Belastungswiderstand.The field in the observation area are enlarged to be smaller than the load resistance.

oder durch Erhöhung der Temperatur im Beobach- In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform deror by increasing the temperature in the observer. In Fig. 12, a further embodiment is the

tungsbereich. Anordnung nach Fig. 11 dargestellt, wobei die Spulearea. Arrangement according to Fig. 11 shown, the coil

Die elektronisch durchstimmbare Bandbreite des 15 über einen variablen Reihenkondensator 77 undThe electronically tunable bandwidth of the 15 via a variable series capacitor 77 and

r; Maser-Oszillators oder Verstärkers kann wesentlich 15 Leitungen 76 an die Last 75 angekoppelt ist Hierr; Maser oscillator or amplifier can essentially have 15 lines 76 coupled to the load 75 here

S vergrößert werden, wenn eine Ausgangsschaltung 14 kann wieder der Gütefaktor der AusgangsschaltungS can be increased when an output circuit 14 can restore the quality factor of the output circuit

f verwendet wird, deren Gütefaktor in der Größen- in der Größenordnung von Eins liegen oder kleinerf is used, the figure of merit of which is of the order of magnitude of one or less

Ordnung von Eins liegt oder kleiner ist. Bei Verrin- sein, und wieder ist vorzuziehen, daß die induktiveIs order of one or less. In the case of diminishing, and again it is preferable that the inductive

• gerung des Gütefaktors der Ausgangsschaltung muß Reaktanz der Ausgangsschaltung bei der Maserfre-• To improve the quality factor of the output circuit, the reactance of the output circuit must be

jedoch der Füllfaktor η und/oder die magnetische 20 quenz kleiner ist als der Widerstand der Last 75. DerHowever, the fill factor η and / or the magnetic 20 frequency is smaller than the resistance of the load 75. The

; Polarisation M1, der in Resonanzbefindlichen Atom- variable Kondensator /7 ist vorgesehen, um die Re-; Polarization M 1 , the atomic variable capacitor / 7, which is in resonance, is provided in order to

: ansammlung vergrößert werden, um die Maserbedin- aktanz der Spule 15 nachzustimmen. In diesen Aus- •: be enlarged collection to the Maserbedin- the coil reactance retune 15th In this

; gungen beizubehalten. Der Füllfaktor kann, wie oben gangsschaltungen ist der Gütefaktor durch das Ver-; conditions to be maintained. The fill factor can, as above gear shifts, is the quality factor through the

■ bereits gezeigt, optimal gestaltet werden, indem ein hältnis ω LjR definiert■ already shown, can be optimally designed by defining a ratio ω LjR

■ ringförmiger Beobachtungsbereich verwendet wird. as In Fig. 13 ist ein Wasserstoffatomdiffusionsmaser Die Magnetisierung M0 der strahlenden Atome kann mit erfindungsgemäßen Pump- und Beobachtungsebenfalls auf verschiedene Weise vergrößert werden, bereichen dargestellt. Der dargestellte Maser enthält beispielsweise Vergrößerung des Pumplichtstroms, einen Pumpbereich 81, der Wasserstoff gas unter Vergrößerung des Druckes der aktiven Gasatome niedrigem Druck enthält. Der Pumpbereich ist an bei Beibehaltung einer gegebenen Polarisation oder 30 einen Beobachtungsbereich 82 über ein Diffusionsdurch Verringerung der Temperatur im Beobach- röhrchen 83 und eine Öffnung 84 angeschlossen, mit tungsbereich gegenüber der Temperatur im Pump- der die geometrische Lebensdauer der Partikeln im bereich. Dieser letztere Temperatureffekt ermöglicht Beobachtungsbereich 82 festgelegt wird, wie oben eine Erhöhung der Dichte der strahlenden Atome um beschrieben. Das hanteiförmige Gefäß besteht aus das Verhältnis der absoluten Temperaturen der bei- 35 einem geeigneten Material, wie beispielsweise Quarz,■ ring-shaped observation area is used. a s FIG. 13 shows a hydrogen atom diffusion maser. The magnetization M 0 of the radiating atoms can also be enlarged in various ways with the pump and observation according to the invention. The maser shown contains, for example, an increase in the pumping luminous flux, a pump region 81 which contains hydrogen gas with an increase in the pressure of the active gas atoms at low pressure. While maintaining a given polarization or 30, the pump area is connected to an observation area 82 via a diffusion by reducing the temperature in the observation tube 83 and an opening 84, with the area of the geometrical life span of the particles in the area compared to the temperature in the pump. This latter temperature effect enables observation area 82 to be established, as described above, by increasing the density of the radiating atoms. The dumbbell-shaped vessel consists of the ratio of the absolute temperatures of the two to a suitable material, such as quartz,

den Bereiche. Beispielsweise verringert eine Kühlung und ist vorzugsweise aus der ganzen Innenseite mit ] des Beobachtungsbereiches auf 77° Kelvin von 300° einem inerten Material ausgekleidet, das erregte Kelvin aus den zur Schwingung erforderlichen Güte- Wasserstoffatome nicht zum Entspannen oder zu faktor um einen Faktor von etwa 4. Die Ausgangs- Rekombinationen anregt. Solche Materialien sind leistung wird etwa um einen Faktor von 16 ver- 40 beispielsweise »Teflon« (Handelsname) oder Paraffin, größen. Das hanteiförmige Gerät wird dann in ein sehr ■] Wenn es erwünscht oder notwendig ist, jede Mög- schwaches magnetisches Polarisationsfeld H0 von j lichkeit einer direkten Kopplung zwischen der Ein- beispielsweise lOOGauß getaucht und gegen äußere gangsschaltung 11 und der Ausgangsschaltung 72 zu Magnetfelder in üblicher, nicht dargestellter Weise j eliminieren, können diese Schaltungen körperlich für 45 abgeschirmt. j Entkopplungszwecke beispielsweise rechtwinklig zu- Die Vorrichtung nach Fig. 13 ist so ausgelegt, ' einander angeordnet werden, öSer andere Abschirm- daß sie auf einem feldunabhängigen Hyperfeinstrukeinrichtungen können verwendet werden, w!' sie in turübergang ΔM = 0, F = 1 arbeitet, wie in dem der Technik bekannt sind. Termschema bei Fig. 13 angedeutet. In einem solin Fig. 10 ist ein Maser-Oszillator mit Merkma- 50 chen Fall scheint Pumplicht in den Pumpbereich 81 len der Erfindung dargestellt, bei dem der Beobach- von einer polarisierten Lichtquelle 80 durch ein getungsbereich 3 mit flüssigem Stickstoff oder einem eignetes Fenster 85, beispielsweise LiF, in der Seitenanderen Kühlmittel 73 gekühlt wird, das in einem ge- wand des Pumpbereichs 81. Das Pumplicht ist voreigneten Dewargefäß 74 enthalten ist. Die Kühlung zugsweise Lyman-alpha-Strahlung, die mit üblichen erfolgt auf eine so niedrige Temperatur, daß die Aus- 55 Polarisationstechniken polarisiert ist. Wie oben ist gangsschaltung einen kleineren Gütefaktor haben eine geeignete Einrichtung vorgesehen, mit der eine kann, und holzdem Maserschwingungen betbehalten schwache elektrische Glimmentladung in der Pumpwerden. In einer solchen Einrichtung kann der Güte- kammer 81 aufrechterhalten wird, um Wasserstofffaktor leicht auf einen Wert in der Größenordnung atome zu erzeugen.the areas. For example, cooling reduces and is preferably lined with an inert material from the entire inside with] the observation area to 77 ° Kelvin from 300 °, the excited Kelvin from the quality hydrogen atoms required for oscillation not to relax or factor by a factor of about 4 The output stimulates recombinations. Such materials are performance is reduced by a factor of around 16, 40 for example “Teflon” (trade name) or paraffin. The dumbbell-shaped device is then immersed in a very if it is desired or necessary, any possible weak magnetic polarization field H 0 of the possibility of a direct coupling between the input, for example 100, and the external input circuit 11 and the output circuit 72 to magnetic fields in In the usual way, not shown, j can be physically shielded for these circuits. j decoupling purposes, for example, at right angles to- The device according to FIG. 13 is designed to 'be arranged against each other, öSer other shielding- that they can be used on a field-independent hyperfine structure, w ! 'It works in turübergang ΔM = 0, F = 1, as is known in the art. Term scheme indicated in FIG. 13. 10 shows a maser oscillator with features. Pump light shines into the pump area 81 according to the invention, in which the observation is made by a polarized light source 80 through a generation area 3 with liquid nitrogen or a suitable window 85 , for example LiF, is cooled in the side of the other coolant 73, which is contained in a wall of the pump area 81. The cooling is preferably done with Lyman-alpha radiation, which is done with the usual at such a low temperature that the polarization techniques are polarized. As above, gear shifting is a smaller figure of merit having suitable means by which one can, and wood vibrations, keep a weak electrical glow discharge in the pump. In such a facility, the quality chamber 81 can be maintained to easily generate hydrogen factor to a value on the order of atoms.

von Eins oder kleiner herabgesetzt werden, so daß 60 Der Beobachtungbereich 82 ist in einem gesich ein Gerät ergibt, das in einem breiten Frequenz- eigneten Hohlraum-Resonator 86 angeordnet, beiband arbeiten kann. Die Rcsonanzlinienbreite ist spielsweise einem Zylinder-Resonator, der so beimmer noch sehr schmal, die Ansprechbedingungen messen ist, daß er im dominanten TE01,-Modus sind jedoch nicht so kritisch von der Abstimmung bei der Wasserstoff atom-Hyperfeinstruktur-Rcsonanz- <ler Ausgangsschaltung abhängig. Durch Vcrändc- 65 frequenz arbeitet, die etwa 1420MHz beträgt. Eine rung der Stärke des m; ^netisclicn Polarisationsfcldcs geeignete Koppelschleife 87, die in der Zeichnung kann das iierät also in einem extrem breiten dyna- um 90" verdreht dargestellt isl, ist an die Magnet-' mischen Bereich magnetischer Feldstärke und Maser- feldcr des Resonators 86 für den kreisförmigen elck-can be reduced by one or less, so that the observation area 82 is, in a total sense, a device which, arranged in a broad frequency-suitable cavity resonator 86, can operate. The resonance line width is, for example, a cylinder resonator, which is still very narrow, the response conditions measure that it is in the dominant TE 01 , mode, however, are not so critical of the tuning in the hydrogen atom-hyperfine-structure resonance output circuit dependent. Operates through a 65 frequency, which is around 1420MHz. A tion of the strength of the m; A suitable coupling loop 87, which in the drawing can be shown rotated by 90 "in an extremely wide dynamic range, is attached to the magnetic field of magnetic field strength and maser field of the resonator 86 for the circular angle.

15 16 15 16

irischen Modus angekoppelt, um Maserschwingungen Genauer gesagt, es wird der Übergang /IAi=I, i*==0 Irish mode coupled to marsher more precisely, there will be the transition / IAi = I, i * == 0

vom Hohlraum 86 an einen geeigneten, nicht darge- verwendet. Das Terschema ist dargestellt, und diefrom the cavity 86 to a suitable one, not shown. The terschema is shown, and the

stellten Verstärker mit Belastung auszukoppeln. Der Ausgangsresonanzfrequenz der Ausgangsschaltung 14put amplifier with load to decouple. The output resonance frequency of the output circuit 14

Hohlraum 86 für den kreisförmigen elektrischen ist auf Resonanz auf einen der beiden Zeeman-Fre-Cavity 86 for the circular electrical is at resonance to one of the two Zeeman fre-

Modus ist bezüglich der Richtung des magnetischen 5 quenz-Übergänge A oder B abgestimmt Diese Über-Mode is matched to the direction of the magnetic 5 frequency transition A or B This transition

Polarisationsfeldes H0 so angeordnet, daß die magne- gänge sind von der Stärke des Magnetfeldes ab-The polarization field H 0 is arranged in such a way that the magne-

tische Wechselfeldkomponente H1 des Schwingungs- hängig, und damit ist die dargestellte Vorrichtung alstable alternating field component H 1 of the vibration dependent, and thus the device shown is as

modus TE011 parallel zur Richtung des magneti- Magnetometer oder Magnetfeldstärkefühler brauch-mode TE 011 parallel to the direction of the magnetometer or magnetic field strength sensor

schen Polansationsfeldes H0 liegt, und weiter im Be- bar.between the polarization field H 0 , and further in the range.

reich des Beobachtungsbereiches 82 relativ gleich- io In Fig. VJ ist eine weitere Ausführungsform einesarea of the observation region 82 at the same relative io In Fig. VJ is a further embodiment of a

förmig ist. Wie oben wird das Pumplicht dem Pump- erfindungsgemäßeh Wasserstoffmasers dargestellt,is shaped. As above, the pumping light is shown in the pumping hydrogen masers according to the invention,

bereich 81 in einer Richtung zugeführt, die parallel Der Aufbau dieser Vorrichtung ist im wesentlichenarea 81 fed in a direction that is parallel The structure of this device is essentially

zur Richtung des magnetischen PolansationsfeldesH0 gleich dem in Fig. 13 und 15 dargestellten Maser,to the direction of the magnetic polarization field H 0 is the same as the grain shown in FIGS. 13 and 15,

liegt. nur daß ein dritter Bereich 88 in Verbindung mitlocated. only that a third area 88 in connection with

Der Wasserstoffatom-Difiusionsmaser nach Fig. 13 15 dem Pumpbereich vorgesehen ist, um die schwacheThe hydrogen atom Difiusionsmaser of Fig. 13 15 is provided to the pumping area to the weak

verwendet einen feldunabhängigen HyperfeinStruktur- elektrische Entladung aufrechtzuerhalten. Auf dieseuses a field-independent hyperfine structure to maintain electrical discharge. To this

übergang, so daß die Maserresonanzschwingungen, Weise kann der getrennte Entladungsbereich 88 mittransition, so that the maser resonance vibrations, way can separate the discharge area 88 with

die von der Ausgangsschleife 87 erhalten werden, als unbeschichteten Wänden vorgesehen werden, so daßobtained from the output loop 87 can be provided as uncoated walls so that

Frequenznormal oder als Atomuhrsignal in der üb- die Wandbeschichtung nicht den richtigen BetriebFrequency normal or as an atomic clock signal in the wall coating does not operate properly

liehen Weise verwendet werden können. «0 der elektrischen Entladung stört, durch die atomi-borrowed way can be used. «0 of the electrical discharge interferes, through the atomic

Das Vorhandensein von Hj-Gas in den beiden Be- scher Wasserstoff erzeugt wird.The presence of Hj gas in the two beers creates hydrogen.

reichen 81 und 82 verhindert den Betrieb des Wasser- In F i g. 18 ist ein Magnetfeldstabilisator mit einem stoffmasers nicht, weil das Wasserstoffgas als ausge- Maser nach der Erfindung dargestellt. Genauer ist zeichnetes Puffergas für die Wasserstoffatome wirkt. ein magnetfeldabhängiger Maser, wie der in Fig. 1 Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Be- «5 dargestellte, in einem Magnetfeld H0 angeordnet, das triebsdruck in dem hanteiförmigen Gefäß so niedrig stabilisiert werden soll. Die magnetfeldabhängige wie möglich, weil mit dem niedrigstmöglichen Be- Maserausgangsfrequenz wird einem Verstärker 92 triebsdruck die beste magnetische Feldinhomogenität- zugeführt, wo sie verstärkt wird und von wo aus sie Ausmittlung erhalten wird, dank der höheren Diffu- einer Klemme eines Verrastungsdetektors 93 zugesionsgeschwindigkeit der atomischen Wasserstoff- 30 führt wird. Ein Frequenzsynthesekreis 94 dient dazu, partikeln. Zusätzlich ist ein viel geringerer Druck des eine Bezugsfrequenz zu liefern, mit der die Magnetatomischen Wasserstoffs und Wasserstoffgases zu- feldstärke festgelegt wird, auf die das Magnetfeld H0 lässig, verglichen mit dem Gasdruck von He3 in stabilisiert werden soll. Der Ausgang des Frequenzdem oben beschriebenen Hes-Maser, weil der Dreh- synthesekreises 94 wird dem anderen Eingang des impuls des Elektrons des Hyperfeinstrukturübergangs 35 Verrasterungsdetektors 9? zugeführt, indem er mit Deim atomischen Wasserstoff etwa tausendmal größer der Maserfrequenz verglichen wird, um eine Fehlerist als der Kerndrehimpuls des Hes-Atoms. gleichspannung zu erhalten, deren Phasenlage undrange 81 and 82 prevents the operation of the water- In F i g. 18 is a magnetic field stabilizer with a stoffmasers not, because the hydrogen gas is shown as a maser according to the invention. More precisely is drawn buffer gas for the hydrogen atoms acts. a magnetic field-dependent maser, such as that in FIG. 1. In the preferred embodiment, the load 5 shown is arranged in a magnetic field H 0 , which is intended to stabilize the operating pressure in the dumbbell-shaped vessel at a low level. The magnetic field-dependent as possible, because with the lowest possible input frequency, the best magnetic field inhomogeneity is fed to an amplifier 92, where it is amplified and from where it is obtained, thanks to the higher diffusion speed of a latching detector 93 of the atomic feed rate Hydrogen-30 will lead. A frequency synthesis circuit 94 is used to particles. In addition, a much lower pressure of a reference frequency is to be supplied with which the magnetic-atomic hydrogen and hydrogen gas field strength is determined, at which the magnetic field H 0 is to be stabilized compared to the gas pressure of He 3 in. The output of the frequency of the He s -Maser described above, because the rotation synthesis circuit 94 is the other input of the pulse of the electron of the hyperfine structure transition 35 rasterization detector 9? by comparing it to Deim atomic hydrogen about a thousand times greater than the maser frequency to be an error than the nuclear angular momentum of the He s atom. DC voltage to get its phase position and

In Fig. 14 ist eine andere Ausführungsform des Größe der Abweichung des Magnetfeldes von der Masergefäßes nach der Erfindung dargestellt. Bei gewünschten Bezugsgröße entspricht, die durch die diesem Aufbau ist die Länge der Diffusionsröhre 83 40 Frequenz des Frequenzsynthesekreises festgelegt ist. auf Null herabgesetzt, so daß der Beobachtungs- und Die Fehlergleichspannung wird dann einem Verstärder Pumpbereich im wesentlichen aneinandergrenzen ker 95 zugeführt, in dem sie verstärkt wird und von und nur durch die öffnung 84 getrennt sind. Dadurch wo sie über einen Phasenschieber 96 über eine Leiergibt sich auch eine größere Festigkeit und ein klei- tung 97 ein?r Feldkorrekturspule 91 zugeführt wird, neres Volumen für den Maser. 45 deren Feld H0 dem zu stabilisierenden Feld H0 über-In Fig. 14 another embodiment of the size of the deviation of the magnetic field from the burl vessel according to the invention is shown. With the desired reference value, which is determined by this structure, the length of the diffusion tube 83 40 frequency of the frequency synthesis circuit. is reduced to zero, so that the observation and error DC voltage is then fed to an amplifier pumping region essentially adjacent to one another ker 95, in which it is amplified and is separated from and only by the opening 84. As a result, where it is supplied via a phase shifter 96 via a lyre, there is also greater strength and a clothing 97 is supplied to a field correction coil 91, a smaller volume for the burl. 45 whose field H 0 exceeds the field H 0 to be stabilized.

In Fig. 15 ist ein anderer Wasserstoffdiffusions- lagert wird. Der Phasenschieber 96 wird so einge-In Fig. 15 there is another hydrogen diffusion layer. The phase shifter 96 is set in this way

maser mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. stellt, daß eine Eigenschwingung des geschlossenenmaser shown with features of the invention. represents that a natural oscillation of the closed

Dieser Maser enthält die gleichen Einrichtungen wie Kreises verhindert wird.This burl contains the same facilities as circle prevents.

der nach Fig. 13, und zur Bezeichnung gleicher Das HauptfeldH0, das geregelt werden soll, kann Teile sind gleiche Bezugszeichen verwendet worden. 5° durch Einstellung des Frequenzsynthesekreises 94 Es ist jedoch darauf aufmerksam zu machen, daß auf die gewünschte Frequenz programmiert werden. dieser Maser für den Betrieb in einem feldabhängi- Wieder folgt die Maserausgangsfrequenz getreu den gen Hyperfeinstrukturübergang von AM= 1, F= 1 schnellen Änderungen in der Stärke des Magnetausgelegt ist. In diesem Fall ist ersichtlich, daß das feldes, in das der Maser eingetaucht ist. Die Grenzen Pumplicht immer noch parallel zum magnetischen 55 des Durchlaßbandes des Systems sind durch die Polarisationsfeld H0 eingestrahlt wird, daß im Beob- Durchlaßeigenschaften des geschlossenen Servoachtungsbereich aber das magnetische Wechsel- systems gegeben. In gewissen Fällen kann es erfeld H1 des Resonanzmodus des Resonators senk- wünscht sein, einen oder mehrere zusätzliche parrecht zur Richtung des magnetischen Polarisations- allele Rückkoppelungswege mit Verstärkern 95 und feldes H0 liegt. Bei Verwendung des feldabhängigen 60 Phasenschiebern 96 sowie Korrekturspulen 91 mit Hyperfeinstrukturübergangs ist der Maser nach geringer Induktivität zu verbinden, die breitere Fi<g. 15 als Magnetometer oder Magnetfeldmeß- Durchlaßbänder haben, um Feldfluktuationen auf oder -fühleinrichtung geeignet. einen annehmbaren Wert herabzusetzen, so daß diethat of Fig. 13, and to designate like The HauptfeldH 0, which is to be controlled, can parts have been used the same reference numerals. 5 ° by setting the frequency synthesis circuit 94. However, attention should be drawn to the fact that programming is carried out on the desired frequency. This maser is designed for operation in a field-dependent Again, the maser output frequency faithfully follows the hyperfine structure transition from AM = 1, F = 1 to rapid changes in the strength of the magnet. In this case it can be seen that the field in which the burl is immersed. The limits of the pumping light still parallel to the magnetic 55 of the system's pass band are radiated in by the polarization field H 0 , but the magnetic alternating system is given in the observation transmission properties of the closed servo-attention area. In certain cases, the field H 1 of the resonance mode of the resonator may be desired, one or more additional feedback paths with amplifiers 95 and field H 0 lying parallel to the direction of the magnetic polarization allele. When using the field-dependent 60 phase shifter 96 and correction coils 91 with a hyperfine structure transition, the maser is to be connected after low inductance, the wider figure. 15 have as a magnetometer or Magnetfeldmeß- pass bands to field fluctuations on or -sensitive device. reduce an acceptable value so that the

In V i g. 16 ist ein ärgerer Wasserstoffdiffusions- endgültige schmalbandige Schleife die VeresterungIn V i g. 16 is a nastier hydrogen diffusion final narrow band loop the esterification

maser dargestellt, bei dem der Aufbau im wesent- 65 aufrcchterhaiien kann.maser, in which the structure can essentially 65 look-up sharks.

liehen gleich dem in Fig. 1 dargestellten ist, und der In Fig. 19 ist eine Stromregeleinrichtung mit Maser ist für Betrieb bei einem Elektronen-Zeeman- Merkmalen der Erfindung dargestellt. Ein Atomgas-Übergang von atomischem Wasserstoff ausgelegt. diffusionsmaser mit getrennten Pump- und Beobach-borrowed is the same as that shown in Fig. 1, and the In Fig. 19 is a current control device with Maser is shown operating with an electron Zeeman feature of the invention. An atomic gas transition designed by atomic hydrogen. diffusion mason with separate pump and observation

tungsbereichen, wie in Fig. 1 dargestellt, ist in dem Magnetfeld angeordnet, das von einer Zylinderspule 101 erzeugt wird, die aus dem Leiter für einen Strom besteht, der geregelt werden soll. Ein gegebener Strom durch die Zylinderspule 101 erzeugt eine bestimmte Magnetfeldstärke H0, die eine bestimmte Maserschwingungsfrequenz ergibt. Die Masersignale werden vom Maser in den Verstärker 102 gekoppelt, wo diese Signale verstärkt und dann an eine Eingangsklemme eines Verrasterungsdetektors 103 ge- ίο führt werden. Wie im FaUe des Magnetfeldstabilisators oder -regulators nach F i g. 18 liefert ein Bezugsoszillator 104 eine Bezugsfrequenz, die einer bestimmten erwünschten Stromgröße entspricht, die in dem zu regelnden Kreis fließt, der die Spule 101 ent- »5processing areas, as shown in Fig. 1, is arranged in the magnetic field generated by a solenoid 101, which consists of the conductor for a current to be regulated. A given current through the solenoid 101 generates a specific magnetic field strength H 0 , which results in a specific mass oscillation frequency. The maser signals are coupled from the maser into the amplifier 102, where these signals are amplified and then fed to an input terminal of a rasterization detector 103. As in the case of the magnetic field stabilizer or regulator according to FIG. 18, a reference oscillator 104 supplies a reference frequency which corresponds to a specific desired current quantity which flows in the circuit to be controlled from which the coil 101 derives

ι nc ic» ebenfalls mU ihrer Achse rechtwinklig spule i*»?"* PoiarisatioBsfeld H0 angeordnet, zum "W—SSreauenz die Resonanzfrequenz derι nc ic »also must be arranged at right angles to its axis coil i *»? "* Po iarisatioBsfeld H 0 , to the" W-SSreauenz the resonance frequency of the

Wenn me ^^-"Λττχτ in der zu untersuchenden gyromagnettscben^Norpc ^^ gtoaa^_ If me ^^ - "Λττχτ in the gyromagnettscben to be examined ^ Norpc ^^ gtoaa ^ _

MatenapioDen«, ^ & Präzession ^n da& tische K^^^sationsfeld H. induziert ein Signal ?afu^a>Bf^^Lät 115 Das Resonanzsignal, das in to ^PjWgJ^^ aufgenommen wird, MatenapioDen «, ^ & Precision i on ^ n da & tische K ^^^ sationsfeld H. induces a signal ? a f u ^ a> B f ^^ L ät 115 The resonance signal in to ^ PjWgJ ^^ o f gen ommen,

von der EW^te 116 zugeführt, vorzugswird einem ^aserversuu ^ ^ oben m from the EW ^ te 116, preferably a ^ aserversuu ^ ^ above m

weise einem "J*J"f"^n d ^ ,^^ Die wise a "J * J" f "^ n d ^, ^^ the

Χ^100"0^ *'*£ 115 aufgenommenen Resoin der Empfimgerspu£* ^-^ -m einem Χ ^ 100 " 0 ^ * '* £ 115 absorbed resoin of the recipient spu £ * ^ - ^ - m a

verstärkt, ohne daß die H6 speriell abgestimmtamplified without the H6 being sperially tuned

Bezugsfrequenz vom Bezugsoszillator 104 wird dem anderen Eingang des Verrasterungsdetektors 103 zugeführt, wo sie mit der Maserschwingungsfrequenz vergüchen wird, um eine Fehlergleichspannung zu liefern. Diese wird dem Eingang eines Verstärkers 105 zugeführt, in dem sie verstärkt und dem Regeleingang einer geeigneten Stromregelschaltung 106 zugeführt wird, die in Reihe mit dem Kreis liegt, dessen Strom geregelt werden soll. Em geeigneterThe reference frequency from the reference oscillator 104 is the other input of the latching detector 103, where it is compared with the maser oscillation frequency in order to provide a DC error voltage. This is fed to the input of an amplifier 105, in which it is amplified and the Control input is fed to a suitable current control circuit 106 in series with the circuit, whose electricity is to be regulated. Em more suitable werdenwill

einen ^a ^

m Verbindung nm^ec „^ ^ m connection nm ^ ec "^ ^

»<> nach Fι* 9 *£™™°: ω den gemeinsamen»<> After Fι * 9 * £ ™haben °: ω the common

2 c ^S 2 über eineΓ Diffusionsröhre 118 und Pumpbereich * u*r *'"* "'„2 c ^ S 2 via a diffusion tube 118 and pump area * u * r * '"*"'"

^fX^S die im'Maserverstärker 116^ fX ^ S the im'Maser Amplifier 116

EingangsklemmenInput terminals

Ä^S aufgenom-Ä ^ S recorded

Sdient dazu, den Strom im geregelten Kreis zu erhöhen oder zu verringern, damit difser Strom mit einer Stromgröße übereinstimmt, die durch die Bezugsfrequenz des Bezugsoszillators 104 festgelegt ist Eine Anzahl magnetisch permeabier Schinne 107 umschließt die Spule 101 und den Maser, um eine Störung der gewünschten Stromregelung durch äußere Magnetfeldeinflüsse ζα vertundem. Geeignete magnetische Abschirmungen sind Weicheisen und Permaloy.S is used to increase or decrease the current in the controlled circuit, with it difser current corresponds to a current quantity determined by the reference frequency of the reference oscillator 104 is set. A number of magnetically permeable channels 107 surround the coil 101 and the Maser, to avoid a disturbance of the desired current regulation by external magnetic field influences ζα. Suitable magnetic shields are Soft iron and permaloy.

ta^rlrffSita««"!« «ir gyromagnetische Resonanz mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Eine Stoffprobe, die untersucht werden soll, ist in einem Probenröhrchen 111 angeordnet und liegt in einem magnetischen Polarisationsfeld H0, wie es beispielsweise Init einer supraleitenden ZyUnderspule 112 erzeugt wird. Eine geeignete Dewaranordnung ist bei 113 vorgesehen, um die supraleitende Zylmderspulell2 auf die Supraleitfähigkeitstemperatur zu kühlen, beispielsweise^ die Temperatur von flüssigem Helium. Eine Senderspule 114 ist beim Problnröhrchen 111 angeordnet, um eine magnetische Wechselfeldkomponente rechtwinklig zum magnetischen Polarisationsfeld H0 zu erzeugen. Das Sendersignal wird von einem Verstärker 120 vom Ausganges eines geeigneten Masers abgeleitet, beispielsweise einem Heliummaser, wie er in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist, wo gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Teile verwendet woidensind ta ^ rlrffSita «« "!« «ir gyromagnetic resonance with features of the invention. A material sample that is to be examined is arranged in a sample tube 111 and lies in a magnetic polarization field H 0 , as is the case, for example, in a superconducting cylinder coil 112 A suitable dewar arrangement is provided at 113 in order to cool the superconducting cylinder coil 2 to the superconducting temperature, for example the temperature of liquid helium. A transmitter coil 114 is arranged at the probing tube 111 in order to generate an alternating magnetic field component perpendicular to the magnetic polarization field H 0 The transmitter signal is derived by an amplifier 120 from the output of a suitable maser, such as a helium maser as described in connection with Figure 1, where like reference numerals are used to denote like parts

Eine Empfängerspule 115 ist mit ihrer Achse um 90° gegen die Senderspule versetzt angeordnet, um eine direkte Kopplung von der Senderspule zur Empfängerspule zu verhindern. Die EmpfängerA receiver coil 115 is arranged with its axis offset by 90 ° with respect to the transmitter coil to prevent a direct coupling from the transmitter coil to the receiver coil. The recipients von einerfrom one

mefundton dort- "
Auswertgerates geführt werden,
mefundton there- "
Evaluation device are performed,

3» OszUlographen oder ^f in Abhängigkeit von einem Ablenkschaltung 123 ^ lenkung dient auch zwei Ab.enkspulen 1243 »OszUlographen or ^ f depending on a deflection circuit 123 ^ steering is also used by two deflection coils 124

die Feldstärke des magne^cthe field strength of the magne ^ c

über der zu untersuchenden Probe m,toι Proberöhrchen JIl durchzusteuern. Em dekbomagnett-over the sample to be examined m to control through toι sample tube JIl. Em dekbomagnett-

scher Sddim US. ^^^ΣλΆίχ^ sehen den beiden Beobachmngsbereichen 117 und 3 scher Sddim US. ^^^ ΣλΆίχ ^ see the two observation areas 117 and 3

4« des Maserverstarkers und 0""""52JJEfJ^ eine direkte elektromagnetische Kopplung zwischen diesen beiden zu verhindern. 4 «of the maser amplifier and 0""""52JJEfJ ^ to prevent a direct electromagnetic coupling between these two.

Der Vorteil der Verwendung dai Verstärkers in Kombination mit d sehen Materialprobe, die ^.unte The advantage of using dai amplifier in combination with d see material sample that ^. below

darin, daß ein extrem präzises und selbststabüisie rendes Spektrometer gebildet wird. Genauer, das Sendesignal hat eine extrem geringe Linienbrate in der Größenordnung von 6-10"» Hz, und g^cherso weise hat der Maserverstarker e«ne.Mme"*"r"e al^ der gleichen Größenordnung, so daß ein maximaler Rauschabstand erhalten wird. Außerdem, indemι der Maseroszillator-Verstärker ηαύI die zu untersuchende Probe in das gleiche magnetische Polansationsfeld H0 getaucht werden, reagieren die Sender- und Empfängerkreise auf momentane geringfügige Fluktuationen des magnetischen Polansationsfeldes in der Weise, daß die Fluktuationen in dem magnetisehen Polarisationsfeld kompensiert werden und ein «o präzises, stabiles Ausgangsresonanzsignal erhalten wird.in that an extremely precise and self-stabilizing spectrometer is formed. Specifically, the transmission signal has an extremely small Linienbrate on the order of 6-10 "" Hz, and g ^ cherso example, the Maserverstarker e "ne .M me" * "r" e ^ al the same order, so that a maximum Signal to noise ratio is obtained. In addition, by the Maseroszillator-amplifier ηαύ I immersed the sample to be examined in the same magnetic polarization field H 0 , the transmitter and receiver circuits react to momentary slight fluctuations in the magnetic polarization field in such a way that the fluctuations in the magnetic polarization field are compensated and a precise, stable output resonance signal is obtained.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (11)

. den Atome Atome von Wasserstoff, Hg«».aM oder Rb85, «7 sind,. the atoms are atoms of hydrogen, Hg «». aM or Rb85, «7, 1. Atomresonanzvorrichtung für regenerativ 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch angeregte Strahlungsemission mit einem Gefäß, gekennzeichnet, daß wenigstens im zweiten Bedas eine Ansammlung Gasatome unter einem 5 reich das Gefäß in bekannter Weise innen nut Druck enthält, bei dem der dominierende Gas- . einer nicht entspannenden Auskleidung versehen bescbxänkungsmechanismus auf aufeinanderfol- ist.1. Atomic resonance device for regenerative 12. The device according to claim 11, characterized excited radiation emission with a vessel, characterized in that at least in the second Bedas a collection of gas atoms under a 5 rich the vessel in a known manner inside Contains pressure at which the dominant gas. provided with a non-relaxing lining limitation mechanism on successive. genden Gas-Gas-Kollisionen beruht, einer Ein- 13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7lowing gas-gas collisions based on an on-13. Device according to claims 7 richtung, mit der der Atomansammlung optische und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elek-direction with which the atomic cluster is optical and 11, characterized in that the elec- Pumpstrahlung zugeführt wird, um bestimmte io trische Entladung im wesentlichen auf einen Ungleichgewichts-Energiezustände der Gasatome nicht mit Auskleidung versehenen Bereich behervorzurufen, und einer elektrischen Schaltungs- schränkt istPump radiation is fed to a certain io tric discharge essentially Imbalance energy states of the gas atoms to house the unlined area, and an electrical circuit is limited anordnung, deren Magnetfelder mit der Ansamm- · —— arrangement, the magnetic fields of which with the accumulation lung von Gasatomen in den Ungleichgewichts-of gas atoms in the imbalance Energiezust?nden so stark gekoppelt sind, daß is Die Erfindung betrifft Atomresonanzvorrichtungen eine regenerativ angeregte Strahlungsemission für regenerativ angeregte Strahlungsemission, die von der Gasatomansammlung erregt wird, da- auch kurz als »Maser« bezeichnet werden und die durch gekennzeichnet, daß das Gefäß Verwendung finden als Magnetometer, Gradiometer, mittels eines zwischengeschalteten Gaskanals in Frequenznormal, Atomuhr, Spektrometer für gyrozwei Bereiche aufgeteilt ist, durch den die Diffu- ao magnetische Resonanz, Stromregler und für andere sion der Gasatome eingeschränkt ist, daß die Zwecke.Energy states are so strongly coupled that the invention relates to atomic resonance devices a regeneratively excited radiation emission for regeneratively excited radiation emission that is excited by the accumulation of gas atoms, which are also referred to as "Maser" for short, and the characterized in that the vessel is used as a magnetometer, gradiometer, is divided by means of an interposed gas channel into frequency standard, atomic clock, spectrometer for gyro two areas, through which the diffu- ao magnetic resonance, current regulator and for others sion of gas atoms is restricted to that purpose. Pumpstrahlung im ersten Bereich eingestiahlt Es sind bereits Atomresonanzvorrichtungeb dieserPump radiation injected in the first area. There are already atomic resonance devices in this area wird und daß der zweite Bereich mit den Magnet- Art mit einem Gefäß bekanntgeworden, das eine feldern gekoppelt ist, der Gasatome im Ungleich- Ansammlung Garatome unter einem Druck enthält, gewichts-Zustand enthält, die vom ersten Bereich as bei dem der dominierende Gasbeschränkungsmechahinüberdiffundiert sind, so daß die strahlenden nismus auf aufeinanderfolgenden Gas-Gas-Kolli-Atome von den unerwünschten Wirkungen der sionen beruht, was kurz als Puffergas-Beschränkungs-Pumpprodukte im ersten Bereich getrennt sind. mechanismus bezeichnet wird, einer Einrichtung, mitbecomes known and that the second area with the magnet type with a vessel became known, the one fields is coupled, the gas atoms in unequal-accumulation contains Garatome under a pressure, contains weight state, which from the first region as in which the dominant gas restriction mechanism are overdiffused, so that the radiating nism is based on successive gas-gas colli-atoms from the undesirable effects of the ions, what is briefly referred to as buffer gas restriction pumping products in the first region are separated. mechanism is referred to, a device with 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- der der Atomansammlung optische Pumpstrahlung kennzeichnet, daß der zweite Bereich des Gefäßes 30 zugeführt wird, um bestimmte Ungleichgewichtsum den ersten Bereich herum angeordnet ist Energiezustände der Gasatome hervorzurufen, und2. Device according to claim 1, characterized in that the atomic cluster is optical pump radiation indicates that the second region of the vessel 30 is supplied in order to produce certain imbalances around the first region to produce energy states of the gas atoms, and 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- einer elektrischen Schaltungsanordnung, deren Madurch gekennzeichnet, daß die Gefäßbereiche gnetfelder mit der Ansammlung von Gasatomen in über wenigstens eine längliche Röhre unterein- den Ungleichgewichts-Energiezuständen so stark geander verbunden sind, die am Eingang des zwei- 35 koppelt sind, daß eine regenerativ angeregte Strebten Gefäßbereiches eine Verengung aufweist. lungsemission von der Gasatomansammlung erregt3. Apparatus according to claim 1 or 2, da- an electrical circuit arrangement, the M characterized in that the vascular areas gnetfelder with the accumulation of gas atoms in The imbalance energy states are so strongly connected to each other via at least one elongated tube, which are coupled at the entrance of the two, that a regeneratively stimulated aspiring vascular area has a constriction. Lung emission excited from the gas atom aggregation 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wird (»Proceedings of the IRE«, März 1957, S. 291 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich und 314 ff.).4. Device according to claim 1, 2 or 3, is ("Proceedings of the IRE", March 1957, p. 291 characterized in that the second area and 314 ff.). gekühlt ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung wurde das ak-is cooled. In this known device, the ac- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, 40 tive Medium, d. h. der strahlende Teil der Gasatome, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Gefäß- in einem gemeinsamen Gefäß sowohl optisch gebereich vorgesehen ist, der mittels eines Gas- pumpt als auch mit einem Puffergas gespeichert oder kanals, durch den die Diffusion der Gasatome beschränkt für angeregte Strahlungsemission. Das eingeschränkt ist, mit dem zweiten Bereich ver- Puffergas dient dazu, den Druck im Gefäß ausbunden ist und der vom zweiten Bereich entfernt 45 reichend hoch zu halten, um die freie Weglänge der angeordnet ist. strahlenden Atome kleiner zu halten als die kleinste5. Apparatus according to claim 1, 3 or 4, 40 tive medium, d. H. the radiating part of the gas atoms, characterized in that a third vessel is provided in a common vessel both optically and stored or stored by means of a gas as well as with a buffer gas channel through which the diffusion of gas atoms is restricted for excited radiation emission. The is limited, with the second area is connected. Buffer gas is used to bind the pressure in the vessel and to keep the pressure 45 away from the second area high enough to the free path of the is arranged. keep radiating atoms smaller than the smallest 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- oder Querabmessung des Gefäßes, so daß der Bekennzeichnet, daß der zweite und dritte Bereich schränkungsmechanismus tatsächlich auf aufeinauf verschiedenen Seiten des ersten Bereiches anderfolgenden Gas-Gas-Kollisionen beruht, ohne angeordnet sind. 50 daß die Zahl der anzuregenden bzw. strahlenden6. The device according to claim 5, characterized ge or transverse dimension of the vessel, so that the designation that the second and third area restriction mechanism is actually based on oneinon on different sides of the first area other successive gas-gas collisions without are arranged. 50 that the number of those to be stimulated or radiant 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 Atome zu hoch gewählt werden muß. Bei dieser bebis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten kannten Vorrichtung ergaben sich nun auch viele Bereich eine elektrische Entladung steht, mit der Kollisionen zwischen Atomen im Ungleichgewichts-Atome zur Wechselwirkung mit der optischen . Energiezustand und gewissen metastabilen Atomen, Pumpstrahlung angeregt werden. 55 die durch das optische Pumpen hervorgerufen wur-7. Device according to one of claims 1 atoms too high must be chosen. In this bebis 6, characterized in that in the first known device there were also many Area an electrical discharge stands, with the collisions between atoms in the imbalance atoms to the interaction with the optical. Energy state and certain metastable atoms, Pump radiation are excited. 55 caused by optical pumping 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 den, so daß die Lebensdauer der strahlenden Atome bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der stark verkürzt bzw. deren Phasenlage sehr stark geAnsammlung strahlender Atome gekoppelte elek- stört wurde. Wenn die Strahlungslebensdauer des trische Kreis einen Gütefaktor kleiner als 10 hat. Atoms kurz ist, muß der Gütefaktor des an das8. Device according to one of claims 1 to, so that the life of the radiating atoms up to 7, characterized in that the one coupled with the strongly shortened or their phase position of the radiating atoms very strongly combined was electrically perturbed. If the radiation life of the tric circle has a quality factor less than 10. Atom is short, the figure of merit of the 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 60 strahlende, d. h. in Resonanz befindliche System anbis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der gekoppelten elektrischen Kreises extrem hoch sein, Ansammlung strahlender Atome gekoppelte Kreis beispielsweise bei Q = 60 000 liegen. Ein solch hoher ein Hohlraumresonator ist. Gütefaktor ist in der Praxis außerordentlich schwer9. Device according to one of claims 1 to 60 radiating, ie in resonance system to 8, characterized in that the with the coupled electrical circuit to be extremely high, collection of radiating atoms coupled circle are for example at Q = 60,000. Such a high a cavity resonator is. The quality factor is extremely difficult in practice 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 zu erzielen.10. Device according to one of claims 1 to be achieved. bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlen- 65 Durch die Erfindung soll deshalb eine Atom-to 9, characterized in that the radiation 65 The invention is therefore intended to provide an atomic den Atome He'-Atome sind. resonanzvorrichtung der eingangs genannten Art ver-the atoms are He 'atoms. resonance device of the type mentioned above 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 fügbar gemacht werden, bei der Kollisionen zwischen bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlen- strahlenden Atomen, d. h. Resonanzatomen im Un-11. Device according to one of claims 1 can be made joinable, in the collisions between to 9, characterized in that the radiating atoms, d. H. Resonance atoms in the

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