WO2017114703A1 - Cw-maser mit elektromagnetischem schwingkreis - Google Patents

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WO2017114703A1
WO2017114703A1 PCT/EP2016/082050 EP2016082050W WO2017114703A1 WO 2017114703 A1 WO2017114703 A1 WO 2017114703A1 EP 2016082050 W EP2016082050 W EP 2016082050W WO 2017114703 A1 WO2017114703 A1 WO 2017114703A1
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maser
active medium
coil
population inversion
organic
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PCT/EP2016/082050
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Prof. Dr. Stephan APPELT
Martin SÜFKE
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/04—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range liquid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S4/00—Devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in wave ranges other than those covered by groups H01S1/00, H01S3/00 or H01S5/00, e.g. phonon masers, X-ray lasers or gamma-ray lasers

Definitions

  • the invention relates to a maser for generating coherent electromagnetic waves. Unlike a laser that emits visible light, a maser generates microwaves or radio waves.
  • a maser comprises an active medium, means for generating a population inversion in the active medium, and a resonator tuned to the microwave frequency of the maser.
  • Maser are used for example in communications with earth satellites, in radio astronomical reception systems and radio relay systems as amplifiers, for the operation of atomic clocks and as a generator for millimeter waves.
  • a maser with an active solid state medium which can be operated at room temperature is known from document DOI: 10.1038 / nature1 1339.
  • a population inversion in the active medium is generated by optical pumping using a pulsating laser.
  • the maser comprises a cavity resonator tuned to the maser frequency.
  • a maser is available that is capable of producing microwaves with a frequency f of about 1.42 GHz. Since relatively much energy has to be expended for optical pumping, only pulsed operation is possible.
  • references DOI: 10.1038 / ncomms9251 and Nature 488, 353-356 (2012) disclose considerations of how a maser that can be operated at room temperature can be prepared using NV centers in diamonds or with the aid of optically pumped organic or maser-type lasers. capable molecules could be realized in the presence of a sapphire resonator. The smaller the frequency of a maser, the greater the wavelength of the electromagnetic waves. If a maser comprises a cavity resonator, then this must be built sufficiently large. If a population inversion is brought about by optical pumping, then the organic medium must be provided in high optical quality and quality and consequently with great technical effort. From the document DOI: 10.1038 / nphys3382 an NMR spectrometer with a high-quality electromagnetic oscillating circuit comprising a pickup coil, a capacitor and a filter coil emerges.
  • a maser to solve the problem comprises an electromagnetic resonant circuit comprising a pickup coil, a capacitor and a filter coil, an active medium of organic or maser-capable molecules in the pickup coil and a population inversion device for generating a population inversion in the active medium.
  • an electromagnetic resonant circuit comprising a pickup coil, a capacitor and a filter coil, an active medium of organic or maser-capable molecules in the pickup coil and a population inversion device for generating a population inversion in the active medium.
  • Such a built maser can be operated at room temperature and allows continuous microwave radiation or radio wave radiation.
  • the active medium can be chosen freely, so that different Maserfrequenzen can be realized.
  • Using an electromagnetic resonant circuit as a resonator allows a small design even at Maser frequencies in the MHz range and in the kHz range. Frequencies from 1 kHz to 10 MHz are possible.
  • the population inversion device is such that nuclear spins of the organic or maserable molecules are brought to negative spin temperature by the population inversion device and thus the population inversion is obtained.
  • This refinement advantageously makes it possible to dispense with optical pumping, jet separation or DNP processes.
  • a frequency range of up to four orders of magnitude can be covered, and in particular a frequency range of one kHz to 10 MHz. Despite the comparatively small frequencies, no large installation space is required because an electromagnetic resonant circuit and no cavity resonator is used.
  • chemical pumping is carried out, preferably by means of parahydrogen, so as to obtain a negative nuclear spin temperature in the organic or maser-capable molecules of the active medium.
  • the parahydrogen can then transfer its nuclear spin to the organic or maser-capable molecules to achieve population inversion.
  • the technical complexity is low and in particular compared to the technical effort that must be operated for optical pumping. It can be provided as a maser, which is able to generate coherent electromagnetic waves continuously, so called a CW maser.
  • a CW maser enables very accurate measurements over long periods, which is not possible in the same way with a pulsed maser. With such a CW maser, for example, a very accurate NMR sensor or magnetic field sensor is realized.
  • the active medium is a liquid. It can be compared to a gaseous medium achieve high spin densities, which is to provide a CW laser with little technical effort can. Compared to a solid, significantly less energy has to be expended for creating a population inversion. This is another reason why it is possible to provide a CW maser without having to spend too much effort.
  • the active medium is a solid, in particular consisting of or comprising soft polymers.
  • the population inversion device is such that the corresponding organic or maserable molecules of the liquid are separated to provide a negative spin temperature medium.
  • a separation process is carried out in an embodiment for hydrogen so that the parahydrogen contained in the hydrogen is separated.
  • This separated parahydrogen is chemically pumped to produce a negative spin temperature in the active medium.
  • parahydrogen can be obtained by conversion. Such a conversion is generally carried out at low temperatures.
  • Negative spin temperatures occur when the higher energy level a nuclear spin can occupy is more heavily occupied than the lower energy level. With more than one type of spin, it is also possible to create more complex non-equilibrium populations with a higher multipole order or a partial population inversion prevails. A maser from such states has not yet been demonstrated. This fundamentally different principle in addition to the conventional population inversion could be realized by the present invention. This represents a partial population inversion in the sense of the present invention.
  • the organic or maser-capable molecules with negative spin temperature are polarized.
  • the geomagnetic field or a magnetic field which is weaker by a magnetic shield than the earth's magnetic field, is sufficient.
  • polarization is meant an ordered alignment of nuclear spins in the active medium.
  • An inverted dipole state (EinspinSullivan) is also called population inversion, which corresponds to a negative spin temperature.
  • a high degree of polarization is more favorable than a low degree of polarization. Therefore, a hyperpolarization, ie an ordered alignment of nuclear spins in the active medium far beyond the thermal equilibrium, is to be preferred.
  • organic molecules with which the invention has been implemented is pyridine, ie C 5 H 5 N or acetonitrile, ie CH 3 CN. These were dissolved in a solvent, namely in methanol.
  • the pickup coil is preferably small.
  • An installation space reduction of the pickup coil and thus also of the active mashed medium advantageously improves the coupling of the active mashed medium to the resonator.
  • the quality of the maser known from the prior art increases with the space available. The latter applies, for example, to the maser known from the publication DOI: 10.10.38 / MPHYS3382.
  • Filter coil and capacitance therefore preferably have a high quality of at least 100, advantageously of at least 200, particularly preferably of at least 500.
  • the quality of the resonant circuit is at least 100, advantageously at least 200, particularly preferably at least 300.
  • the filter coil has a grounded center tap in order to obtain a suitable electromagnetic resonant circuit in a technically simple manner.
  • the quality of the filter coil and the quality of the capacitor generally exceed the quality of the pickup coil, preferably by a multiple, at least twice, particularly preferably at least three times.
  • a pickup is a
  • the pickup coil can have only a few turns, for example up to 10 turns.
  • Wires or strands of pickup coil and / or filter coil may be made of copper, silver or gold, for example.
  • the pickup coil and / or filter coil comprises strands whose thin wires are electrically insulated, in particular by insulating lacquer layers, so as to arrive at a further improved electromagnetic resonant circuit.
  • Existing strands are therefore preferably high frequency resistant.
  • the center tap is preferably located exactly in the middle of the filter coil. Due to the center tap parasitic oscillation tendencies of the resonant circuit are suppressed and especially good if the center tap is located exactly in the middle. This has a positive effect.
  • the center tap is realized in one embodiment by an additional wire or an additional strand. One end of the additional wire or the additional strand is connected to ground, that is grounded. In addition, one end of the other wire of the filter coil is connected to ground. For example, two electrical conductors (in particular first and second wires or first and second wires) are twisted together or twisted together to produce one another. Subsequently, the two twisted electrical conductors are wound to the coil. The end of the first electrical conductor (wire or stranded wire) and the
  • the second electrical conductor (wire or strand) are then grounded. The other two ends then form the electrical connections of the coil. If the aforementioned two electrical conductors are the same length, then the center tap is located exactly in the middle.
  • the filter coil is shielded in particular by an electrical and / or magnetic shielding. Walls of the shield are magnetic shielded
  • Mu metal or iron preferably high permeability iron.
  • a magnetic shield is preferably formed by a substantially magnetically closed chamber or closed box.
  • the maser works without such a shield. This is realized in the example.
  • Magnetic shielding advantageously protects against electromagnetic interference and thus contributes to the improvement of the signal-to-noise ratio.
  • Walls of the shield are preferably double-walled or inside a can is a second can, which is held by the first box by spacers at a distance. Inside the second can is the filter coil.
  • the shield therefore particularly preferably consists of a double-walled chamber or double-walled box.
  • the filter coil can be magnetically shielded from a magnetic B 0 field which is used in the case of NMR or ESR. This shielding causes more
  • the walls of a double wall of the magnetic shield or the walls of one or two doses of the magnetic shield are advantageously 1 mm to 3 mm thick, for example 1, 5 mm thick.
  • Walls of an electrical shield are preferably up to 3 mm thick and / or at least 0.5 mm thick. Walls of an electrical shield are
  • Walls of an electrical shield are preferably made of copper.
  • the shield is preferably grounded.
  • the outer can is always earthed. But it can also be grounded alternatively or additionally an inner box.
  • the pickup coil is separated from an excitation coil used for NMR or ESR spectroscopy. It is then so a second coil available, as
  • Excitation coil for the implementation of NMR or ESR spectroscopy is used. This makes it possible to optimize the measuring device independently of the excitation coil, which enables an improved signal-to-noise ratio.
  • the pickup coil is preferably located within the excitation coil. The distance between
  • Excitation coil and pickup coil is advantageously at least 5 mm, preferably at least 10 mm, to a disadvantageous coupling between the two coils
  • Pickup coil on the one hand and capacitor and filter coil on the other hand are connected in an advantageous embodiment by a particularly low-loss electrical transfer line with each other. This is achieved by means of a transfer line consisting of a good electrical conductor, for example by means of a copper conductor
  • Transfer line by a large cross-section of a transfer line of, for example, at least 1 mm 2 , by a looping or twirling of the two electrical conductors of the transfer line and / or by a suitable electrical insulation,
  • Each individual conductor may be in a teflon sheath for insulation and / or both electrical conductors of the transfer line together.
  • a conductor may be formed of a wire or a stranded wire.
  • a transfer line is preferably to be formed from two strands twisted together, which preferably comprises the aforementioned Teflon sheaths, so as to be particularly low-loss
  • the transfer line is formed by two strands, then said cross section of at least 1 mm 2 refers to the sum of the cross sections of the strands of the two strands, including optionally available insulators.
  • Leads of the transfer line are in turn preferably electrically insulated from each other, in particular by lacquer surface coating and / or performed high-frequency resistant to provide a low-loss transfer line, resulting in a further improved signal-to-noise ratio.
  • the pickup coil is preferably formed by a strand, that is to say from an electrical conductor consisting of thin individual wires.
  • the individual wires of the strand are advantageously electrically isolated from each other. The surfaces of the individual wires are therefore advantageously provided with an electrically insulating lacquer.
  • the strand is preferably high frequency resistant.
  • Suitable toroidale- or cylindrical filter coil with winding has
  • the filter coil should follow an alternating magnetic field with the smallest possible power loss or a poor AC loss.
  • the filter coil must have a negligible magnetic stray field and the AC resistance of the winding should be as low as possible.
  • Other losses such as dielectric losses or losses in the magnetic core of the filter coil should also be minimized.
  • the distance between the pickup coil on the one hand and capacitor and filter coil on the other hand at least 5 cm, preferably at least 50 cm, more preferably at least 60 cm. This reduces a mutual interfering magnetic influence between a B 0 field, as in the case of ESR or NMR spectroscopy, and the generally shielded filter coil. It is achieved that a
  • Shielding does not adversely affect the B 0 field. It is further avoided that the shield is adversely saturated by the B 0 field.
  • the capacity is advantageously tunable to easily adjust a suitable resonance.
  • the capacitance is formed from a large number of individual capacitors which are suitably connected in parallel with one another and can be connected in such a way as to be able to change the capacitance as required.
  • high-quality commercially available capacitors can be used to provide a tunable one
  • the invention particularly relates to a maser with an electromagnetic resonant circuit comprising a pickup coil, a capacitor and a filter coil, an active medium of maser-capable molecules in the pickup coil and a Occupation inversion means for generating a population inversion, namely a partial population inversion in the active medium.
  • the population inversion device is preferably such that nuclear spins of the molecules can be brought to negative spin temperature.
  • the population inversion device is preferably arranged to create a complex nonequilibrium population (multipole order).
  • the maser is preferably such that the population inversion means comprises parahydrogen for generating a population inversion in the active medium such that the molecules can be brought to negative spin temperature.
  • the maser is preferably such that a complex spin order can be generated on the maser-active molecules.
  • the population inversion device comprises a catalyst for the generation of a population inversion, in particular a partial population inversion in the active medium or for the generation of a higher order non-equilibrium population.
  • the active medium is in particular a liquid.
  • a solid can also be beneficial.
  • the solid consists of soft polymers or comprises soft polymers.
  • the active medium comprises methanol.
  • the active medium comprises an organic solvent such as methanol, preferably d4-methanol.
  • the active medium in one embodiment comprises pyridine or acetonitrile.
  • the active medium in one embodiment comprises substances that can be hyperpolarized with parahydrogen.
  • the active medium in one embodiment comprises PHIP (parahydrogen induced polarization) - active substances.
  • the active medium comprises SABRE (signal amplification by reversible exchange) - active substances.
  • the active medium in one embodiment comprises nitrogen-containing compounds.
  • the active medium in one embodiment comprises one or more N-heterocyclic compounds and / or nitriles.
  • the active medium in one embodiment comprises pyridine and / or acetonitrile.
  • the active medium in one embodiment comprises [IrcI (cod) (IMes)].
  • the maser is operated in continuous operation.
  • FIG. 1 shows the structure of a maser according to the invention with an electromagnetic resonant circuit comprising a cylindrical coil acting as a pickup coil 1, a tunable capacitance 2 and a filter coil 3 with a ferrite core 4.
  • the quality of capacitance and cylindrical coil is about 300.
  • the pickup coil comprises approx. 100 turns of copper and has an inner diameter of about 1 cm and a height of about 1 cm.
  • the quality of the filter coil was 340.
  • An active medium 5 of dissolved in a liquid organic or maser-capable molecules is located in a vessel 6.
  • the vessel 6 is disposed within the pickup coil 1.
  • a device 7 for generating parahydrogen which is passed from the device 7 via a line 8 by means of a arranged at the end of the line 8 hollow needle 9 into the vessel 6 into it.
  • the nuclear spins of the organic or maser-capable molecules are brought to a partial population inversion.
  • a special case of this is the negative spin temperature.
  • the supply of parahydrogen is controlled by a valve 10.
  • a pressure gauge 1 1 monitors the pressure in the vessel 6 and in the conduit 21 to monitor and control the supply of parahydrogen into the vessel 6.
  • Another needle valve 12 and a valve 13 may contribute to the control.
  • a transfer line 14 is formed from two strands twisted together, which provides for a relatively large distance (> 10 cm) between the pickup 1 on the one hand and capacity and filter coil on the other hand.
  • a differential amplifier 15 is connected to the filter coil 3 to amplify signals of the pickup coil 1 as needed.
  • Pickup coil 1, transfer line 14, tunable capacitance 2, filter coil 3 together with ferrite core 4 and differential amplifier 15 are located within a shield 16. Outside the shield 16 is an operating and / or evaluation that represent the signals amplified by the differential amplifier 15 and / or can evaluate.
  • the electronics comprise an NMR operating unit 17 and a data acquisition device 18.
  • the shield 16 extends into a cylindrical coil 19 so that the vessel 6 is located centrally within the cylindrical coil 19.
  • a static magnetic field B 0 is generated.
  • the liquid active medium comprised 0.5 cm 3 d 4 -methanol, in which in some cases a few ⁇ pyridine and in another case a few ⁇ acetonitrile were dissolved. Further, the liquid active medium included some mg of [IrCl (cod) (IMes)] as a catalyst.
  • the cylindrical coil produced a static magnetic field B 0 of approximately 1-16 mT.
  • the design achieved a value ⁇ / ⁇ ⁇ 10 "6 cm “ 3 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Maser mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine Aufnehmerspule (1), eine Kapazität (2) und eine Filterspule (3), ein aktives Medium (5) aus organischen oder maser-fähigen Molekülen in der Aufnehmerspule sowie eine Besetzungsinversions-Einrichtung (7) zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium.

Description

CW-MASER MIT ELEKTROMAGNETISCHEM SCHWINGKREIS
Die Erfindung betrifft einen Maser zur Erzeugung von kohärenten elektromagnetischen Wellen. Im Unterschied zu einem Laser, der sichtbares Licht ausstrahlt, erzeugt ein Maser Mikrowellen oder Radiowellen. Ein Maser umfasst ein aktives Medium, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Besetzungsinversion im aktiven Medium sowie einen Resonator, der auf die Mikrowellenfrequenz des Masers abgestimmt ist. Maser werden zum Beispiel beim Nachrichtenverkehr mit Erdsatelliten, in radioastronomischen Empfangsanlagen und Richtfunkanlagen als Verstärker, für den Betrieb von Atomuhren sowie als Generator für Millimeterwellen eingesetzt.
In vielen Fällen müssen für den Betrieb eines Masers tiefe Temperaturen oder ein hohes Vakuum erzeugt werden. Üblicherweise werden aufwendige Pumpprozesse wie etwa Strahlseparation, ein Pumplaser oder eine dynamische Kernspinpolarisation(DNP) benötigt.
Ein Maser mit einem aktiven Festkörpermedium, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann, ist aus der Druckschrift DOI: 10.1038/nature1 1339 bekannt. Eine Besetzungsinversion im aktiven Medium wird durch optisches Pumpen mithilfe eines pulsierenden Lasers erzeugt. Weiter umfasst der Maser einen auf die Maserfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator. Insgesamt steht so ein Maser zur Verfügung, der Mikrowellen mit einer Frequenz f von ca. 1 ,42 GHz zu erzeugen vermag. Da für das optische Pumpen relativviel Energie aufgewendet werden muss, ist nur ein gepulster Betrieb möglich.
Aus der Druckschrift DOI: 10.1038/ncomms9251 und Nature 488, 353-356 (2012) sind Überlegungen bekannt, wie ein Maser, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann, mithilfe von NV-Zentren in Diamanten oder mit Hilfe von optisch gepumpten organischen oder maser-fähigen Molekülen in Anwesenheit eines Saphir Resonators realisiert werden könnte. Je kleiner die Frequenz eines Masers ist, umso größer ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen. Umfasst ein Maser einen Hohlraumresonator, so muss dieser hinreichend groß gebaut sein. Wird eine Besetzungsinversion durch optisches Pumpen herbeigeführt, so muss das organische Medium in hoher optischer Qualität und Güte und folglich mit hohem technischem Aufwand bereitgestellt werden. Aus der Druckschrift DOI: 10.1038/nphys3382 geht ein NMR Spektrometer mit einem elektromagnetischen Schwingkreis hoher Güte umfassend eine Aufnehmerspule, eine Kapazität und eine Filterspule hervor.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen weiter entwickelten Maser bereitzustellen, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann.
Ein Maser umfasst zur Lösung der Aufgabe einen elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine Aufnehmerspule, eine Kapazität und eine Filterspule, ein aktives Medium aus organischen oder maser-fähigen Molekülen in der Aufnehmerspule sowie eine Besetzungsinversions-Einrichtung zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium. Ein so gebauter Maser kann bei Raumtemperatur betrieben werden und ermöglicht eine kontinuierliche Mikrowellenstrahlung oder Radiowellenstrahlung. Auch kann das aktive Medium frei gewählt werden, so dass unterschiedliche Maserfrequenzen realisiert werden können. Einen elektromagnetischen Schwingkreis als Resonator einzusetzen, ermöglicht eine kleine Bauweise selbst bei Maser-Frequenzen im MHz Bereich sowie im kHz-Bereich. Frequenzen von 1 kHz bis 10 MHz sind möglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Besetzungsinversions-Einrichtung so beschaffen, dass Kernspins der organischen oder maser-fähigen Moleküle durch die Besetzungsinversions-Einrichtung auf negative Spintemperatur gebracht werden und so die Besetzungsinversion erhalten wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht es vorteilhaft, auf optisches Pumpen, Strahlseparation oder DNP-Verfahren verzichten zu können. Auch kann ein Frequenzbereich von bis zu vier Größenordnungen abgedeckt werden und zwar insbesondere auch ein Frequenzbereich von einem kHz bis 10 MHz. Trotz der vergleichsweise kleinen Frequenzen wird kein großer Bauraum benötigt, da ein elektromagnetischer Schwingkreis und kein Hohlraumresonator verwendet wird.
In einer Ausgestaltung wird chemisch gepumpt und zwar vorzugsweise mittels Parawasserstoff, um so eine negative Kernspintemperatur bei den organischen oder maser- fähigen Molekülen des aktiven Mediums zu erhalten. Dies geschieht insbesondere mithilfe eines Katalysators, an den die organischen oder maser-fähigen Moleküle des aktiven Mediums sowie der Parawasserstoff andocken können. Der Parawasserstoff kann dann seinen Kernspin auf die organischen oder maser-fähigen Moleküle übertragen, um so eine Besetzungsinversion zu erzielen. Der technische Aufwand ist gering und zwar insbesondere im Vergleich zu dem technischen Aufwand, der für ein optisches Pumpen betrieben werden muss. Es kann so ein Maser bereitgestellt werden, der kohärente elektromagnetische Wellen kontinuierlich zu erzeugen vermag, also ein sogenannter CW-Maser. Ein CW-Maser ermöglicht sehr genaue Messungen über lange Zeiträume, was mit einem gepulsten Maser nicht in gleicher weise möglich ist. Mit einem solchen CW-Maser wird zum Beispiel ein sehr genau arbeitender NMR-Sensor oder Magnetfeldsensor realisiert.
Bevorzugt ist das aktive Medium eine Flüssigkeit. Es lassen sich im Vergleich zu einem gasförmigen Medium hohe Spindichten erzielen, was dazu beträgt, einen CW-Laser mit geringem technischem Aufwand bereitstellen zu können. Im Vergleich zu einem Feststoff muss deutlich weniger Energie für die Erzeugung einer Besetzungsinversion aufgewendet werden. Auch deshalb ist es möglich, einen CW Maser bereitzustellen, ohne dafür einen übermäßig großen Aufwand betreiben zu müssen.
In einer Ausgestaltung ist das aktive Medium ein Festkörper und zwar insbesondere bestehend aus oder umfassend Softpolymere.
In einer Ausgestaltung ist die Besetzungsinversions-Einrichtung so beschaffen, dass die entsprechenden organischen oder maser-fähigen Moleküle der Flüssigkeit so getrennt werden, dass dadurch ein Medium mit negativer Spintemperatur bereitgestellt wird. Ein derartiges Trennverfahren wird in einer Ausgestaltung für Wasserstoff so durchgeführt, dass der im Wasserstoff enthaltene Parawasserstoff abgetrennt wird. Mit diesem abgetrennten Parawasserstoff wird chemisch gepumpt, um so im aktiven Medium eine negative Spintemperatur zu erzeugen. Alternativ kann durch Konversion Parawasserstoff gewonnen werden. Eine solche Konversion wird grundsätzlich bei niedrigen Temperaturen durchgeführt.
Negative Spintemperaturen treten auf, wenn das höhere Energieniveau, welches ein Kernspin einnehmen kann, stärker besetzt ist als das niedrigere Energieniveau. Bei mehr als einer Spinsorte besteht auch die Möglichkeit komplexere Nichtgleichgewichtsbesetzungen zu erzeugen, bei denen eine höhere Multipolordnung beziehungsweise eine partielle Besetzungsinversion herrscht. Ein Maser aus solchen Zuständen ist bislang noch nicht demonstriert worden. Dieses grundlegend andere Prinzip nebst der konventionellen Besetzungsinversion konnte durch die vorliegende Erfindung realisiert werden. Dies stellt eine partielle Besetzungsinversion im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
Die organischen oder maser-fähigen Moleküle mit negativer Spintemperatur werden polarisiert. Dafür genügt das Erdmagnetfeld oder ein Magnetfeld, welches durch eine magnetische Abschirmung schwächer ist als das Erdmagnetfeld. Unter Polarisation wird eine geordnete Ausrichtung von Kernspins in dem aktiven Medium verstanden. Dabei gibt es verschiedene Ordnungsklassen von Spinzuständen: Die Einspin (Dipol), Zweispin (Quadrupol) und Multispinordnung (Multipol). Einen invertierten Dipolzustand (Einspinzustand) nennt man auch Besetzungsinversion, der einer negativen Spintemperatur entspricht. Ein hoher Polarisationsgrad ist günstiger als ein geringer Polarisationsgrad. Zu bevorzugen ist daher eine Hyperpolarisation, also eine geordnete Ausrichtung von Kernspins in dem aktiven Medium weit über das thermische Gleichgewicht hinaus.
Ein Beispiel für organische Moleküle, mit denen die Erfindung realisiert wurde ist Pyridin, also C5H5N oder Acetonitril also CH3CN. Diese wurden in einem Lösungsmittel gelöst und zwar in Methanol.
Es hat sich herausgestellt, dass mit zunehmender Reduzierung des Bauraums die Eigenschaften des Resonators verbessert werden können. Insbesondere ist die Aufnehmerspule vorzugsweise klein. Eine Bauraumreduzierung der Aufnahmespule und damit auch des aktiven Masermediums verbessert vorteilhaft die Kopplung des aktiven Masermediums an den Resonator Im Unterschied dazu nimmt die Qualität der aus dem Stand der Technik bekannten Maser mit der Bauraumgröße zu. Letzteres gilt beispielsweise für den aus der Druckschrift DOI: 10.10.38/MPHYS3382 bekannten Maser. Für den Betrieb des Masers ist auf eine hinreichend hohe Güte des elektromagnetischen Schwingkreises zu achten. Filterspule und Kapazität weisen daher bevorzugt eine hohe Güte von wenigstens 100, vorteilhaft von wenigstens 200, besonders bevorzugt von wenigstens 500 auf. Alternativ oder ergänzend beträgt die Güte des Schwingkreises wenigstens 100, vorteilhaft von wenigstens 200, besonders bevorzugt von wenigstens 300. Die Filterspule weist in einer Ausgestaltung eine geerdete Mittelanzapfung auf, um auf technisch einfache Weise einen geeigneten elektromagnetischen Schwingkreis zu erhalten.
Die Güte der Filterspule und die Güte des Kondensators übersteigen grundsätzlich die Güte der Aufnehmerspule und zwar bevorzugt um ein Vielfaches, wenigstens um das Doppelte, besonders bevorzugt wenigstens um das Dreifache. Als Aufnehmerspule wird eine
Zylinderspule bevorzugt, in welche ein Behälter mit einem darin befindlichen aktiven Medium eingesetzt werden kann. Die Aufnehmerspule kann nur wenige Windungen aufweisen, beispielsweise bis zu 10 Windungen. Drähte oder Litzen von Aufnehmerspule und/oder Filterspule können beispielsweise aus Kupfer, Silber oder Gold bestehen.
Vorzugsweise umfasst die Aufnehmerspule und/ oder Filterspule Litzen, deren dünne Drähte elektrisch isoliert sind und zwar insbesondere durch isolierende Lackschichten, um so zu einem weiter verbesserten elektromagnetischen Schwingkreis zu gelangen. Vorhandene Litzen sind deshalb vorzugsweise hochfrequenzfest.
Die folgenden Ausgestaltungen verbessern einzeln sowie in beliebiger Kombination weiter vorteilhafte Eigenschaften des elektromagnetischen Schwingkreises: Die Mittelanzapfung befindet sich vorzugsweise genau in der Mitte der Filterspule. Durch die Mittelanzapfung werden parasitäre Schwingneigungen des Schwingkreises unterdrückt und zwar besonders gut, wenn die Mittelanzapfung genau mittig angeordnet ist. Dies wirkt sich positiv aus. Die Mittelanzapfung ist in einer Ausgestaltung durch einen zusätzlichen Draht oder eine zusätzliche Litze realisiert. Ein Ende des zusätzlichen Drahts bzw. der zusätzlichen Litze ist mit Masse verbunden, also geerdet. Außerdem ist ein Ende des anderen Drahts der Filterspule mit Masse verbunden. Zur Herstellung werden beispielsweise zwei elektrische Leiter (insbesondere erster und zweiter Draht oder erste und zweite Litze) miteinander verzwirbelt bzw. miteinander verdrillt. Anschließend werden die beiden miteinander verdrillten elektrischen Leiter zur Spule gewickelt. Das Ende des ersten elektrischen Leiters (Draht oder Litze) sowie das
entgegengesetzte Ende des zweiten elektrischen Leiters (Draht oder Litze) werden dann geerdet. Die beiden anderen Enden bilden dann die elektrischen Anschlüsse der Spule. Sind die vorgenannten beiden elektrischen Leiter gleich lang, so befindet sich die Mittelanzapfung exakt in der Mitte.
Die Filterspule ist insbesondere durch eine elektrische und/oder magnetische Abschirmung abgeschirmt. Wände der Abschirmung bestehen bei magnetischer Abschirmung
vorzugsweise Mu-Metall oder Eisen, vorzugsweise hochpermeables Eisen.
Eine magnetische Abschirmung wird vorzugsweise durch eine im Wesentlichen magnetisch geschlossene Kammer oder geschlossene Dose gebildet. Der Maser funktioniert allerdings auch ohne eine solche Abschirmung. Dies ist im Beispiel realisiert.
Eine magnetische Abschirmung schützt vorteilhaft vor elektromagnetischen Störungen und trägt so zur Verbesserung des Signal - Rausch - Verhältnisses bei. Wände der Abschirmung sind vorzugsweise doppelwandig ausgeführt oder innerhalb einer Dose befindet sich eine zweite Dose, die von der ersten Dose durch Abstandshalter auf Abstand gehalten wird. Innerhalb der zweiten Dose befindet sich dann die Filterspule. Die Abschirmung besteht daher besonders bevorzugt aus einer doppelwandigen Kammer oder doppelwandigen Dose.
Durch eine magnetische Abschirmung kann die Filterspule im Fall von NMR oder ESR - Spektroskopie magnetisch von einem magnetischen B0 - Feld abgeschirmt werden, welches im Fall von NMR oder ESR eingesetzt wird. Diese Abschirmung bewirkt weitere
Verbesserungen.
Die Wände einer Doppelwand der magnetischen Abschirmung oder die Wände ein oder zwei Dosen der magnetischen Abschirmung sind vorteilhaft 1 mm bis 3 mm dick, so zum Beispiel 1 ,5 mm dick. Wände einer elektrischen Abschirmung sind vorzugsweise bis zu 3 mm dick und/ oder wenigstens 0,5 mm dick. Wände einer elektrischen Abschirmung sind
vorzugsweise geschlitzt. Wände einer elektrischen Abschirmung bestehen vorzugsweise aus Kupfer.
Die Abschirmung ist vorzugsweise geerdet. Im Fall der zwei Dosen ist grundsätzlich die äußere Dose geerdet. Es kann aber auch alternativ oder ergänzend eine innere Dose geerdet sein. Vorteilhaft ist die Aufnehmerspule von einer für NMR- oder ESR-Spektroskopie eingesetzten Anregungsspule getrennt. Es ist dann also eine zweite Spule vorhanden, die als
Anregungsspule für die Durchführung von NMR- oder ESR- Spektroskopie eingesetzt wird. Hierdurch ist es möglich, die Messvorrichtung unabhängig von der Anregungsspule zu optimieren, was ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht. Die Aufnehmerspule befindet sich vorzugsweise innerhalb der Anregungsspule. Der Abstand zwischen
Anregungsspule und Aufnehmerspule beträgt vorteilhaft mindestens 5 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, um eine nachteilhafte Kopplung zwischen den beiden Spulen
hinreichend gering zu halten. Die Hauptachse der Anregungsspule (= Richtung rf - Feld) ist vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, vorzugsweise senkrecht, zur sensitiven Achse der Aufnehmerspule angeordnet, um eine nachteilhafte Kopplung zwischen den beiden Spulen hinreichend gering zu halten.
Aufnehmerspule einerseits und Kondensator nebst Filterspule andererseits sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung durch eine besonders verlustarme elektrische Transferleitung miteinander verbunden. Dies wird erreicht durch eine aus einem guten elektrischen Leiter bestehende Transferleitung, so zum Beispiel durch eine aus Kupfer bestehende
Transferleitung, durch einen großen Querschnitt einer Transferleitung von zum Beispiel wenigstens 1 mm2, durch eine Umschlingung bzw. Verzwirbelung der beiden elektrischen Leiter der Transferleitung und/oder durch eine geeignete elektrische Isolierung,
insbesondere durch eine Isolierung aus Teflon. Jeder einzelne Leiter kann zwecks Isolierung sich in einer Teflonhülle befinden und/oder beide elektrischen Leiter der Transferleitung gemeinsam. Ein Leiter kann aus einem Draht oder einer Litze gebildet sein. Eine Transferleitung ist vorzugsweise aus zwei miteinander verdrillten Litzen zu bilden, die vorzugsweise vorgenannte Teflonhüllen umfasst, um so eine besonders verlustarme
Transferleitung für ESR- oder NMR-Spektroskopie bereit zu stellen, stellt eine eigenständige Erfindung dar. Ist die Transferleitung durch zwei Litzen gebildet, so bezieht sich der genannte Querschnitt von wenigstens 1 mm2 auf die Summe der Querschnitte der Einzeldrähte der beiden Litzen und zwar einschließlich optional vorhandener Isolatoren. Litzen der Transferleitung sind wiederum vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert und zwar insbesondere durch Lackoberflächenbeschichtung und/oder hochfrequenzfest ausgeführt, um eine verlustarme Transferleitung bereitzustellen, was zu einem weiter verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis führt. Die Aufnehmerspule ist vorzugsweise durch eine Litze gebildet, also aus einem aus dünnen Einzeldrähten bestehender elektrischer Leiter. Die Einzeldrähte der Litze sind vorteilhaft elektrisch voneinander isoliert. Die Oberflächen der Einzeldrähte sind daher vorteilhaft mit einem elektrisch isolierenden Lack versehen. Die Litze ist vorzugsweise hochfrequenzfest.
Als geeignet hat sich ein toroidale- oder zylinderförmige Filterspule mit Wicklung aus
Litzendraht herausgestellt. Für die Realisierung eines externen Resonators mit hohen Güten QE > 1000 sollte die Filterspule einem magnetischen Wechselfeld mit möglichst kleinem Energieverlust folgen bzw. einen geringen AC-Verlust aufweisen. Dafür muss die Filterspule ein vernachlässigbares magnetisches Streufeld besitzen und der Wechselstromwiderstand der Wicklung sollte möglichst gering sein. Auch andere Verluste wie z.B. dielektrische Verluste oder Verluste in magnetischen Kern der Filterspule sollten minimiert sein. Vorteilhaft beträgt der Abstand zwischen Aufnehmerspule einerseits und Kondensator nebst Filterspule andererseits wenigstens 5 cm, vorteilhaft wenigstens 50 cm, besonders vorteilhaft wenigstens 60 cm. Dies vermindert einen gegenseitigen störenden magnetischem Einfluss zwischen einem B0 - Feld, wie es im Fall einer ESR- oder NMR - Spektroskopie vorhanden ist, und der in der Regel abgeschirmten Filterspule. Es wird erreicht, dass sich eine
Abschirmung nicht nachteilhaft auf das B0 - Feld auswirkt. Es wird weiter vermieden, dass die Abschirmung durch das B0 - Feld nachteilhaft gesättigt wird.
Die Kapazität ist vorteilhaft abstimmbar, um eine geeignete Resonanz leicht einstellen zu können. Vorteilhaft wird die Kapazität aus einer Vielzahl von einzelnen Kondensatoren gebildet, die geeignet parallel miteinander verschaltet sind sowie derart verschaltet werden können, um bei Bedarf die Kapazität verändern zu können. Es können so kommerziell erhältliche Kondensatoren mit hoher Güte eingesetzt werden, um eine abstimmbare
Kapazität mit hoher Güte bereitzustellen. In der deutschen Patentanmeldung 102014218873 wird der Schwingkreis auch anhand von Figuren dargestellt, mit dem der Maser gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert wurde.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Maser mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine Aufnehmerspule, eine Kapazität und eine Filterspule, ein aktives Medium aus maser-fähigen Molekülen in der Aufnehmerspule sowie eine Besetzungsinversions-Einrichtung zur Erzeugung einer Besetzungsinversion und zwar einer partiellen Besetzungsinversion in dem aktiven Medium.
Die Besetzungsinversions-Einrichtung ist vorzugsweise so beschaffen, dass Kernspins der Moleküle auf negative Spintemperatur gebracht werden können. Alternativ ist die Besetzungsinversions-Einrichtung vorzugsweise so beschaffen, dass eine komplexe Nichtgleichgewichtsbesetzung (Multipolordnung) erzeugt wird.
Der Maser ist vorzugsweise so beschaffen, dass die Besetzungsinversions-Einrichtung Parawasserstoff für die Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium derart umfasst, dass die Moleküle auf negative Spintemperatur gebracht werden können.
Der Maser ist vorzugsweise so beschaffen, dass eine komplexe Spinordnung auf den maseraktiven Molekülen erzeugt werden kann.
Die Besetzungsinversions-Einrichtung umfasst insbesondere einen Katalysator für die Erzeugung einer Besetzungsinversion und zwar insbesondere einer partiellen Besetzungsinversion in dem aktiven Medium oder für die Erzeugung einer Nicht- Gleichgewichtsbesetzung höherer Ordnung.
Durch den Katalysator gelingt insbesondere eine (partielle) Besetzungsinversion mit Parawasserstoff.
Das aktive Medium ist insbesondere eine Flüssigkeit. Ein Feststoff kann ebenfalls günstig sein. Insbesondere besteht der Feststoff aus Soft Polymeren oder umfasst Soft-Polymere.
In einer Ausgestaltung umfasst das aktive Medium Methanol.
In einer Ausgestaltung umfasst das aktive Medium ein organisches Lösungsmittel wie Methanol und zwar vorzugsweise d4-Methanol.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung Pyridin oder Acetonitril.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung Substanzen, die mit Parawasserstoff hyperpolarisiert werden können. Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung PHIP (parahydrogen induced polarization) - aktive Substanzen.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung SABRE (signal amplification by reversible exchange) - aktive Substanzen.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung stickstoffhaltige Verbindungen.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung ein oder mehrere N-heterocyclische Verbindungen und/oder Nitrile.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung Pyridin und/oder Acetonitril.
Das aktive Medium umfasst in einer Ausgestaltung [lrCI(cod)(IMes)].
In einer Ausgestaltung wird der Maser im kontinuierlichen Betrieb betrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen nebst Figuren näher verdeutlicht.
Die Figur 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Masers mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine als Aufnehmerspule 1 fungierende Zylinderspule, eine abstimmbare Kapazität 2 und eine Filterspule 3 mit einem Ferritkern 4. Die Güte von Kapazität und Zylinderspule beträgt ca. 300. Die Aufnehmerspule umfasst ca. 100 Wicklungen aus Kupfer und weist einen Innendurchmesser von ca. 1 cm sowie eine Höhe von ca. 1 cm auf. Die Güte der Filterspule betrug 340.
Ein aktives Medium 5 aus in einer Flüssigkeit gelösten organischen oder maser-fähigen Molekülen befindet sich in einem Gefäß 6. Das Gefäß 6 ist innerhalb der Aufnehmerspule 1 angeordnet. Um eine Besetzungsinversion und zwar eine partielle Besetzungsinversion zu erzielen, gibt es eine Einrichtung 7 zur Erzeugung von Parawasserstoff, der von der Einrichtung 7 über eine Leitung 8 mittels einer am Ende der Leitung 8 angeordneten Hohlnadel 9 in das Gefäß 6 hinein geleitet wird. Hierdurch werden die Kernspins der organischen oder maser-fähigenMoleküle auf eine partielle Besetzungsinversion gebracht. Ein Sonderfall davon ist die negative Spintemperatur. Die Zufuhr von Parawasserstoff wird über ein Ventil 10 gesteuert. Ein Druckmesser 1 1 überwacht den Druck im Gefäß 6 und in der Leitung 21 , um die Zufuhr von Parawasserstoff in das Gefäß 6 zu überwachen und zu steuern. Ein weiteres Nadelventil 12 und ein Ventil 13 können zur Steuerung beitragen.
Eine Transferleitung 14 ist aus zwei miteinander verdrillten Litzen gebildet, die für einen relativ großen Abstand (> 10 cm) zwischen der Aufnehmerspule 1 einerseits und Kapazität nebst Filterspule andererseits sorgt. Ein Differenzverstärker 15 ist mit der Filterspule 3 verbunden, um bei Bedarf Signale der Aufnehmerspule 1 zu verstärken.
Aufnehmerspule 1 , Transferleitung 14, abstimmbare Kapazität 2, Filterspule 3 nebst Ferritkern 4 und Differenzverstärker 15 befinden sich innerhalb einer Abschirmung 16. Außerhalb der Abschirmung 16 befindet sich eine Bedien- und/oder Auswerteelektronik, die die vom Differenzverstärker 15 verstärkten Signale darzustellen und/oder auszuwerten vermag. Die Elektronik umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine NMR- Bedieneinheit 17 und eine Datenerfassungseinrichtung 18.
Die Abschirmung 16 reicht in eine Zylinderspule 19 so hinein, dass sich das Gefäß 6 zentral innerhalb der Zylinderspule 19 befindet. Durch die auf den Spulenkörper 20 gewickelte Zylinderspule 19 wird ein statisches magnetisches Feld B0 erzeugt.
Ein Parawasserstoffgas mit einem Anteil von ca. 92% Parawasserstoff, welches bei einer Temperatur von 36K erzeugt wurde, wurde mit einem Druck von 5 bar in das Gefäß mit dem darin befindlichen flüssigen aktiven Medium eingeleitet. Als Lösungsmittel umfasste das flüssige aktive Medium 0,5 cm3 d4-Methanol, in dem in einem Fall einige μΙ Pyridin und in einem anderen Fall einige μΙ Acetonitril gelöst wurden. Weiter umfasste das flüssige aktive Medium einige mg [lrCI(cod)(IMes)] als Katalysator.
Durch die Zylinderspule wurde ein statisches magnetisches Feld B0 von ca. 1 - 16 mT erzeugt. Durch die Konstruktion wurde ein Wert ΔΒ/Β ~ 10"6 cm"3 erreicht.
Es konnten so Maseroszillationen erzeugt werden, die nach einer Vorverstärkung durch einen Lock-in Verstärker weiter verstärkt wurden. Die so verstärkten Signale wurden mit einer Abtastgeschwindigkeit von 16 kHz durch die Erfassungseinrichtung 18 aufgezeichnet. Die so erhaltenen Ergebnisse sind in den Figuren 2 (für Pyridin) und 3 (für Acetonitril) gezeigt. Gezeigt wird die jeweils gemessene Amplitude in [V] gegen die Zeit in [s]. Die beiden Figuren verdeutlichen, dass nach einem Einschwingen kontinuierliche kohärente elektromagnetischen Wellen erzeugt wurden.

Claims

Ansprüche
1 . Maser mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umfassend eine Aufnehmerspule (1 ), eine Kapazität (2) und eine Filterspule (3), ein aktives Medium (5) aus organischen oder maser-fähigen Molekülen in der Aufnehmerspule (1 ) sowie eine
Besetzungsinversions-Einrichtung (7) zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium (5).
2. Maser nach Anspruch 1 mit einer so beschaffenen Besetzungsinversions-Einrichtung, dass Kernspins der organischen oder maser-fähigen Moleküle auf negative
Spintemperatur gebracht werden können.
3. Maser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Besetzungsinversions-Einrichtung Parawasserstoff für die Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium derart umfasst, dass die organischen oder maser-fähigen Moleküle auf negative Spintemperatur gebracht werden können.
4. Maser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Besetzungsinversions-Einrichtung einen Katalysator für die Erzeugung einer Besetzungsinversion in dem aktiven Medium umfasst.
5. Maser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium eine Flüssigkeit ist.
6. Maser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium d4-Methanol umfasst.
7. Maser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium Pyridin oder Acetonitril umfasst.
8. Maser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium 1 ,17 mg [lrCI(cod)(IMes)] umfasst.
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