BE559278A - - Google Patents

Description

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   La présente invention est relative à des appareils qui utilisent la résonance du soin d'électron dans une matière paramagnétique. 



   Dans l'utilisation de tels appareils, il est   généra...   lement important d'avoir une matière paramgnétique dans la- quelle on a à la fois une concentration de spin d'électron élevée et un long temps de relaxation du treillis de spins:. 



  Jusqu'ici; on ne connaissait pas de matières dans lesquelles ces deux désiderata avaient en même temps des grandeurs aussi élevées qu'il est désirable. La présente invention est orien- tée vers cette fin- 
La présente invention est basée sur la. découverte de la demanderesse, qui aux températures suffisamment basses, les imperfections localisées qui sont introduites dans des matières isolantes appropriées par des dommages provoqués par des rayonnements   envue   de rendre de telles matières   paramagné-   tiques, présentent des temps de relaxation du treillis de spins qui sont très longs, de sorte que de telles matières conviennent pour l'utilisation dans des appareils qui impli quent l'usage de la résonance du spin d'électron.

   Les matiè- res isolantes d'un avantage spécial pour l'utilisation à cet-   tefin,   sont celles qui ont été bombardées, par des radiations ionisantes, telles que des électrons, des meutrons ou des ra ons X, en veue de produire dans ces matières un déplacement. 



   -des atomes de manière à créer soit des vides, soit des ato- mes interstitiels dans la. structure du treillis. 



  En partiuclier les halogénures alcalins, tel que/le chlorure potassium ou le chlorure de sodium, qui ont été bombardés en v vue d'y introduire des centres de couleur, tels que des centre 

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 F, sont utiles pour être appliqués à cet effet. Tle qu'il est connu des techniciens avertis, un centre F est un élec- tron attaché à un vide d'anion dans le réseau. Typiquement, un tel centre est introduit en bombardement de l'échantillon avec un faisceau d'électrons à grande énergie. La concentra- tion de tels centres F peut être facilement 'Contrôlée par paramètres d'un tel bombardement. Par conséquent, il est pos- sible de réaliser une concentration élevée désirées de cen- tres F, tout en maintenant des temps de relaxation du réseau de spins suffisamment longs. 



   Une matière de ce type trouve une première applica- tion, suivant la présente invention, comme milieu à températu re négative dans un "maser" à l'état solide. Masen est le terme actuellement utilise par les techniciens avertis, pour désigner   un   appareil pour l'amplification de micro-ondes par l'émission stimulée de rayonnement. Il est une   caractérsi   tique d'une "masser" qu'il contient un milieu qui pour au moin un intervalle de temps donné est caractérisé par un système de niveau d'énergie dans lequel la population dans le niveau d'énergie le plus élevé dans un jeu donné de deux niveaux d'énergie, est plus élevée que celle du niveau le plus bas. 



  Une telle distribution n'est pas en équilibre thermique et il est habituel de décrire un milieu dans lequel existe une telle distribution non en équilibre comme étant à une   tempéra-   ture négative. Il est une caractéristique d'un milieu à une température négative, que, lorsque l'énergie de l'onde du si- gnal est à la fréquence   propre ;'-  la différence d'énergie entre les deexniveaux non en équilibre, suivant la formule de   E2-E1 Planck (V= 2-1/h )où h est la constante de Planck), il est   h stimulé à partir de ce milieu,   l'émission   d'un rayonnement de la même .fréquence, par lequel le signal est amplifié. 

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   Diversestechniques spécifiques sont connues pour réaliser   l'inversion   désirée de la   population   d'un jeu donné de deux niveaux d'énergie   daas   une matière paramagne -tique du type qui est caractéristique de la pratique de la présente invention. 



   La présente invention sera mieux comprise par la description détaillée suivante prise   conjointement   avec le dessin ci-joint qui représente sous forme schématique un maser qui utilise comme milieu à. température négative, un milieu paramgnétique suivant la présente invention. Ce dessin est applicable à divers dispositifs qui utilisent différentes techniques pour obtenir la température   nagative   désirée dans le milieu paramagnétique. les divers dispositifs possibles seront discutés tour à tour. 



   Il convient, en premier lieun de décrire le   disposi'   tif destiné à être utilisé avec une technique connue des techniciens avertis sous le nom de "impulsion à 180 degres en vue d'établir une température négative dans le milieu para- magnétique amélioré caractéristique de la présente invention. 



  Un maser qui utilise cette même technique pour obtenir une température négative dans un milieu paramagnétique différent de ce type est déjà/nonnu Un dispositif de maser/comprend une certaine longueur de guide d'onde creux rectangulaire   21   en matière non magnétique, le long   d'une   partie duquel est disposé un cristal de chlorure de potassium 22 qui a été bombardé avec un faisceau d'électrons à grande énergieen vue d'y introdui- re au moins 1017 centres F par centimètre cube. Un champ magne -tique est appliqué au cristal par n'importe quel moyen con venable, tel qu'une. bobine 23 qui entoure la partie du guide d'onde dans laquelle le cristal est logé.

   La bobine est ali- mentée au   moyen   de courants magnétisants à partir d'une source de courant unidirectionnel 24, Tel quil est connu des   techni-   

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   cieiis   avertis, la séparation en énergie des deux niveaux d'é nergie associés aux deux états de spins possible des   centres ?   dans le cristal, et donc la fréquence de résonance du spin   d'é-   lectron, est directement reliée à l'intensité du champ magné- tique appliqué. Par conséquent, l'amplitude du courant unidi- rectionnel fourni à la bobine, est un paramètre qui procure un contrôle de la fréquence centrale de la gamme de fonction- nement.

   Avec un cristal soumis à un champ magnétique ayant      une densité de flux d'approximativement   3000   oersteds gauss celui-ci présente une résonance de l'ordre de 9000 mégacycles par seconde. 



   Déplus, tel qu'il est caractéristique dans la   techni'-   que de l'impulsion à 180  on applique périodiquement au cris- tal une pointe d'énergie à la fréquence de résonance.,ayant une durée et une amplitude telles qu'on produit une inversion de la population dans les deux états de spins des centres F   @   pour cette fréquence de résonance particulière.

   Dans le dispositif décrit, chaque pointe d'énergie est fournie au guide d'onde 21 par une source de production 25 au moyen d'un coupleur directionnel Cette technique pour réaliser une inversion de la population de deux états d'énergie, est une technique familière dans les études de la résonance pa- ramagnétique Après une telle invensrin alors que le crystal présente une température négative, des signaux d'entrée ayant la fréquence de résonance et provenant de la source 27, sont alimentés vers le cristal en vue de l'amplification. Après une telle amplification,   l'énergie   de signal se propage vers la charge ou le circuit d'utilisation   ?il.

   Le   cristal   présen-   tera une telle température négative pendant   un   temps corres- pondant sensiblement au temps de relaxation du réseau de spin des centres F dans le cristal. Plus exactement, l'in- tervalle pendant lequel la   température   négative persiste, 

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   sera, réduit à un;temps inférieur à ce temps'de relaxation. 



  @   à la fois du fait que le procesuss d'amplificaion accélère la vitesse, de transition   de,     ),'état¯   d'énergie élevé vers l'état d'énergie plus faible ,   et,, du   fait, que   pendant   la dernière. partie du temps de relaxation, lemilieu ne présente plus une température négative utile. Il est toutefois important d'at- tendre un certain intervalle de Permalisation pendant lequel la magnétisation produit une relaxation suffisante avant la   réapplication   d'une nouvelle pointe d'énergie pour ramener le milieu à une température négative.

   Par conséquent, chaque cycle de fonctionnement comprendra une première partie de charge ou de   Formalisation   pendant laquelle la magnétisation du milieu est effectuée, une seconde partie d'inversion de la population qui a pour résultat qu'une température négative est établie dans le   milieu,   et/une troisième partie utile   qui .   est suivie d'un nouveau cycle. Avantageusement, un circuit de synchronisation d'un type familier aux tehnicieur avertis est utilisé à la fois pour contrôler le taux de répétition . avec lequel la source de production 25 fournit des pointes d'énergie à la fréquence de résonance au crista.et/pour appli- quer des   impulsions.d'entrée   au cristal, uniquement lorsque celui-ci est à une température négative. 



   Tel qu'il a été discuta, le choix d'un milieu à température   négative   suivant la   présente     invention   rend possi ble un long temps de relaxation et de là un long intervalle ininterrompu durant lequel l'amplification est possible.   En   particulier,, pour un cristal de chlorure de potassium du type décrit qui est maintenu à une température convenablement bas- se, par exemple la température de l'hélium liquide, des temps de relaxation jusqu'à 5 secondes peuvent   tre   facilement ob- tenus. La basse température désirée est obtenue   d'une   manière type en enfermant la portion du guide d'onde renfermant le 

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 cristal dans un moyen réfrigèrent non représenté ici. 



   Tel qu'il a été décrit jusqu'ici, un champ magnétique unidirectionnel à densité de flux constante est appliqué au cristal. Dans ce cas, la source 24 de courants de magnétisation peut être simplement une batterie   d'accu-     mulateurs   fournissant un courant de   magnétisation   constant. 



   Dans ce mode de fonctionnement, l'amplification n'est possi- ble que dans une gamme de fréquence identique à celle utilisée pour l'inversion des populations des deux niveaux de spin. 



   Pour certaines applications, en vue de réduire le transfert des pointes d'énergie d'inversion vers la charge, il peut   être   nécessaire d'introduire un élément de circuit   conditLonnel   le long du guide d'onde entre le cristal et la charge, ce cir- cuit conditionnel   fonctionnant   de manière à ne permettre le passage au travers de celui-ci que du signal   amplifié.   Le moyen utilisé pour contrôler le taux de régétition des pointes d'énergie fournies par la source   25   et pour synchroniser l'application du signal d'entrée avec l'état à   température   - négative du milieu, peut être employé d'une manière   similaire   pour contrôler n'importe lequel de ces moyens à circuit conditionnel utilisés. 



   En variante, il est possible d'obtenir une amplifi cation à une fréquence autre que celle utilisée pour inver -ser la population des deux états de spin, en changeant simpel -ment la valeur de la densité de flux unidirectionnel à tra- vers le cristal   anrés   que celui-ci est arrivé dansun état de température   négative.de     manière   à établir une nouvelle fréquence de résonance de spin d'électrons pour le matiçre Après un tel changement,   l'énergie   du signal d'entrée à la nouvelle fréquence de résonance sera amplifiée. Il est impor tant d'avoir un long temps de relaxation du réseau de spin pour rendre ceci possible.

   En particulier, une augnentation 

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 de la valeur de la densité de flux élargit pour un tel temps de relaxation, la séparation de niveau entre les deux états. de spin et   au:;meute   par conséquent la fréquence de résonance effective du   cristal,   suivant la loi de   Planck;   exposée pré- cédement   Réciproquement,   une diminution   de   la valeur de la densité de flux fait décroître la fréquence de résonance ma gnétique Par conséquent, l'amplification est maintenant pos- sible dans chaque cas à la nouvelle fréquence de résonance.. du cristal, Ea appliquant la densité de flux   magnétique   plus grande pendant l'augmentation de la.   magnétisation,   c'est-à-di. 



  -re la partie de charge du fonctionnement qui est   préliminai-   re à l'inversion de population, on peut bénéficier d'une ma gnétisation plus élevée pour le temps de relaxation du ré- seau de spin. 



   Pour des applications de ce type, il est nécessaire de faire varier périodiquement   la   valeur du courant de ma gnétisation alimenté vers la bobine. A cet effet, la source 24 de courants de magnétisation comprendra, d'une manière ty- pe deux sources de courant   continu   de valeurs différentes qui alimentent alternativement la bobine 22 l'une d'elles servant lorsqu'une pointe d'énergie venant de la source 25 était appliquée, l'autre servant lorsqu? le signal d'entrée était appliqué. D'une manière avantageuse, la  commutation   entre ces deux sources peut également être contrôlée, par les moyens utilisés pour contrôler le taux de répétition de la source des   pointes   d'énergie d'inversion. 



   Une technique en variante bien connue des technici ens avertis, pour obtenir l'inversion désirée des popula- tions des deux niveaux de spin des   centres f   est décrite sous le nom de "passage adiabatique rapide Le dispositif représenté au dessin peut être adapté pour être utilisé dans cette technique, en établissait la température   négative   dans 

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 le   cristal,     en     chaussant   simplement la nature des pointes   d'énergie   fournies par la source 25 Dans cette nouvelle application chaque pointe, au lieu de ne comprendre sensi-   blement     que l'énergie   ayant la fréquence   de   résonance de spin d'électron,

   tel qu'il est caractéristique dans la techini -que d'inversion à 110  comprend de l'énergie qui varie uni- formément en fonction de la fréquence, et n'est que transi-   toirement   à la fréquence de résonance. Des source;; de telles pointes d'énergie sont bien connues des/tchniciens avertis pour être utilisées dans les expériences de résonance   magné-   tique. Typiquement, une telle source comprend un/klystron reflex dont la fréquence de sortie est balayée en   faisant   va- rier la tension appliquée à l'électrode reflex. 



   Comme dans le cas précédent, lorsqu'on désire amplifier des impulsions de fréquences différentes de celles utilisées pour établir la températurenégative dans le cris- tal, on prévoit de changer la densité de flux dans le cirs- tal après qu'une température négative y ait été établie, d'où il résulte une nouvelle fréquence de résonance de spin d'électron. Par   conséquent,   pour un fonctionneemtn de ce type on prévoit dans la source   2µ,d'appliquer   à la bobine 23 un courant différent pendant la partie amplificatrice d'un cycle de fonctionnement par rapport au courant utilisé   durant   la partie d'inversion de population du cycle de fonction- nement.

   Il à nouveau important d'attendu un certain inter- valle de xxxxxxx permalisation avant la   réapplication     d'une   nouvelle pointe d'énergie. 



   Une modification de la technique du passage   adiaba   tique rapide en vue   d'obtenir   une température négative, est également connue des techniciens avertis. Dans cette modification, pour inverser la population des deux niveaux de spin, la pointe appliquée est une   énergie   ayant une pré quence sensiblement uniforme, tandis que la densité de flux 

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 appliquée au cristal pendant la. partie d'inversion de popula- tion du cycle varie uniformément, pour   n'être   que transitorire ment à une valeur qui correspond à une fréquence de résonance de spin qui est égale à la fréquence de l'énergie dans la pointe.

   Dans un dispositif de ce type, il est également possible d'amplifier dans une   gamme   de fréquences largement éloignée de celle utilisée pour établir la. température négati- ve en appliquant au cristal, pendant la partie amplificatrice du cycle de fonctionnement, une densité de flux considérable- ment différente de celle correspondant à la résonance de spin dans le cristal tandis que la température négative est éta- blie. 



   Dans les dispositifs décrits jusqu'ici, le cristal a été disposé le long d'une partie   d'un   guide d'onde qui connecte la source de signal à la charge. Il est bien évi dent pour un technicien averti qu'on peut utiliser en variante un résonateur à/cavité pour loger   le/cristal.   Dans des disposi- tifs de ce type, pour réduire l'effet desonnerie du résona- teur à cavité, il est spécialement désirable d'utiliser les modifications qui ont été décrites et qui rendent possible l'excitation   en   vue d'une inversion de la distribution de population à une fréquence qui diffère de la fréquence à amplifier. 



   Une caractéristique de chacun des dispositifs   décri-   est que chaque cycle de fonctionnement comprend une partie d'inversion de la distribution de population pendant laquel- le 1'amplification n'est pas possible. Il serait par consé- quent impossible d'amplifier une onde de signal continue au moyen de tels dispositifs. Cependant, il est évident pour un technicien averti que plusieurs canaux d'amplification du type décrit peuvent, être assemblés en parallèle entre la: source de signal et la charge. De tels amplificateurs 

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 fonctionneraient alors en séquence,   d'où   à un   moment,     donne   a moins l'un d'eux serait dans un état d'amplification et l'énergie du signal d'entrée serait alimentée vers celui-ci. 



   Divers dispositifs utilisables à cette fin appa-   raîtront     comme   évidents aux   tebhniciens   avertis. 



   Quoique la   précédente   discussion ait mis l'accent sur l'application de la découverte de la   demanderesse   aux masers, elle est égacement applicable à d'autres apppareils qui peuvent incorporer d'une manière profitable à   un   solide a   paramgnétique   caractérisé par une concentration élevée de centre de spin ayant un long temps de relaxation du réseau de spin. En particulier, une telle matière peut être incorporée da.is un appareil qui implique l'enregistrement d'informations par écho de spin.

   Bien que de tels appareils aient été adap- tés jusqu'ici pour utiliser la résonance de spin associée vent au noyau de la matière active, ils peu dans l'intérêt de l'obtention de niveaux de sortie élevés , être adapté   d'une   manière similaire pour utiliser la résonance de spin d'impefec tions localisées introduites par des dommages provoqués par rayonnement dans le milieu isolant, suivant les nrincipes de la présente invention. 

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS l.- En combinaison, un milieu isolant caractérisé par une concentration d'im per fectins localisées introduite par des dommages provoqués par rayonnement et en vertu de quoi il est paramggnétique, des moyens pour appliquer dans le milieu un champ magnétique unidirectionnel et un champ magnétique à fréquence radio perpendiculaires l'un à l'autre, en vue d' établir une température négative, et des moyens pour appliquer l'énergie qu milieu convenant pour l'amplifica tion. <Desc/Clms Page number 11> suivant 2 Combinaison / la revendication 1 caractérisée n outre.eu ce que le dit milieu est un halogénure alcalin ayant une concentration d'atones déplaces.

   j'.- Combinaison suivant la revendication 1, carac- térisée en outre en ce que ledit milieu est du chlorure de potassium ayant une concentration de centres E 4.- Appareil amplificateur comprenant un milieu isolant ayant une concentration d'imperfections localisées introduite par des dommages par rayonnement en vertu de quoi il est paramgnétique des moyens pour appliquer au milieu un champ magnétique unidirectionnel en vue d'y établir une résonance-de spin d'électron à une fréquence radio particu- lière, des moyens pour appliquer de manière intermittente de l'énergie à ladite fréquence radio audit milieu en vertu de quoi une température négative est établie dans le milieu,

   et des moyens pour appliquer audit milieu une énergie conve- nant pour l'amplification tandis que ce milieu est à une température nagative.

   ''5.-Appareil amplificateur suivant la. revendication 4, caractérisé en outre en ce que le milieu isolant est un s halogénure alcalin ayant une concentration d'atomes déplacé.

   6.- Appareil amplificateur suivant la revendication 4, caractérisé'en ce que le milieu est du chlorure de potas- sium ayant une concentration d.e centres F.

   7. - Appareil amplificateur comprenant un milieu isolant caractérisé par une concentration d'imperfections localisées résultant de dommages provoqués par rayonnement en vertu de quoi il est paramagnétique, des moyens pour appliquer de manière Intermittente au milieu un champ magnétique unidirectionnel d'une premièreintensité corres- pondant à la résonance de spin d'électrons à une première fréquence et perpendiculaire au champ magnétique unidirection' <Desc/Clms Page number 12> nel, un champ magnétique à ladite première fréquence en vertu de quoi une température négative est établie dans le milieu,

   et des moyens pour appliquer ensuite au milieu pendant qu'il est à une température négative, un champ magutique unidirectionnel d'une seconde intensité diffé- rente correspondant à une seconde fréquence de résonance de spin d'électron différente.dans le milieu et pour appliquer. de l'énergie à la seconde fréquence en vue de l'amplifica- tion 8 Appareil amplificateur suivant la revendica- tion '7, caractérisé en ce que ledit milieu est un halogé- nure alcalin ayant une concentration d'atomes déplacés.

   9.- Appareil amplificateur suivant la revendica- tion 7, caractérisé en ce que ledit milieu est du chlorure de potassium ayant une concentration de centres F'. lU.- Appareil amplificateur comprenant un milieu isolant caractérisé par une concentration d'imperfections localisées résultant de dommages provoqués par rayonnement en vertu de quoi il est paramagnétique, des moyens pour appliquer audit milieu un champ magnétique unidirectionnel dent l'intensité a alternativement une première et une se- conde intensité, en vertu de quoi la fréquence de résonance de spin d'électron du milieu a d'une manière correspondante alternativement une première et une seconde valeur,

   des moyens pour appliquer au milieu pendant les intervalles du champ magnétique unidirectionnel de ladite première intensit dans ledit milieu, de l'énergie à ladite première fréquence de résonance en vue d'établir une température négative dans le? milieu, et des moyens pour appliquer audit milieu pendant . les intervalles de champ unidirectionnel de ladite seconde intensité dans le milieu, de !'énergie . , la seconde fré quence de résonance en vue de l'amplification, <Desc/Clms Page number 13> 11.- appareil amplificateur suivant l revendica tion 10 dans lequel ledit milieu est un halogénure alcalin' ayant une concentration d'atomes déplacés.

   12 Appareil amplificateur suivant 13 revendica- tion 10 dans lequel ledit milieu est du chlorure de potas- sium ayant une concentration de centres F.

   13.- Appareil amplificateur comprenant un milieu isolant caractérise par une concentration d'imperfections localisées résultant de dommages par rayonnement en vertu de quoi.il est paramagnétique, des moyens pour appliquer au dit milieu titi champ magnétique unidirectionnel en vue d'y établir,une résonance de spin d'électron à une fréquence radio particulière, des moyens pour appliquer périodiquement addit milieu une pointe d'énergie dont la fréquence varie uniformément au delà de la fréquence radio particulière en .

   vertu de quoi une température négative est périodiquement établie dans ledit milieu, et des moyens pour appliquer au milieu de l'énergie convenant pour l'amplification tandis que ce milieu est à une température négative.

   14 iL,-)-pareil. amplificateur suivant la revendica- tion 13, dans lequel ledit milieu est un halogénure alcalin ayant une concentration d'atomes déplacés.

   15 Appareil amplificateur suivant la revendica- tion 13, dans lequel ledit milieu est du chlorure de potas- sium ayant une concentration de centres F.

   16 Appareil amplisicateu suivant la verdncia tion 13, caractérisé en outre en ce que les moyens appli quant un champ magnétique unidirectionnel au milieu, appli queiit un champ magnétique d'une intensité différente après qu une température négative ait été établie dans le milieu.

   17.- Appareil amplificateur comprenant un milieu isolant, caractérisé par une concentration d'imperfections <Desc/Clms Page number 14> localisées résultant de dommages par rayonnement en vertu de quoi il est paramagnétique, des moyens pour appliquer périodiquement audit milieu des pointes d'énergie à une fréquence radio particulière, des moyens pour appliquer audit milieu pendant de telles périodes un champ magu tique unidirectionnel dont:

   l'intensité varie au delà de la valeur correspondant à la résonance de spin d'électron dans le milieu à ladite fréquence radio, en vertu de quoi une tempé rature négative est établie dans le milieu, et des moyens pour appliquer au milieu de l'énergie convenant pour l'ampli- fication pendant que ce milieu est à une température négati- ve.

   18 Appareil aplificateur suivant la revedica tion 17, caractérisé en ce que leditmilieu est un halogénu re alcalin ayant une concentration d'atomes déplacés.

   19 Appareil amplificateur suivant la revendica- tion 17, caractérisé en ce que ledit milieu est du chlorure de potassium ayant une concentration de centres F.

   20 Appareil amplificateur suivant la revendica- tion 17, caractérisé en outre en ce que les moyens appli- quant le champ magnétique unidirectionnel, appliquent un champ magnétique d'une intensité différente de celle corres- pondant à la résonance de spin d'électron à ladite fréquen- ce, dans les intervalles entre les périodes d'application audit milieu des pointes d'énergie à ladite fréquence.