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Elektromagnetische kohärente Strahlungsquelle mit einem dotierten
quaderförmigen Halbleiter als selektiv fluoreszentem Medium Die Erfindung betrifft
eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere einen dotierten Halbleiterkristall,
der elektromagnetische Strahlung dadurch erzeugt, daß Elektronen unter Umkehr der
Besetzungsverteilung auf eine höhere Energiestufe gehoben werden und anschließend
phasengleich in eine niedere Energiestufe zurückfallen.
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Um eine überbesetzung der höheren Energiestufen zu erreichen, muß
die normale Verteilung der Stufenbesetzung umgekehrt werden. Bei normaler Temperatur
ist ein: größerer Anteil der Elektronen in denn jeweils tieferen Energiezustand.
Daher ist die Umkehr der Besetzungsverteilung mit dem Ziel einer Überbesetzung der
höheren, Energiezustände eine Vorbedingung dafür, daß man höchste Energieabgaben
von den Elektrozen erhält.
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Die Umkehrung der Besetzung kann durch verschiedene, in der Technik
gut bekannte Verfahren erreicht werden. Hohe Energiezustände an Elektronen entstehen
durch Absorption elektromagnetischer Strahlung geeigneter Wellenlänge. Die Stoßanregung
in Gasen oder die p-n-Vereinigungen von Unterschußträgern sind in der Technik ebenfalls
bekannt.
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In der vorliegenden Erfindung wird die Umkehr der Besetzung der Elektronenspinzustände
in einem Halbleiter oder Halbmetall, beispielsweise in Indiumantimonid, dadurch
erreicht, daß man ein elektrisches Gleichfeld und ein magnetisches Gleichfeld auf
den Halbleiter oder das Halbmetall einwirken läßt. Nach der vorliegenden Erfindung
kann elektromagnetische Strahlung in dem Frequenzbereich von den Mikrowellen bis
zu den Infrarotbanden erhalten werden. Die Arbeitsfrequenz kann durch die Stärke
des magnetischen Gleichfeldes bestimmt sein sowie durch die Eigenschaften der in
dem Kristallgitter des Halbleiters eingeschlossenen paramagnetischen Verunreinigungen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische, aus einem
Festkörper bestehende Strahlungsquelle zu schaffen. Ferner gibt die Erfindung die
Möglichkeit, die Energiezustände der Elektronen durch eine an den Festkörper angelegte
Gleichspannung anzuheben und dadurch die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung
anzuregen. Diese elektromagnetische Strahlungsquelle wird durch eine Gleichspannung
wirksam, und ihre natürliche Frequenz ist durch ein magnetisches Feld regelbar.
Ferner soll die Erfindung eine elektromagnetische Strahlungsquelle schaffen, die
einfach, preiswert in der Herstellung, zuverlässig, klein und wirksam, ist.
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Für ein dotiertes quaderförmiges Halbleitermedium, das mit zwei sich
gegenüberstehenden, ohmsche Kontakte tragenden, parallelen Endflächen ausgestattet
und von Gleichstrom durchflossen ist, wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß ein magnetisches Gleichfeld zusätzlich auf den Halbleiter einwirkt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung steht das magnetische Gleichfeld
senkrecht zu dem zwischen den Endflächen liegenden elektrischen Feld. Dabei ist
im Mikrowellenbereich in Ausbildung der Erfindung die Anschlußvorrichtung zur Ableitung
der elektromagnetischen Energie aus dem Halbleiter ein elektromagnetischer Schwingkreis,
wobei vorzugsweise der Halbleiterkörper in einem Mikrowellenhohlraumresonator untergebracht
ist und die Abstrahlung dar elektromagnetischen Energie aus diesem Hohlraumresonator
erfolgt. Der Halbleiterkörper ist in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung keilförmig
und hat eine große, als Kathode und eine kleine, als Anode ausgebildete gegenüberstehende
Endfläche, wodurch sich das elektrische Feld in diesem Halbleiterkörper zu einem
Ende hin verstärkt. Der Halbleiterkörper kann paramagnetische Verunreinigungen enthalten,
deren Konzentration in Richtung auf eine Endfläche abgestuft ist, wodurch sich das
elektrische Feld in diesem Halbleiterkörper zu einem Ende hin verstärkt. In weiterer
Ausbildung der Erfindung erzeugt ein Paramagnet das magnetische Gleichfeld. Das
magnetische Feld steht sowohl senkrecht auf dem von den Endflächen ausgehenden elektrischen
Feld als auch senkrecht auf
den zwei größten Flächen des scheibenförmigen
Mediums, wodurch die Elektronen mit hoher Energie zu der ersten Schmalseitenfläche
des Halbleiterkörpers und die Elektronen mit niedriger Energie zu der zweiten Schmalseitenfläche
des Halbleiterkörpers abgelenkt werden. Für die Elektronen mit niedriger Energie
besteht eine elektrisch leitende Verbindung von der zweiten Schmalseitenfläche über
einen Leiter zur Wandung des Hohlraums.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung verläuft das magnetische
Gleichfeld parallel zu dem elektrischen Feld. Dabei erfolgt die Ausstrahlung elektromagnetischer
Energie im optischen Bereich durch eine teildurchlässige dielektrisch verspiegelte
Seitenfläche des Halbleiterkörpers, deren gegenüberstehende Seitenfläche mit einer
totalreflektierenden dielektrischen Schicht belegt ist und die beide zur Richtung
des Magnetfeldes senkrecht stehen.
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Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt. Diese werden
nachfolgend beschrieben.
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F i g. 1 kennzeichnet die Grundform der Erfindung; F i g. 2 ist ein
Diagramm, das die Wirkungsweise der Ausführung der F i g. 1 erklärt; F i g. 3 ist
eine Abwandlung der Ausführung von Fig.l; F i g. 4 ist ein Diagramm, das die Arbeitsweise
der Ausführung der F i g. 3 erläutert; F i g. 5 stellt eine Ausführung dar, die
mit Mikrowellenfrequenzen arbeitet; F i g. 6 stellt eine andere Ausführung dieser
Erfindung dar, die ebenfalls mit Mikrowellenfrequenzen arbeitet; F i g. 7 ist eine
Vorderansicht der F i g. 6, und F i g. 8 zeigt eine Ausführung der Erfindung, die
im optischen Bereich arbeitet.
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Bei einem Halbleiter, bei dem sich die Elektronenspins der eingebauten
paramagnetischen Verunreinigungen (im folgenden als »feste Spins« bezeichnet) hauptsächlich
durch Wechselwirkungen zwischen den Spins der freien Leitungselektronen einstellen,
wird eine invertierte Besetzungsverteilung der festen Spins dadurch erreicht, daß
die kinetische Temperatur der Leitungselektronen in Gegenwart eines magnetischen
Feldes ansteigt. Es ergibt sich dabei die Beziehung
wobei TF die Spintemperatur der festen Spins, Ts die Spintemperatur der Leitungselektronen
und TR die kinetische Temperatur der Leitungselektronen ist. gs bzw. gF sind die
elektronischen g-Werte der Leitungselektronen bzw. der festen Spins. Bei der vorliegenden
Erfindung werden Stoffe benutzt, deren Elektronen hohe Beweglichkeit und geringe
effektive Masse haben. Daher erhöht ein verhältnismäßig schwaches elektrisches Feld
die kinetische Temperatur TR der freien Elektronen sehr stark. Solche Stoffe bestehen
beispielsweise aus Indiumantimonid, Wismut oder Zink. Zu ihnen ist gs um ein Mehrfaches
größer als gF und hat ein anderes Vorzeichen, so daß sich eine »negative« absolute
Temperatur ergibt.
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Falls eine Differenz zwischen TR und Ts mit geeigneten Vorzeichen
und der erforderlichen Größe erreichbar ist, kann nach der obigen Beziehung ein
»negativer« Temperaturzustand TF erzielt werden, der die Zustände der festen Spin
beschreibt. Eine homogene InSb-Platte 11, die sich zur Verwendung als Gleichstrommolekularverstärker
eignet, ist in F i g. 1 dargestellt. Ohmsche Kontakte 12; 13 ohne Gleichrichterwirkung
liegen an beiden Enden der Platte 11. Kontakt 12 ist mit der positiven Seite und
Kontakt 13 mit der negativen Seite einer geeigneten Gleichstromquelle verbunden.
Die Gleichstromquelle erzeugt in der Platte 11 ein elektrisches Gleichfeld. Die
an dem Kontakt 13 in die Platte 11 eintretenden Elektronen werden durch das elektrische
Feld beschleunigt. Entsprechend ihrer hohen Beweglichkeit bekommen die Elektronen
eine Geschwindigkeit, die größer als ihre mittlere thermische Geschwindigkeit zwischen
den Zusammenstößen mit anderen Elektronen oder Photonen ist. Daher wird die aus
dem elektrischen Feld herrührende zusätzliche kinetische Energie der Elektronen
erst nach einer großen Zahl von Zusammenstößen aufgezehrt, wobei die mittlere kinetische
Energie der Elektronen über den thermischen Gleichgewichtszustand ansteigt.
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Die Änderung der Temperatur TR, welche die kinetische Energie der
Leitungselektronen charakterisiert, ist in F i g. 2 dargestellt. Die Elektronenspins
stehen mit der Elektronentemperatur TR auf Grund der Spin-Bahn-Wechselwirkung in
Beziehung. Daher steigt die Elektronenspintemperatur Ts auf das Niveau von TR, wenn
sich die Elektronen entsprechend der Darstellung in F i g. 2 durch die Platte bewegen.
Die Temperaturdifferenz d T zwischen den stationären Werten von TR und Ts
kann durch die Spingitterrelaxation der Leitungselektronen für das Gitter und für
paramagnetische Verunreinigungen in dem Kristall bestimmt werden.
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Die »Negativität« der Temperatur Ts der festen Spins hängt von der
Größe der Differenz d T ab. Diese Differenz d T kann auf verschiedene
Weise vergrößert werden. Eine Möglichkeit ist in F i g. 3 dargestellt. Eine Platte
14 eines Halbleitermaterials, das dem der Platte 11 entspricht, wie etwa InSb, wird
in Keilform mit einer Steigung von etwa 3:1 hergestellt. Ein positiver Ohmscher
Kontakt 15 liegt am schmalen Ende und ein negativer Ohmscher Kontakt 16 am breiten
Ende. Ein in die Platte 14 an dem Kontakt 16 eintretendes Elektron befindet sich
bei seiner Bewegung in Richtung auf Kontakt 15 in einem sich verstärkenden elektrischen
Feld. Wie oben ausgeführt wurde, steigt die Elektronentemperatur TR, wenn sich das
Elektron in Richtung auf den Kontakt 15 bewegt. Da, wie in F i g. 4 dargestellt,
die Spintemperatur Ts langsamer ansteigt als TR, wächst die Temperaturdifferenz
d T an. Ein ähnliches Ergebnis kann dadurch erreicht werden, daß die Leitfähigkeit
einer Platte von gleicher Form wie Platte 11 verändert wird. Durch Dotierung der
Substanz mit Verunreinigungen nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren wird ein
Gradient in der Elektronenkonzentration mit einer höheren Elektronendichte an dem
Kontakt 13 geschaffen. Ein von dem Kontakt 13 in den Halbleiter eintretendes Elektron
befindet sich in einem in seiner Stärke zunehmenden elektrischen Feld, das das Elektron
von dem Kontakt 13 an den Kontakt 12 bewegt. Daher steigt die Elektronentemperatur
TR in der in F i g. 4 dargestellten Weise an.
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Ein Mikrowellenmolekularverstärker unter Verwendung entweder einer
parallelen Platte 11 oder
einer konischen Platte 14 aus beispielsweise
Indiumantimonid ist in F i g. 5 dargestellt. Dabei sind in das Kristallgitter der
Halbleiterplatte geeignete paramagnetische Verunreinigungen eingebaut, und die Platte
ist von einem Mikrowellenhohlraum umgeben, in dem elektromagnetische Energie vom
Mikrowellenbereich erzeugt werden kann. Entsprechend der Wechselwirkung zwischen
den magnetischen Momenten der Leitungselektronen und denen der gebundenen Elektronen
der Verunreinigungen wird, wie oben beschrieben, ein »negativer« Temperaturzustand
der Spinsysteme der Verunreinigungen erzeugt. Die Verunreinigungen, beispielsweise
Fe3+, Gd3+, Mn2+, Eu2+ oder Crs+ sind in dem Halbleiter Indiumantimonid beispielsweise
in Konzentrationen der Größenordnung von 1017/cm3 oder weniger enthalten.
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Die Platte 14 mit einer der obenerwähnten Verunreinigungen ist in
einem Mikrowellenhohlraum 25 in einem Bereich eines maximalen magnetischen Hochfrequenzfeldes
untergebracht, wie etwa am Boden gegenüber dem Anschluß 26 der Wellenleitung. Ein
magnetisches Gleichfeld Ho steht senkrecht auf dem magnetischen Hochfrequenzfeld.
Wie in F i g. 5 dargestellt ist, steht das magnetische Gleichfeld senkrecht zur
Papierebene. Eine dünne Isolierschicht 27 trennt die Platte 14 von der Wandung des
Hohlraumresonators 25 und verhindert in der Platte 14 einen Kurzschluß des elektrischen
Gleichfeldes durch die Elektroden 15 und 16.
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Eine andere in den F i g. 6 und 7 dargestellte Ausführung der Erfindung
benutzt den Ettinghausen-Effekt zur Erzeugung der erwünschten Temperaturdifferenz
d T zwischen der Temperatur TR und TS des Leitungselektrons. Eine Halbleiterplatte
31, beispielsweise aus Indiumantimonid, ist in einem Magnetfeld zwischen
zwei Polschuhen angeordnet, von denen in F i g. 6 nur der Nordpol 32 eingezeichnet
ist. Eine Ohmsche Elektrode 33 ist mit dem positiven Pol und ein Ohmscher Kontakt
34 mit dem negativen Pol einer geeigneten Gleichspannungsquelle verbunden. Die Stromrichtung
steht senkrecht auf dem Magnetfeld. Wenn sich ein Elektron unter dem Einfluß eines
elektrischen Feldes und eines zu diesem elektrischen Feld senkrechten Magnetfeldes
bewegt, wird es in einer Richtung beschleunigt, die senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung
und zu dem Magnetfeld steht. Diese Querablenkung bewirkt einen Anstieg der Elektronenkonzentration
auf der rechten Seite und einen Abfall der Elektronenkonzentration auf der linken
Seite der Platte 31 in F i g. 7, wobei sich ein elektrisches Feld senkrecht zu dem
von den Elektroden 33 und 34 ausgehenden Feld aufbaut. Als Folge dieses quergerichteten
elektrischen Feldes steht die an einem Elektron mit mittlerer thermischer Geschwindigkeit
angreifende elektrostatische Kraft mit der Kraft des magnetischen Feldes im Gleichgewicht,
und das Elektron bewegt sich ohne Ablenkung von der Elektrode 33 zu der Elektrode
34. Ein Elektron mit einer höheren als der mittleren thermischen Geschwindigkeit,
d. h. mit einer höheren Energie, wird jedoch zur linken Seite in F i g. 7 abgelenkt,
und ein Elektron mit einer geringeren als der mittleren thermischen Energie, das
sich langsamer bewegt, als dem Mittelwert entspricht, wird zur rechten Seite. der
F i g. 7 abgelenkt.
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Die Halbleiterplatte 31 ist in einem Mikrowellenhohlraum mit einer
Wandung 35 in einem Dewar-Vakuumgefäß in einem magnetischen Feld untergebracht,
wobei lediglich ein Polschuh 32 eingezeichnet wurde. Die Platte 31 ist von der Wandung
35 durch die Isolierung 37 getrennt. Ein leitendes Blech oder Metallblatt 41 bedeckt
die rechte Hälfte der Platte 31 und ist mit der Wandung 35 des Mikrowellenhohlraumes
leitend verbunden.
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Die »heißen« Elektronen mit hoher Energie werden nach der obigen Erörterung
in F i g. 7 zur linken Seite abgelenkt. Infolgedessen ist die Temperaturdifferenz
zwischen der Temperatur TR der Leitungselektronen und die Spintemperatur TS auf
der linken Seite positiv und auf der rechten Seite negativ. Daher wird auf der linken
Seite Mikrowellenenergie an den Hohlraum abgegeben. Ein gleicher Betrag an Mikrowellenenergie
würde auf der »kalten« rechten Seite aufgenommen werden. Um die Aufnahme zu verhindern,
ist diese »kalte« Seite durch den Elektrizitätsleiter 41 überdeckt.
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Die Wellenlänge, bei der die Ausführung der F i g. 6 und 7 arbeitet,
ist annähernd durch den Ausdruck
bestimmt, worin X, die Wellenlänge in Zentimeter, gF der Landefaktor und Ho die
Stärke des magnetischen Gleichfeldes in Kilogauß ist. Mit einem g-Faktor von 2 und
einer Feldstärke von 10 Kilogauß ergibt sich beispielsweise A, cv 1 cm.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung nutzt den hohen g-Wert der Leitungselektronen
direkt aus. Für InSb ist der g-Wert beispielsweise -50. Infolgedessen würde eine
umgekehrte Spinbesetzung elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich emittieren.
Um die Entstehung der Besetzungsumkehr zu erkennen, betrachtet man eine Platte,
beispielsweise aus Indiumantimonid, deren Leitungselektronen sich in einem stationären
Magnetfeld Ho befinden. Die Energiezustände solcher Elektronen sind in die sogenannten
Zeeman-Niveaus aufgespalten. Diese Aufspaltung ergibt sich aus den auf Grund der
Quantemechanik möglichen, unterschiedlichen Orientierungen der magnetischen Dipolmomente
dieser Elektronen in bezug auf das äußere Feld. Bei einem Spin 1/z kann das magnetische
Moment des Elektrons nur parallel oder antiparallel zum äußeren Feld orientiert
sein. Diese zwei Orientierungen unterscheiden sich in ihrer Energie derart, daß
die antiparallele Orientierung den Zustand hoher Energie und die parallele Orientierung
den Zustand niedriger Energie darstellt. Bei einem Kollektiv von Elektronen ohne
gegenseitige Wechselwirkungen werden die zwei möglichen Energiestufen durch die
Boltzmannsche Verteilungsfunktion
bestimmt, wobei N2 die Zahl der Elektronen in der hohen Energiestufe, Ni die Zahl
der Elektronen in der niederen Energiestufe, k die Boltzmannkonstante, T die Elektronentemperatur,
gs der Landefaktor, B das Bohrsche Magneton und Ho das
äußere Feld
bedeutet. Für Leitungselektronen in verschiedenen Substanzen, aber in dem gleichen
äußeren Feld Ho ist die Besetzungsdifferenz nur durch den Faktor gs bestimmt. Wenn
gs # B - Ho groß gegenüber KT ist, sind nur sehr wenige Elektronen in dem
hohen Energiezustand und die meisten von ihnen in dem niederen Energiezustand, d.
h. N2 <NI..
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In F i g. 8 ist der Block 42 einer Halbleitersubstanz mit einem negativen
g-Faktor, wie etwa Indiumantimonid, dargestellt. Der Ohmsche Kontakt 43 ist
durch einen Kupferdraht 44 mit dem positiven Pol und der Obmsche Kontakt
45 durch einen Kupferdraht 46 mit dem negativen Pol einer geeigneten Spannungsquelle
verbunden. Die Vorderfläche 47 und die Rückfläche 51 des Blockes
42 sind optisch glatt und parallel poliert. Die Rückfläche 51 ist mit einer
totalreflektierenden dielektrischen Schicht und die Vorderfläche 47 mit einer teilweise
reflektierenden dielektrischen Schicht überzogen. Ein Magnet mit dem Nordpol
52 und dem Südpol 53
erzeugt in dem Block 42 ein magnetisches
Gleichfeld.
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Kupfer hat einen g-Faktor von -I-2 und Indiumantimonid einen g-Faktor
von -50. Die Hochenergieorientierung des magnetischen Momentes der Elektronen in
Kupfer mit dem +g-Faktor ist der Orientierung in Indiumantimonid mit dem -g-Faktor
entgegengesetzt.
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Wenn die Elektronen aus Kupfer in das Indiumantimonid übertreten,
behalten sie eine beträchtliche lange Zeit die Orientierung bei, die sie in Kupfer
hatten. N2 ist dann die Zahl der Elektronen mit Hochenergieorientierung in Indiumantimonid,
so daß eine Überbesetzung des Hochenergieniveaus beim Indiumantimonid besteht. Die
Elektronen mit Hochenergieorientierung werden lawinenartig entspannt, wodurch eine
selektive Fluoreszenz ausgelöst wird. Bei Verwendung reinen Indiumantimonids beträgt
die emittierte Wellenlänge
Mit einer magnetischen Feldstärke von 30 Kilogauß beträgt die emittierte Wellenlänge
130 [,m.
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Bei einem Zusatz paramagnetischer Verunreinigungen, die mit den angeregten
Spins der Leitungselektronen in Wechselwirkung treten, kann der effektive g-Faktor
vermindert werden, wodurch die Arbeitswellenlänge bis in den Mikrowellenbereich
absinkt. Es ist einleuchtend, daß in dem Mikrowellenbereich die optisch hochglänzenden
Reflexionsflächen nicht erforderlich sind und der Block 42 in einem Mikrowellenhohlraum
untergebracht werden kann.
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Darüber hinaus kann sowohl im optischen als auch im Mikrowellenbereich
die Zeitdauer, während der ein Elektron im umgekehrten Zustand verbleibt, durch
Eintauchen des Blockes 42 in ein Kühlmittel, wie etwa in flüssiges Helium, gesteigert
werden, wodurch sich eine verbesserte Wirksamkeit ergibt.
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Die erörterten Ausführungen stellen nur Beispiele dar, an denen verschiedene
Veränderungen innerhalb des Umfanges der durck die folgenden Ansprüche begrenzten
Erfindung vorgenommen werden können.