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COMMANDE DE LA FREQUENCE D'UN OSCILLATEUR PAR MODULATION RESONANTE
D'UN GAZ.
La présente invention concerne un dispositif et un appareil uti- lisant, pour commander la fréquence d'un oscillateur un gaz ayant une molé- cule à au moins trois états énergétiques possibles.
Conformément à l'invention on applique au gaz simultanément un champ micro-ondulatoire ayant une fréquence correspondante à la fréquence de transition entre deux états énergétiques, et un champ à haute fréquence égale à la fréquence de l'oscillateur ou décalée d'une quantité déteminée par rap- port à celle-ci. La fréquence de l'oscillateur est elle-même égale à, ou dé- calée d'une quantité déterminée par rapport à une seconde fréquence transitoi- re entre une autre paire d'états énergétiques du gaz de manière à produire, par modulation résonnante,de l'absorption sélective de l'énergie micro-on- dulatoire à deux fréquences respectivement quelque peu supérieure et inférieu- re à la fréquence de transition citée en premier lieu.
Les absorptions corres- pondantes à ces deux fréquences sont une mesure directe de la déviation de la fréquence d'oscillateur ou décalée par rapport à la deuxième fréquence de transition du gazo La fréquence des oscillations produites par l'oscillateur paut être ainsi maintenue à la seconde fréquence de transition ou à une fréquen- ce décalée d'une quantité déterminée de celle-ci, en variant une commande de fréquence de l'oscillateur de manière à maintenir pratiquement 1-'égalité entre les absorptions de micro-ondes aux deux fréquences précitées d'absorption sé- lective ou de modulation résonnante.
Dans les procédés et dispositifs préférés, la fréquence du champ micro-ondulatoire est déplacée de façon répétée en travers d'une gamme de fré- quences comprenant les deux fréquences de modulation résonnante qui sont res- pectivement supérieure et inférieure à la fréquence micro-ondulatoire de tran- sition initiale.
L'énergie micro-ondulatoire transmise par le gaz est détectée de façon à produire à chaque balayage, une paire d'impulsions décalées dans le temps dont l'amplitude relative, ou la différence entre les amplitudes,est une mesure précise du sens et de l'importance de la dérive de la fréquence d'os-
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cmateur ou décalée par rapport à la fréquence de transition du gaz citée en second lieuo La fréquence de oscillateur est commandée aut#atiquament au moyen d'une tension de commande de polarité et d'amplitude variables dérivée des absorptions de micro-ondes aux deux fréquences de modulation résonnante.
Les paires d'impulsions provenant de chaque balayage de la fréquence micro- ondulatoire peuvent être appliquées à un circuit comparateur dont la tension
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de sortie utilisable pour la commande de la fréquence doscillateur, a une polarité qui est fonction du sens de la dérive de la fréquence et une ampli- tude qui est fonction de l'importance de cette dérive.
Dans certaines formes de l'invention le circuit comparateur est dé- clenché par une des deux impulsions de chaque paire ou par une impulsion qui
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en est dérivés9 alors que dans d'autres formes de l'invention l'intenalle de balayage est commandé en évitant l'emploi d'un dispositif de déclenchement.
L' tensité du champ à haute fréquence appliqué peut être réglée de manière à faire varier, dans de faibles limites, la seconde fréquence de
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transition du gaz. Si l'on veut régler avec précision la fréquence de 111 oscil lateur, l'intensité du champ correspondant appliqué au gaz doit être stabili- sée une valeur prédétemiaée ou réglée.
Afin que l'invention soit bien comprise on se référera ci-après aux dessins annexés qui en représentent plusieurs fomes d2Jexéution9 et dans lesquels g Les figures lA 9 JE et il à 2F servent à expliquer les principes de l'invention et'le fonctionnement d'appareils sonf'ssmes à celle-ci.
Les figures 34 et 5 représentent schématiquement divers disposi- tifs de mesure et de commande de fréquence utilisant la modulation résonnante d'un gaz,
La figure 6 est une modification de la figure 5 dans laquelle le
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comparateur d.,Jmpulsions est commandé par déclenchement.
Les figures 7A à 7C aident à !.l'explication de la description rela- tive à la figure 80
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La figure 8 est un schéma d-lune variante de la figure 5 sans con- mande par déclenchement du comparateur d1l:im.pulsionso La figure 9 est un schéma de montage d9éléments pouvant être utili- sés dans le dispositif de la figure 80 Les figures 10& à 10 1 aident à. expliquer la description des fîgu- res 9 à 11 µ et
La figure 11 est un schéma de montage d'une variante de la figure 9.
Des procédés et dispositifs ont été proposés pour la stabilisation des oscillateurs dans lesquels on utilise comme étalon de fréquence une ligne
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d'absorption d'un gaz. Dans de tels dispositif'S9 l'oscillateur stabilisé est un oscillateur à micro=ondes et l'on ne peut obtenir une fréquence plus basse stabilisée que par des procédés indirects au moyen de diviseurs de fréquence par exemple. Grâce à la présente inventions la fréquence d'un oscillateur à
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haute fréquence moyenne ou relativement basse, tel que ceux fonstionnant dans la gamma des dizaines au centaines de mégacycles peut être directement cammn- dée par un gaz en utilisant le phénomène de la 'nodulation résonnante ul.
Ce phénomène peut éltre compris dans la mesure nécessaire en se référant aux: figures JA9 1B et 2À à 2Do La figux IA montre trois états ou ni- veaux énergétiques possibles (Va, W9 W. avec Wc > Wb > TATa) ,l'une molécu- le gazeuse. Pour simplifier l'expose , 1?on suppose, comme e9est le cas pour le COS (sulfsre carbonyle), que la fréquence de transition Y aC$) où / ar-
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!c = !Ma 9 se trouve dans la région des micrxondesa tandis qu'une seconde fzô- h
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quence de transition Y ab, où Y ab à-- c4) 0 g: Wb - Wa.a est une fréquence h
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beaucoup plus basse envïron 40 mégacycles pour le--COS). L'on suppose aussi que les transitions Wa <=# Wc et la+-+ Ni- peuvent se faire dans les
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deux sens.
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Quand on applique au gaz un champ ayant une fréquence Co égale ou voisine de la fréquence de transition inférieure 1 abe les niveaux énergéti- ques Wag Wb de la figure là se subdivisent chacun!) comme indiqué à la figu- re 1B en une paire-de niveaux énergétiques (Wb+ 9 V5 9 Wa 9 Wg[ )0 les ni- veaux de chaque paire étant séparés par l'énergie h y ( h étant la constante de Planck ) de façon que les absorptions de micro-ondes pairëes à des fré-
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quences W W9t' et W - W:IIi' diffèrent d'une fréquence qui, pour le c a h h
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cos, est de 190rdre d9un mégacycle quand Pintensité du champ a fréquence cJ
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vaut quelques volts.
En appliquant seulement au gaz un champ micro-ondulatoire, le gaz,
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comme le montre la figure 2A$1 présente de l'absorption sélective à la fréquence de transition y ac9 à condition bien entendu-que le gaz ait une pression
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suffisamment basse, par exemple, de l'ordre de 10 millimètre de mercure.
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Quand on applique simultanément les deux champs la ligne 7 ac se subdivise, comme le montrent les figures ZBg 20 et 2De en deux lignes d'absorp- tion ayant des fréquences Y etyaco Le champ micro-ondulatoire doit être relativement faible de façon a rendre des transitions Wg# W. moins proba- bles que des transitions Ni. # Wa- L9intensité relative de ces deux lignes ou des composantes de la ligne initiale y ae peut être exprimée comme suit s
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+ -7' z où V =/ oE 16 ' = moment dipolaire permanent de la molee'oleo B = intensité du champ électriqueo
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1 = intensité ou amplitude d-labsorptlonô Les rapporte intéressants, indiqués aux figures 2B à 2D sont g
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Quand " "a 9 1. là--> .
Q,a g a#'B 1.
--* Quand W > w 09 a -> 0 / 1.
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LJ est la fréquence d9oselllateur à stabiliser.
En bref!) 19 intensitél relative ou la différence entre les intensités des deux lignes d9absozption produites par modulation résonnante de la ligne Y ac dépend!) en sens et en amplitude de ce que la fréquence ( W ) du champ
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appliqué est supérieur égale ou inférieure à la fréquence de transition la
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plus basse ,V 0 := y ab du gaz.
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De même quand on applique à la fois au gaz de 1? énergie mïcro-ondu- latoire ayant la fréquence de transition mîcro-ondulatoîre y bc ( où Y bc = Wc - -b ) et de 19énergie à fréquence plus basse égale à ou voisine de la fré- h
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quence de transition inférieure Y ab 9 la ligne Y be se subdivise en deux lignes d'absorption ayant des fréquences respectivement quelque peu supérieu- re et inférieure à la fréquence micro-ondulatoire t bo et dont l"intensité relatives ou la différence entre les intensités est une mesure directe de la différence entre la fréquence de transition inférieure '/ ab et la fré-
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quence du champ appliqué à.
fréquence basseo Plus exactement si un champ à fréquence d?oscillateur est appli- qué au gaz pendant qu'on observe la ligne d'absorption de micro-ondes y a g
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w9 -- Wa celle-ci se subdivise quand la fréquence de l'oscillateur est h
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égale à la fréquence Y abo L'importance de la subdivision dépend de hinten- sité du champ oscillateur appliqué et les intensités relatives des deux com- posantes de la ligne subdivisée dépendent de la dérive par rapport à la fré- quence de transition inférieure et, de plus, le sens du rapport des intensités
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dépend de ce que la fréquence ( ) du champ oscillateur est supérieure ou
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inférieure à la fréquence intérieure de transition tÙ 0 gg 'f ab m Wb - Wa .¯. n.¯.
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On a ainsi défini une fréquence 0 avec grande précision au moyen de propriétés moléculaires, cette fréquence pouvant être utilisée comme étalon pour la stabilisation de fréquences.
Pour stabiliser les fréquences en se basant sur le principe de la modulation résonnantes, il suffit de comparer les intensités relatives d'une paire de lignes d'absorption de subdivision avec une précision bien moindre
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( environ ,/8C3 pour du COS ) que la précision de fréquence demandée pour la stabilisation. La sortie du circuit comparateur dintensités ( qui sous une forme simple peut être constitué d'une paire de redresseurs de pointe comman-
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dés par déclenchement ) est utilisé cérame "tension deerreur " pour corriger le fréquence de lyoseîll;Eteur.
Divers dispositifs de même nature, mais d'exéeutiops différentes., utilisant le phénomène de "modulation résonnante Il pour la stabilisation d'un oscillateurs, sont décrits ei-apreSo Comme le montre la figure 3 une chambre hermétique 10, qui peut
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être une partie de guide deondeg contient, à une pression suffisamment basse,, un gaz,, tel que du COS,, ayant une molécule avec au moins trois états ou ni- veaux énergétiques possibles. Le gaz est excité sur une de ses fréquences
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micro-ondulatoires de tzansition, par exemple y acs au moyen d'énergie y ame - née par une ligne de transmission convenable, du type guide d'onde ou câble concentriques et venant d'un oscillateur à micro-ondes 11.
La cellule 10 est munie à ses extrémités de fenêtres en quartz ou matière analogue, transparen-
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tes à l'énergie micro-endulatoireo Le gaz est aussi soumis à un champ dont la fréquence correspond à, ou est décalé d'une quantité déteminée dune secon- de fréquence de transitions, par exemple / ab. Ce champ est établi au moyen
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de l'énergie de l'oscl1.la:#ur 12, ou d'un amplificateur (ou multiplicateur de fréquence ) inséré entre l'oscillateur et les électrodes de champ 13, ou d'un dispositif analogue. Le décalage de fréquence peut être obtenu en déri- vant une fréquence de battement choisie de 1'oscillateur stabilisé 12.
Le gaz étant excité simultanément par les oscillateurs 11 et 129
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la ligne deabsorptîon normale Y as ( fîg. 2A) se subdivise en deux lignes de absorption Y ac et Y o ( fige. SB 2C9 D)9 de sorte que le gaz présente maintenant de l'absorption sélective sur deux fréquences respectivement su- périeure et inférieure à la fréquence micro-ondulatoire de transition.
La
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sortie de leosciuateur 11 est modulée, par l'oscillateur de battement 25 par exemple,, de manière à produire deux bandes latérales d'énergie micro-ondu- latoire ayant des fréquences respectivement égales à la fréquence de l'oses-
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lateur à micro-ondes fo plus et moins la fréquence f3 de l'oscillateur de bat- tement La fréquence f de 19oseîllateur de battement est choisie de façon que les fréquences des bandes latérales supérieure et inférieure correspondent aux fréquences de la ligne d'absorption subdivisée 1 ac et Y c" Cela étant.,
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si la fréquence de l'oscillateur 12 correspond exactement à la fréquence de transition inférieure Y ab du gaz,
les deux bandes latérales sont absorbées également came le montrent les courbes AB de la figure 2B dans le dis- positif de la figure 3 le procédé de mesure est continu, au lieu d'être cycli- que ou d'être un 'échantillonnage. Si la fréquence de l'oscillateur 12 est su- périeure ou inférieure à la fréquence de transition Y ab' les bandes latérales sont absorbées inégalement,, en général comme indique par les courbes A, B des figures 20 et 2D.
Pour déterminer l'absorption relative des deux fréquences de bande latérale l'énergie micro-ondulatoire non absorbée par le gaz est envoyée
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dans deux filtres de micro-ondes z et 1l.B respectivement accordés sur les fréquences (w 0 + 1'3) et (w 0 - f ) comme le montrent les courbes X et Z de la figure 2Eo Les énergies débitées par les filtres Mal! Mb sont dé- tectées par exemple par des redresseurs 15A et 15B ayant un circuit de sor- tie commun 16Les polarités des redresseurs sont telles que la sortie du circuit 16, mesurée par un voltmètre sensible, est proportionnelle à la sor- tie différentielle des redresseurs intégrée dans le circuit 16.Les filtres
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14A9 lh.B peuvent être maintenus continuellement en circuit, comme indiqué.,
ou bien ils peuvent être mis alternativement en circuit à une cadence assez élevée
Un atténuateur peut être interposé entre l'un ou l'autre des fil- tres 14A et 14B et la chambre 10 de façon que la sortie du circuit 16 soit
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nulle quand la fréquence ( ) de l'oscillateur 12 correspond à la fréquence de transition Y ab du gaz. Quand la fréquence de 1-loseillateur 12 s'écarte de la fréquence de transition / a1;l9 la sortie d'un des redresseurs augmente et celle de l'autre diminue simultanément,la polarité et l'amplitude de la tension de sortie du circuit 16 correspondant au sens et à 1-importance de la dérive de fréquence.
Si l'on veut stabiliser manuellement la fréquence de 1' oscillateur 12, un opérateur observant l'appareil de mesure 17 peut retoucher la commande d'accord 18 de l'oscillateur 12 de manière à obtenir une lecture
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zéro,, Si l'on veut stabiliser automatiquement la fréquence de 1"oscillateur 12, la sortie du circuit 16 peut être appliquées par la ligne 19 par exemple,, à un tube à réactance ou un autre dispositif connu de commande de la fréquen- ce de l'oscillateur..
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Le dispositif de la figure 3 peut aussi servir à mesurer ou à C01U=, mander la fréquence de l'oscillateur J2$) quand un des filtres 14A ou 14B est accordé sur la fréquence y c et l'autre sur l'une ou l'autre des fréquen- ces de bande latérale (y ou 't - ) a pourvu que le gaz contienne des molécules appropriées qui, ac.. bdaco.
sous lAO .D>l do champ molécules appropriées qui, après subdivision sous leinfluence d9un champ fréquence wl Y gaz gardent un niveau énergétique résiduel Wa en plus des nouveaux niveaux W 9 w a
Comme le montre la figure 4 dans laquelle, ainsi que dans les fi- gures suivantes, les éléments identiques à ceux de la figure 3 portent les
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mêmes réfoérences.9 1énergie à micro-ondes non absorbée par le gaz dans la chambre 10 est balayée de façon répétée par un filtre réglable l4Co Par exem- ple, un piston ou membrane d.9accord de filtre 7,.C peut recevoir un mouvement de va-et-vient d'un générateur ou mécanisme de balayage 20.
La fréquence de
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résonance du filtre 1(,.C traverse ainsi de façon répétée une gamme de fré- quences comprenant les fréquences de modulation résonnante Y ae et Y acs) de façon que la sortie du filtre 14C,détectée par le redresseur 15 et reprodui-
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te par un oscilloscope l7A.9 consiste en une paire d'impulsions Ma9 Mb pour chaque cycle de balayage du générateur 20 (figo 2F) Le balayage horizontal de l.9oscilloscope peut être synchronisé de façon classique avec la fréquence de balayage du générateur 20.
Quand la fréquence de l'oscillateur 12 correspond à la fréquence de transition / ab du gaz, les deux impulsions ou pointes ont la même ampli- tude parce que les absorptions sont égales (fige 2B), tandis que lorsque la
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fréquence de leoseillateur 22 est supérieure ou inférieure à la fréquence de transition Y aba les pointes ont des hauteurs inégales à cause de 1'inégalité
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des absorptions figures 20 et 2D.
Ainsi un observateur regardant l'écran de l'oscilloscope peut retoucher la commande d'accord 18 de l'oscillateur 12 de manière à rendre les amplitudes des impulsions observées égalesPour la com- mande automatique de la fréquence de l'oscillateur 12,les deux impulsions de sortie du détecteur 15 peuvent être appliquées à un circuit comparateur convenable 16A,dont les formes d'exécution précises seront décrites plus loin en détail, de manière à produire une tension de commande de fréquence dont la polarité et l'amplitude dépendent du sens et de l'importance de la dérive de fréquence de l'oscillateur 12.
Quoique les dispositifs des figures 3 et 4 aient l'avantage de la simplicité? ils présentent le défautsi on désire une sérieuse stabilisation
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de l'oscillateur 32g de devoir maintenir constantes les fréquences de l.9osc31.lateur à micro-ondes 11, de l'oscillateur de battement 25 et des filtres à accords fixes 14A et 34B de la figure 39 car toute variation de ces fréquences provoque une variation différentielle de l'amplitude des lignes d'absorption aux fréquences 'Y c et y ;:
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Ces défauts sont supprimés dans le dispositif de la figure 5 où la fréquence de l'oscillateur à micro-ondes 11 est balayée de façon répétée dans une gamme de fréquences comprenant les fréquences de modulation résonnante
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y et / go Si l'on suppose que le générateur de balayage 2Q& produit une onde de sortie en dent de soie, la fréquence de l'osci1J.ateur à micro- ondes 11 balaie périodiquement une gamme de fréquences comprenant les fré- quences de modulation résonnante, comme indiqué graphiquement à la figure 2F.
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Quand la sortie de l'soil7.atet 3 est moduléea à des audio ou vi- déof'réquences9 la période P du générateur de balayage doit être choisie en de- hors de la gamme des fréquences de modulationo Pour de telles utilisations du
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présent dispositif ou d'autres dispositifs décrîte., la sortie de l'oscilla- tour 12 est de préférence appliquée à une antenne ou une autre charge 21 après amplification dans un amplificateur de puissance 22.
Comme la modulation est normalement appliquée à un étage amplificateur placé derrière l'oscillateur 12, aucune modulation ne peut apparaître dans les circuits de commande de fré- quenceo
Dans ce dispositif? pour chaque cycle de balayage du générateur
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2019 la sortie du détecteur 15 consiste en une paire dilimpolaïons espacées Mag Mb qui ont la même amplitude quand la fréquence de l'oscillateur 12 corres-
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pond à la fréquence de transition y a du gaz, parce que dans ces conditi- ons les absorptions sont égales (figo 2B) Quand la fréquence de 1-oscilla- teur 12 s'écarte de la fréquence de transition Y aba l'une ou l'autre des deux impulsions a une amplitude plus grande que l'autre suivant le sens de la dérive.
L'intensité relative des impulsions est pratiquement proportion-
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nelle à 1-limportance de l'écart de fréquence. Les amplitudes des impulsions sont inégales à cause des absorptions inégales aux fréquences Y , 9 y 9 comme expliqué lors de la description des figures 20 et 2Do ac ac
Les deux impulsions débitées par le détecteur 15 sont appliquées au comparateur 16A qui produit une tension unidirectionnelle de commande de fréquence qui varie en polarité et en amplitude avec la dérive de fréquence
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de leoseillateur 12.
Dans le dispositif de oomnande automatique de fréquence représen- bzz la figure 6. la comparaison des intensités des impulsions palpées du redresseur 15 est faite au moyen de deux redresseurs de pointe 6A et 26B qui sont actionnés à leur tour de manière à fonctionner lors de la première et de la seconde impulsions des paires successives. Le circuit de déclenchement doit être commandé par une des deux impulsions,, ou par une impulsion dérivée de 1' une d'elles, afin d'éviter un glissement entre l'impulsion de déclenchement et les impulsions proprement dites. Ceci peut se faire de différentes façons dans le dispositif simple de la figure 6, la sortie du redresseur 15 est appli- quée à la grille de commande du tube 30.
Un amplificateur peut être interposé
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entre le redresseur 15 et le tube 30 s'3e. le faut ou si on le désire. Le tube
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30 est normalement ou initialement conducteur,de sorte que sa tension anodi-
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que est au début inférieure à la tension dlalimentatîon plaque d'une quanti- té correspondant a, la chute de tension dans la résistance d'anode 33.La gril- le de commande du tube 30 est reliée à la borne positive de la source de ten-
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sion plaque par l'i.l1te:rmédiaire d'une résistance élevée 31 et est de ce fait légèrement positive par rapport à la cathode.
Dans ces conditions, quand la première des deux impulsions positi-
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ves Map Mb se produit, lelmpêdance du condensateur de grille à pour la òr- me d'onde coneldéréep est grande comparée à la résistance grille-cathode et le condensateur 32 fome de ce fait avec la résistance 31 un circuit différen- ciateuro L'extrémité grille du condensateur 32 se charge négativement et met le tube 30 au out-off.
Le temps de cut-off est réglé par la constante de temps du circuit 3le 32 qui est predéteminée ou réglée de façon que le tube 30 se maintienne au cut-off ou reste non conducteur jusque"a l'apparition de la se- conde (Mb) de la paire d'enveloppes ou impulsions d'absorption. L'impulsion de sortie relativement longue du tube 30 est appliquées, par exemple par la
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ligne 34g au circuit de déclenchement pour actionner les diodes 69 26Bp com- me décrit en détail plus loin.
La paire d-ïmpulslons débitée par le redresseur 15 passe aussi dans un circuit de retard 35 permettant au tube de commande de déclenchement
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30 d-ouvrir le circuit-porte un rien avant l'apparition des impulsions ou en- veloppes pairées dans le circuit de comparaison 16B.La sortie du circuit de retard 35 consiste en ou contient la paire d'impulsions enveloppes.
Dans la forme d'exécution de la figure 6p le circuit-porte 27 com- prend les tubes 36 et 37 reliés entre eux classiquement de manière à former
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un multiribrateur dont la mise en et hors service est réglée par les impul- sions de déclenchement débitées par le tuba 300 Plus exactement, une batterie de polarisation fixe 41 ou équivalent,est connectée entre la cathode et la
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grille xa 1 du tube 36g et celle-ci est reliée à travers un circuit résistance-condensateur 43 z, la grille nO 2 du tube 37e reliée à son tour à la borne positive de la source de tension anodique par l'mtermédia1zi3 d'une résistance ±2 .
La grille nD 1 du tube 37 est reliée à la cathode de ce tube à travers une résistance de polarisation 38 couplée par un condensateur 39 ta la grille nO 2 du tube 36. Les grilles n 3 et n 5 des tubes sont reliées à la borne positive de le. source de tension anodique par des résistances 47 47"
Le tube 37 est normalement ou initialement conducteur. Une impul- sion de déclenchement du tube 30 met le tube 36 en service et le tube 37 hors service un rien avant que les impulsions retardées sont appliquées aux grilles n 4 des deux tubes.
La première impulsion de chaque paire apparaît en con- séquence dans le circuit anodique du tube 36 et est appliquée par le conden-
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sateur 4( sur la diode 26k La constante de temps du circuit résistance-con- densateur 38,39 est choisie ou prédéterminée de façon que le tube 36 se mette hors service et le tube 37 revienne en service un rien après le passage de la
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première impulsion de la paire, mais avant 1?apparitin de la seconde impul- sion. La seconde (Mb) de la paire d' impulsions ou enveloppes apparaît donc dans le circuit anodique du tube 37 et est appliquée par le condensateur 40B sur l'autre diode 26B.
La tension de sortie unidirectionnelle du circuit comparateur 16B
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comprenant les diodes connectées en opposition 26A,9 26Bp est nulle quand les deux impulsions (Nia9 M) ont la mène amplitude,, Comme il a été expliqué cet état se présente quand l'énergie micro-ond'olatoira est absorbée de façon égale aux deux fréquences de modulation résonnante Y et Y o Comme explique aussi avec référence aux figures et 2D, tt. alitéad'absotion ne se produit que lorsque la fréquence de l'oscillateur 12 est égale à la fré- quence de transition inférieure y ab du gaz.
Quand la fréquence de l'oscilla- teur 12 glisse au-dessus ou en-dessous de la fréquence de transition inférieu-
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re y a la tension de sortie du circuit de comparaison dl'amplîtudes 16B a une polarité et une valeur correspondantes. Ainsi la tension de sortie du com- parateur 16B est une tension d'erreur qui peut être appliquée de manière con-
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nue, par exemple , .un dispositif à tube de coùmlande ou à réactance 50p pour
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stabiliser automatiquement la fréquence de l'oscillateur 12.
Avec le dispositif de la figure 6 et les suivants,,il ne faut pas
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stabiliser la fréquence de l'oscillateur à micro-ondes il9 car on peut s'arm ranger de façon à prédéterminer la gamme de balayage de telle manière qu'elle contienne toujours les deux lignes d'absorption malgré la dérive de fréquence moyenne de l'oscillateur 11. Ce dispositif évite aussi l'emploi de circuits
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a micro-ondes accordés tels que 14A et 1l.B â la figure 3s qui posent des problèmes difficiles de construction et de fonctionnement si l'on veut main- tenir une fréquence de résonance très précise et stable.
La fréquence à laquelle l'oscillateur 12 est stabilisée peut va- rier dans d'étroites limitesdans tout dispositif décrit ici$ en modifiant l'intensité du champ de l'oscillateur appliqué par les électrodes 13,ou équi- valent., au gaz dans la cellule 10. On connecte de préférence une commande au- tomatique de gain 51de tout type appropriée à l'oscillateur 12 afin de main- tenir l'intensité du champ à fréquence basse appliquée au gaz, constante, à
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un niveau prédéterminé ou réglé. Le réglage de 1? mtensité peut se faire en règlant le niveau de commande de la commande automatique de gain 51.
Des variantes du dispositif de la figure 5 n'employant pas de com-
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mande de déclenchement peuvent utiliser des comparateurs d9anpulsions tels que représentés aux figures 9 et 11. La figure 8 représente, en schéma-bloc, un dispositif de commande automatique de fréquence ne nécessitant pas de cir- cuit-porte et servant d'exemple pour les dispositifs précitésles éléments et connexions de circuit de deux telles formes d'exécution étant représentés plus en détail aux figures 9 et 11 et décrits plus loin.
Dans le dispositif représenté à la figure 8, la gamme de fréquences balayée par l'oscillateur à micro-ondes 11 est réglée automatiquement de maniè- re à maintenir égal l'intervalle de temps entre les impulsions successives pro- duites par la détection de l'énergie micro-ondulatoire non absorbée par le gaz
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dans la cellule 10 ; .; c'est-à-dire comme indiqué à la figure 7AS) l'intervalle de temps Ta m Tb séparant les impulsions d'une paire (Mag Mb) produite par chaque absorption ou intervalle de balayage est le même que l'intervalle de
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temps Tb - Ta séparant la seconde impulsion (Mb) d'une paire et la première impulsion ( Ma) de la paire suivante.
A chaque différence dans ces intervalles de temps, la gamme de balayage ou bande de fréquences de l'oscillateur sélar- git ou se rétrécit automatiquement suivant le casde façon à rendre les impulsions également espacées ce qui rend superflu l'emploi d'un circuit-por- te pour le comparateur d'impulsions 16C.
La fréquence de récurrence du générateur de balayage 20A de l'os- cillateur à micro-ondes U est réglée par un multi-vibrateur 60, déclenché ou commandé à son tour par un multi-vibrateur 61 fonctionnant au double de cette fréquence. Les Impulsions à fréquence double débitées par le multivibrateur 61 sont aussi appliquées à un circuit d'entrée d'un détecteur de coïncidence 62 dont l'autre circuit d'entrée reçoit les paires d'impulsions M des lignes d'absorption venant du détecteur 15. Les impulsions redressées D du multivi- brateur 61 sont toujours également espacées dans le temps et servent d'étalon d'intervalle de temps.
Les impulsions débitées par le détecteur 15 sont aussi également espacées pour autant que la relation entre les lignes de modula-
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tion résonnante Y + 9 y = du gaz et la fréquence micro-ondulatoire balayée., représentée à la figure 7'fl soit maintsnuaa Dans ce cas, les impulsions succes- sives correspondantes D et M des deux séries sont appliquées respectivement à l'un et à l'autre circuit d'entrée du détecteur de coïncidence 62 simultané- ment, et la sortie du détecteur 62 est nulle.
Si au contraire l'intervalle entre les impulsions Ma et Mb d'une paire dans le circuit de sortie du détec-
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teur 15 est plus grand (fig. 7B) ou plus petit (figo 70) que l'intervalle en- tre la seconde impulsion M d'une paire et la première impulsion Ma de la pai- re suivantes, le détecteur e coïncidence 62 développe aux bornes du circuit
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100 une tension de sortie dont la polarité dépend de l'intervalle qui est le
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plus grand et dont 12Jamplitude dépend de la grandeur de la différence entre les deux intervalleso
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Plus exactement,
quand 1-'Intervalle entre les impulsions d'une paire à la sortie du détecteur 15 est plus grand que 1?intervalle entre deux paires la tension de sortie du détecteur 62 appliquée par une ligne ou un ca-
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nal 53 à 1-lamplîfîoat±-ur 63 du générateur de balayage 2,0A!) a la polarité vou- lue pour rétablir le gain de 1-lamplîficateur de manière à augmenter la gamme de fréquences balayée par le générateur de micro-ondes 1121 de la largeur de
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gamme trop faible de la figure 7B à la largeur de gamme normale représentée
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a la figure 7tao
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Inversement., quand l'intervalle entre deux paires est plus grand
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que llint8rvalle entre les impulsions D.
la polarité de la tension de sortie du détecteur 62 est de signe opposé de manière à diminuer le gain de llamplî- ficateur 63 et à rétl's@11' la gamme de balayage de la largeur anormale de la figure 7C à la largeur de gamme normale de la figure 7A En bref, le détecteur de ooiheidences 62 règle la gamme de balaya- ge de l'énergie micro-=ondulatoîre de manière que les impulsions pairées (Ma Mb) produites durant les balayages successifs soient espacées de la même
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façon que les paires successives elles-mêmese
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Sur la figure 9p comme 1-lintervaUs de temps entre les impulsions M de lignes d9absorp.ïon eht maintenu constant, conformément à l'exposé ci- dess,-s, par le détecteur de co3lncidences 62A la différence en amplitude des deux impulsions (Ma9 9 M,)
d'une paire peut être déterminée en mesurant le dé- phasage entre le premier terme de la série de Fourier dérivée de la paire d' impolsions et le premier terme de la série de Fourier dérivée des impulsions
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étalons d9intervalle de temps correspondant à la fréquence de balayage ou ti-
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rées de celles--cïp toutes au double de la fréquence de récurrence. Le compa- rate d'amplitudse de l'invention peut dons ici un type approprié de comparateur de phases classique.
Comme le montre la figure 9 le comparateur 16D peut comprendre un circuit redresseur à quatre diodes 64A à 64D. ou équi- valent, dont les bornes d'entrée 65 66 reçoivent, à travers le filtre 679 Je s composantes appEQpriées de fréquence des impulsions de sortie du détecteur 15 Le filtre 67 favorise le passage de la fondamentale de la fréquence de lo[E!(illateuJ1.' de balayage 20B et atténue ou arrête les hamoniq#s le filtre a aussi de préférence une forme d'onde de sortie pratiquement sinusoidaleo Lautre paire de bornes d'entrée 68s 69 du comparateur 16D reçoit à travers le filtre 709 la sortie du mtùtivib!1'ateur à fréquence double 61A. Ce filtre
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avantage le passage de la fréquence fondamentale des impulsions du multivi( brateur et supprime ou atténue les harmoniques.
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Quand les deux entrées du ocmparateur 16D sont en phase ce qui ne se produit que lorsque les impulsions sueoesaives de modulation résonnante M ont la même amplitude la sortie @ombinée des redresseurs 64A à 64D apparais- sant aux bornes da intégrateur 71 est n'allée Quand les entrées ne sont pas en phase, ee qui se produit quand les impulsions de ligne d'absorption d-1 une paim (Mag Mb) ont des amplitudes difféitantes, la polarité de la tension de sortie du comparateur 16D dépend de 121 impùÙsic n de la paire qui est la plus grande et sa grandeur dépend de la différence entr's les amplitudes des impul- sions.
Donc, la sortie du I(]#parateur 16D!) entre ses bornes 69 et 72!) dépend en polarité et grandeur du sens et de l8inpJxtta ee de la dérive de fréquence de l@os@illat8Ul" 12 par rapport à la fséqnenee de transition inférieure )é ab du ga Lors de la lecture de la desoription des figures 9 et 112 on se reportera, avantageusement aux figures 1Q&. à 10 1 qui représentent la forme des ondes se Produisant en des poiJ1ts dé terminé s des cîrouîte.
D1:;ne la forme d?exécution de la figure 9g le malti-vibrateur 6lA envoyant les impulsions étalons d'intervalle de temps D au détecteur de coîn- cidences 62A et au comparateur l6D comprend une paire de tubes 73, 74 dont les anodes et les grilles de commande sont reliées entre elles croîsées,, au moyen de condensateurs de couplage 75 il 750 La sortie du tube 73 envoie les im-
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pulsions au double de la fréquence de balayage par une ligne ou canal 76 au comparateur l6Do La sortie du tube 74, différentiée dans le circuit à résis- tance-condensateur 77,78 est appliquée, par la ligne ou canal 79, à un cir- cuit d'entrée du détecteur de coïncidences 62A. Les impulsions positives D sont utilisées comme étalons d'intervalle de temps.
Si l'on désire utiliser des Impulsions négatives, le circuit différenciateur 77, 78 doit être con- necté au tube 73 et non au tube 74.
Le second multivibrateur 60A, dans la forme d'exécution de la fi- gure 9, comprend une paire de tubes 80, 81 dont les anodes et les grilles de commande sont reliées entre elles croisées, au moyen de condensateurs de cou- plage &,, 82. Les grilles de commande de ces tubes sont aussi couplées au moyen de condensateurs 83 83 au circuit anodique du multivibrateur 61A.
Les impulsions de sortie du tube 81 du multivibrateur 60A,à fréquence de balaya- ge f1, sont utilisées pour la commande du générateur de balayage 20B, qui,, dans la forme d'exécution de la figure 9, comprend un tube thyratron 84 dont la grille de commande est couplée par un condensateur 85 au circuit anodique du tube 81 et dont l'anode ou le circuit de sortie est convenablement couplée avec un amplificateur de balayage 63.
Quoique d'autres types puissent être utilisés$) dans la forme d'exé- cution de la figure 9le détecteur de coincidences 62A comprend deux paires de diodes 85,87 et 86988 avec des circuits à résistance et condensateur 90, 91 reliant les anodes d'une paire et les cathodes de l'autreo La sortie dif- férenciée du multivibrateur 61A est appliquée aux bornes d'entrée 92993 du détecteur 62A pour lui donner les impulsions étalons d'intervalle de temps, et les autres bornes d'entrée 94, 95 du détecteur reçoivent les paires d'impul- sions Ma, Mb, nommées ensemble M, tirées par le détecteur 15 de l'énergie mi- cro-ondulatoire non absorbée de la cellule 10.
Comme le type de détecteur de coïncidences 62A exige une entrée M en push-pull, on interpose entre ses bornes d'entrée 94-95 et le détecteur 15un étage inverseur classique comprenant un tube 96 ayant des résistances de sortie semblables 97, 98 placées respectivement dans ses circuits d'anode et de cathode. Ainsi les impulsions de ligne d'absorption de même polarité M appliquées à la grille de commande du tube 96 sont converties en impulsions push-pull de polarités opposées que l'on applique par des condensateurs de couplage 99,99 aux bornes d'entrée 94,95 du détecteur de coincidences.
Comme expliqué plus haut en se référant à la figure 8, la sortie du détec- teur de coïncidences apparaissant entre les bornes 92, 101 de la figure 9 est appliquée à l'amplificateur de balayage 63 afin de maintenir l'intervalle de balayage de l'oscillateur à micro-ondes :
il de manière à tenir les impulsions de ligne d'absorption successives également espacées (figo 7A) afin d'éviter la nécessité de déclencher le comparateur d'impulsionso
Dans la matérialisation de la figure 8 représentée à la figure 11, les impulsions étalons d'intervalle de temps appliquées au détecteur de coin- cidences 62A sont dérivées,\) comme à la figure 99 par différenciation de la sortie du multivibrateur 61A.
Cependant les impulsions étalons d'intervalle de temps D appliquées au comparateur d'amplitudes sont dérivées, non du mul- tivibrateur 61A comme à la figure 9, mais par différenciation de la sortie du multivibrateur 60A dans le circuit 102, 1030 Comme l'étude si-après le montrera les filtres 67 et 70 servant à appliquer les impulsions étalons d' intervalle de temps au comparateur d'impulsions sont accordés sur la fréquen- ce fondamentale du multivibrateur 60A,au lieu du double de la fréquence obte- nu du multivibrateur 61A, comme c'était le cas à la figure 9. Le fonctionne- ment du reste des circuits est alors basé sur une phase fixe à amplitude va- riable plutôt que sur une phase variable.
Le résultat final est le même puis- que la sortie du comparateur a une polarité et une amplitude fonctions de la différence entre les amplitudes des impulsions de ligne d'absorption et con- vient donc pour la commande de la fréquence de l'oscillateur 12.
Les filtres 67 et 70 de la figure 11, conformément à ce qui précède, favorisent la fréquence fondamentale et excluent les harmoniques.. La forme d'onde de sortie de la fondamentale est pratiquement sinusoïdale.
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Le comparateur 6E de la figure 11 peut être de tout type convena- ble, tel que celui de la figure 9., ou du type représenté à la figure 11 dans lequel les impulsions étalons d'intervalle de temps venant du multivibrateur 60A sont appliquées en phase aux grilles n 3 des pentodes 104, 105.Les im- pulsions de ligne d'absorption venant du détecteur 15 par le filtre 67 sont appliquées en opposition de phase ou en push-pull aux grilles n 1 des mêmes tubes..Les sorties des deux tubes sont intégrées dans les circuits à résistan- ce et condensateur 108, 109 et la différenciation de ces sorties,, dont la po- larité et l'amplitude dépendent des amplitudes des impulsions de ligne d'absorp- tion d'une paire,
paut être appliquée à l'oscillateur 12 pour stabiliser celui- ci à la fréquence à laquelle l'amplitude relative des impulsions est égale à l'unité, auquel cas - somme il a été dit plusieurs fois - la fréquence de 1' oscillateur correspond à la fréquence de transition inférieure y ab du gaz se trouvant dans la cellule 10,,
Le dispositif de la figure 11, comme celui de la figure 9, con- vient pour des fomes d'impulsion autres que des impulsions rectangulaires horizontales.
REVENDICATIONS
1. Dispositif pour la commande de la fréquence d'un oscillateur com- prenant une chambre contenant un gaz dont la molécule a au moins trois états énergétiques possibles, caractérisé en ce qu'il comprend une source de micro- ondes pour appliquer au dit gaz un champ micro-ondulatoire dont la fréquence correspond à une première fréquence de transition entre deux des états éner- gétiques un dispositif pour appliquer simultanément au dit gaz un second champ dont la fréquence correspond à une seconde fréquence de transition éga- le à ou en rapport fixe avec la fréquence à laquelle l'oscillateur doit être stabilisé..
la seconde fréquence de transition se trouvant entre un troisième état énergétique et un des deux états énergétiques précités du dit gaz, afin de produire une absorption sélective de l'énergie micro-ondulatoire à deux fréquences de modulation résonnante respectivement supérieure et inférieure à la première fréquence de transition, et un appareil pour comparer les absorp- tions relatives d'énergie micro-ondulatoire à deux de ces fréquences micro-on- dulatoires,la sortie ou l'indication du. dit appareil servant à régler la fré- quence de l'oscillateur de manière à obtenir des absorptions égales et mainte- nir ainsi l'oscillateur à la fréquence désirée.
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CONTROL OF THE FREQUENCY OF AN OSCILLATOR BY RESONANT MODULATION
OF A GAS.
The present invention relates to a device and an apparatus for using, for controlling the frequency of an oscillator, a gas having a molecule in at least three possible energy states.
According to the invention, a micro-wave field is simultaneously applied to the gas having a frequency corresponding to the transition frequency between two energy states, and a high frequency field equal to the frequency of the oscillator or shifted by a determined quantity in relation to it. The frequency of the oscillator is itself equal to, or shifted by a determined quantity with respect to a second transient frequency between another pair of energy states of the gas so as to produce, by resonant modulation, of the selective absorption of microwave energy at two frequencies, respectively somewhat higher and lower than the transition frequency mentioned in the first place.
The absorptions corresponding to these two frequencies are a direct measure of the deviation of the oscillator frequency or offset with respect to the second transition frequency of the gasoline The frequency of the oscillations produced by the oscillator can thus be maintained per second transition frequency or at a frequency shifted by a determined amount thereof, by varying a frequency control of the oscillator so as to maintain substantially the equality between the microwave absorptions at the two aforementioned frequencies selective absorption or resonant modulation.
In the preferred methods and devices, the frequency of the micro-wave field is repeatedly shifted across a range of frequencies comprising the two resonant modulation frequencies which are respectively higher and lower than the micro-wave frequency. initial transition.
The micro-wave energy transmitted by the gas is detected so as to produce with each sweep, a pair of time-shifted pulses whose relative amplitude, or the difference between amplitudes, is an accurate measure of direction and of the importance of the drift in bone frequency
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or offset from the second-quoted gas transition frequency The oscillator frequency is controlled automatically by means of a control voltage of varying polarity and amplitude derived from microwave absorptions at both frequencies resonant modulation.
The pairs of pulses from each sweep of the microwave frequency can be applied to a comparator circuit whose voltage
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output which can be used for controlling the oscillator frequency, has a polarity which is a function of the direction of the frequency drift and an amplitude which is a function of the magnitude of this drift.
In some forms of the invention the comparator circuit is triggered by one of the two pulses of each pair or by a pulse which
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is derived therefrom while in other forms of the invention the scanning interval is controlled avoiding the use of a trigger device.
The applied high frequency field strength can be adjusted to vary, within small limits, the second frequency of
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gas transition. If the frequency of the oscillator is to be precisely adjusted, the corresponding field strength applied to the gas must be stabilized to a predetemia or adjusted value.
In order for the invention to be fully understood, reference will be made hereinafter to the appended drawings which represent several embodiments thereof and in which FIGS. 1A 9J and 11 to 2F serve to explain the principles of the invention and the operation of the invention. 'sonf'ssmes devices to this one.
Figures 34 and 5 schematically show various frequency measuring and control devices using resonant gas modulation,
Figure 6 is a modification of Figure 5 in which the
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d. comparator, Jpulses is trigger controlled.
Figures 7A to 7C assist in explaining the description relating to Figure 80
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FIG. 8 is a diagram of a variant of FIG. 5 without control by triggering the comparator d1l: im.pulsionso FIG. 9 is a circuit diagram of elements which can be used in the device of FIG. 80. 10 & to 10 1 help. explain the description of figures 9 to 11 µ and
Figure 11 is a circuit diagram of a variant of Figure 9.
Methods and devices have been proposed for the stabilization of oscillators in which a line is used as a frequency standard.
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absorption of a gas. In such device'S9, the stabilized oscillator is a microwave oscillator and a stabilized lower frequency can only be obtained by indirect methods using frequency dividers for example. Thanks to the present inventions the frequency of an oscillator at
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medium or relatively low frequency high frequency, such as those operating in the gamma of tens to hundreds of megacycles can be directly gas cammed using the phenomenon of ul resonant nodulation.
This phenomenon can be understood to the extent necessary by referring to: figures JA9 1B and 2À to 2Do Figux IA shows three possible energy states or levels (Va, W9 W. with Wc> Wb> TATa), one gaseous molecule. To simplify the explanation, we assume, as is the case for COS (carbonyl sulfite), that the transition frequency Y aC $) where / ar-
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! c =! Ma 9 is in the micrxondesa region while a second fzô- h
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transition frequency Y ab, where Y ab to - c4) 0 g: Wb - Wa.a is a frequency h
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much lower around 40 megacycles for the - COS). We also assume that the transitions Wa <= # Wc and the + - + Ni- can be done in the
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both directions.
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When a field with a Co frequency equal to or close to the lower transition frequency 1 abe is applied to the gas, the energy levels Wag Wb in figure 1 are each subdivided!) As shown in figure 1B into a pair- energy levels (Wb + 9 V5 9 Wa 9 Wg [) 0 the levels of each pair being separated by the energy hy (h being the Planck constant) so that the microwave absorptions paired with frequencies
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quences W W9t 'and W - W: IIi' differ from a frequency which, for the c a h h
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cos, is 190 order of a megacycle when the field strength at frequency cJ
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worth a few volts.
By applying only a micro-wave field to the gas, gas,
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as shown in figure 2A $ 1 shows selective absorption at the transition frequency y ac9 on condition of course-that the gas has a pressure
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sufficiently low, for example, of the order of 10 millimeters of mercury.
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When the two fields are applied simultaneously, the line 7 ac is subdivided, as shown in figures ZBg 20 and 2De into two absorption lines having frequencies Y etyaco The micro-wave field must be relatively weak in order to make Wg # W transitions less likely than Ni transitions. # Wa- The relative intensity of these two lines or of the components of the initial line y ae can be expressed as follows s
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+ -7 'z where V = / oE 16' = permanent dipole moment of the molee'oleo B = intensity of the electric fieldo
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1 = intensity or amplitude of absorptlonô The interesting ratios, indicated in Figures 2B to 2D are g
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When "" has 9 1. there ->.
Q, a g a # 'B 1.
- * When W> w 09 a -> 0/1.
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LJ is the osellator frequency to be stabilized.
In short!) 19 relative intensity or the difference between the intensities of the two absorption lines produced by resonant modulation of the line Y ac depends!) In sense and in amplitude on whether the frequency (W) of the field
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applied is greater than or less than the transition frequency
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lower, V 0: = y ab gas.
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Likewise when we apply both to the gas of 1? micro-wave energy having the micro-wave transition frequency y bc (where Y bc = Wc - -b) and 19 energy at lower frequency equal to or close to the frequency h
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lower transition quence Y ab 9 the line Y be is subdivided into two absorption lines having frequencies respectively somewhat higher and lower than the micro-wave frequency t bo and whose relative intensity or the difference between the intensities is a direct measure of the difference between the lower crossover frequency '/ ab and the fre-
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quence of the field applied to.
low frequency o More exactly if an oscillator frequency field is applied to the gas while observing the microwave absorption line there is g
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w9 - Wa this is subdivided when the frequency of the oscillator is h
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equal to the frequency Y abo The magnitude of the subdivision depends on the intensity of the applied oscillator field and the relative intensities of the two components of the subdivided line depend on the drift with respect to the lower transition frequency and, moreover, the sense of the ratio of intensities
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depends on whether the frequency () of the oscillator field is higher or
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lower than the internal transition frequency tÙ 0 gg 'f ab m Wb - Wa .¯. not.
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A frequency 0 has thus been defined with great precision by means of molecular properties, this frequency being able to be used as a standard for the stabilization of frequencies.
To stabilize the frequencies based on the principle of resonant modulation, it suffices to compare the relative intensities of a pair of subdivision absorption lines with much less precision.
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(approx. / 8C3 for COS) than the frequency accuracy required for stabilization. The output of the current comparator circuit (which in a simple form may consist of a pair of controlled peak rectifiers
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dice by trigger) is used ceramic "error voltage" to correct the frequency of lyoseîll; Eteur.
Various devices of the same nature, but different exeeutiops., Using the phenomenon of "resonant modulation II for the stabilization of an oscillator, are described below. As shown in FIG. 3, a hermetic chamber 10, which can
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being a waveguide portion contains, at sufficiently low pressure, a gas, such as COS, having a molecule with at least three possible energy states or levels. The gas is excited on one of its frequencies
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transition microwaves, for example y acs by means of energy fed by a suitable transmission line, of the waveguide or concentric cable type and coming from a microwave oscillator 11.
Cell 10 is provided at its ends with windows of quartz or similar material, transparent.
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tes to micro-endulatory energy The gas is also subjected to a field whose frequency corresponds to, or is shifted by a determined quantity of a second of frequency of transitions, for example / ab. This field is established using
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of the energy of oscl1.la: #ur 12, or of an amplifier (or frequency multiplier) inserted between the oscillator and the field electrodes 13, or of a similar device. The frequency offset can be obtained by deriving a selected beat frequency from the stabilized oscillator 12.
The gas being excited simultaneously by oscillators 11 and 129
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the normal absorption line Y as (fig. 2A) is subdivided into two absorption lines Y ac and Y o (fig. SB 2C9 D) 9 so that the gas now exhibits selective absorption on two higher frequencies respectively and lower than the micro-wave transition frequency.
The
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output of the oscillator 11 is modulated, by the beat oscillator 25 for example, so as to produce two sidebands of microwave energy having frequencies respectively equal to the frequency of the os-
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The microwave generator fo plus and minus the frequency f3 of the beat oscillator The frequency f of the beat separator is chosen so that the frequencies of the upper and lower sidebands correspond to the frequencies of the subdivided absorption line 1 ac and Y c "That being so.,
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if the frequency of oscillator 12 corresponds exactly to the lower transition frequency Y ab of the gas,
the two side bands are also absorbed as shown by the curves AB of figure 2B in the device of figure 3 the measuring process is continuous, instead of being cyclic or sampling. If the frequency of oscillator 12 is higher or lower than the transition frequency Y ab 'the sidebands are absorbed unevenly, generally as indicated by curves A, B of Figures 20 and 2D.
To determine the relative absorption of the two sideband frequencies the micro-wave energy not absorbed by the gas is sent
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in two microwave filters z and 1l.B respectively tuned to the frequencies (w 0 + 1'3) and (w 0 - f) as shown by the curves X and Z in figure 2Eo The energies delivered by the filters Wrong! Mb are detected for example by rectifiers 15A and 15B having a common output circuit 16 The polarities of the rectifiers are such that the output of circuit 16, measured by a sensitive voltmeter, is proportional to the differential output of the rectifiers integrated in circuit 16. Filters
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14A9 lh.B can be kept continuously on as shown.,
or they can be switched on alternately at a fairly high rate
An attenuator can be interposed between one or the other of the filters 14A and 14B and the chamber 10 so that the output of the circuit 16 is
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zero when the frequency () of oscillator 12 corresponds to the transition frequency Y ab of the gas. When the frequency of 1-loseillator 12 deviates from the transition frequency / a1; l9 the output of one rectifier increases and that of the other simultaneously decreases, the polarity and the amplitude of the output voltage of the circuit 16 corresponding to the direction and to the 1-importance of the frequency drift.
If it is desired to manually stabilize the frequency of oscillator 12, an operator observing meter 17 can adjust tuning control 18 of oscillator 12 so as to obtain a reading.
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zero ,, If it is desired to automatically stabilize the frequency of oscillator 12, the output of circuit 16 can be applied through line 19, for example ,, to a reactor tube or other known frequency control device. this of the oscillator ..
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The device of figure 3 can also be used to measure or to C01U =, to command the frequency of the oscillator J2 $) when one of the filters 14A or 14B is tuned to the frequency yc and the other to one or the Another of the sideband frequencies (y or 't -) has provided that the gas contains appropriate molecules which, ac .. bdaco.
under the AO .D> l do field appropriate molecules which, after subdivision under the influence of a frequency field wl Y gas keep a residual energy level Wa in addition to the new levels W 9 w a
As shown in figure 4 in which, as well as in the following figures, the elements identical to those of figure 3 bear the
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same references. 9 Microwave energy not absorbed by the gas in chamber 10 is repeatedly swept by an adjustable filter 14 Co For example, a filter tuning piston or membrane 7,. C can receive movement. reciprocating generator or sweep mechanism 20.
The frequency of
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resonance of filter 1 (,. C thus repeatedly passes through a range of frequencies comprising the resonant modulation frequencies Y ae and Y acs) so that the output of filter 14C, detected by rectifier 15 and reproduced
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te by an oscilloscope 17A.9 consists of a pair of Ma9 Mb pulses for each scan cycle of generator 20 (figo 2F) The horizontal sweep of the oscilloscope can be synchronized in a conventional manner with the sweep frequency of generator 20.
When the frequency of oscillator 12 corresponds to the transition frequency / ab of the gas, the two pulses or spikes have the same amplitude because the absorptions are equal (freeze 2B), while when the
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frequency of leoseillator 22 is higher or lower than the transition frequency Y aba the tips have unequal heights due to the inequality
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absorption figures 20 and 2D.
Thus an observer looking at the screen of the oscilloscope can modify the tuning control 18 of the oscillator 12 so as to make the amplitudes of the observed pulses equal For the automatic control of the frequency of the oscillator 12, the two output pulses from detector 15 can be applied to a suitable comparator circuit 16A, the precise embodiments of which will be described later in detail, so as to produce a frequency control voltage the polarity and amplitude of which depend on the direction and the importance of the frequency drift of oscillator 12.
Although the devices of Figures 3 and 4 have the advantage of simplicity? they have the flaw if you want serious stabilization
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of oscillator 32g to have to keep constant the frequencies of the microwave oscillator 11, of the beat oscillator 25 and of the fixed tuning filters 14A and 34B of figure 39 because any variation of these frequencies causes a differential variation of the amplitude of the absorption lines at frequencies' Y c and y;:
0
These defects are suppressed in the device of Figure 5 where the frequency of the microwave oscillator 11 is repeatedly swept over a range of frequencies including the resonant modulation frequencies.
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y and / go Assuming that the sweep generator 2Q & produces a tangled output wave, the frequency of the microwave oscillator 11 periodically sweeps a range of frequencies including the frequencies of resonant modulation, as shown graphically in Figure 2F.
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When the output of the soil7.atet 3 is modulated at audio or video frequencies9 the period P of the sweep generator must be chosen outside the range of modulating frequencies o For such uses of the
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In present or other devices described, the output of oscillator 12 is preferably applied to an antenna or other load 21 after amplification in a power amplifier 22.
As modulation is normally applied to an amplifier stage placed behind oscillator 12, no modulation can occur in the frequency control circuits.
In this device? for each generator sweep cycle
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2019 the output of detector 15 consists of a spaced Mag Mb dilimpolaion pair that have the same amplitude when the frequency of oscillator 12 matches.
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pond at the transition frequency y is gas, because in these condi- tions the absorptions are equal (figo 2B) When the frequency of 1-oscillator 12 deviates from the transition frequency Y aba one or the other of the two pulses has a greater amplitude than the other depending on the direction of the drift.
The relative intensity of the pulses is practically proportional-
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nelle to 1-the importance of the frequency difference. The amplitudes of the pulses are unequal because of the unequal absorptions at the frequencies Y, 9 and 9 as explained during the description of figures 20 and 2Do ac ac
The two pulses output by detector 15 are applied to comparator 16A which produces a unidirectional frequency control voltage which varies in polarity and amplitude with frequency drift.
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leoseillator 12.
In the automatic frequency control device shown in figure 6, the comparison of the intensities of the pulses palpated from the rectifier 15 is made by means of two tip rectifiers 6A and 26B which are actuated in turn so as to operate during the first and second pulses of successive pairs. The trigger circuit must be controlled by one of the two pulses, or by a pulse derived from one of them, in order to avoid slippage between the trigger pulse and the pulses themselves. This can be done in various ways in the simple device of Figure 6, the output of rectifier 15 is applied to the control grid of tube 30.
An amplifier can be interposed
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between the rectifier 15 and the tube 30 s'3e. necessary or if desired. The tube
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30 is normally or initially conductive, so that its anode voltage
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The voltage drop across the anode resistor 33 is initially lower than the plate supply voltage by an amount corresponding to the anode resistor 33. The control grill of tube 30 is connected to the positive terminal of the voltage source. ten-
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Zion plate through the i.l1te: r intermediary of a high resistance 31 and is therefore slightly positive with respect to the cathode.
Under these conditions, when the first of the two positive pulses
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ves Map Mb occurs, the impedance of the gate capacitor at for the conelded wave arm is large compared to the gate-cathode resistor and the capacitor 32 therefore forms with the resistor 31 a differentiator circuit. capacitor grid 32 charges negatively and puts tube 30 out-off.
The cut-off time is regulated by the time constant of the circuit 3le 32 which is predetermined or adjusted so that the tube 30 remains in the cut-off or remains non-conductive until the appearance of the second ( Mb) of the pair of absorption envelopes or pulses. The relatively long output pulse of tube 30 is applied, for example by the
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line 34g to the trigger circuit for actuating diodes 69 26Bp as described in detail below.
The pair of pulses fed by rectifier 15 also passes through delay circuit 35 allowing the control tube to trigger
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30 to open the gate circuit to nothing before the appearance of the paired pulses or envelopes in the comparison circuit 16B. The output of the delay circuit 35 consists of or contains the pair of envelope pulses.
In the embodiment of FIG. 6p, the gate circuit 27 comprises the tubes 36 and 37 conventionally connected to each other so as to form
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a multiribrator whose switching on and off is regulated by the trigger pulses delivered by the tuba 300 More exactly, a fixed polarization battery 41 or equivalent, is connected between the cathode and the
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grid xa 1 of the tube 36g and this is connected through a resistor-capacitor circuit 43 z, the grid nO 2 of the tube 37e connected in turn to the positive terminal of the anode voltage source by the intermedia1zi3 of a resistance ± 2.
The grid nD 1 of tube 37 is connected to the cathode of this tube through a bias resistor 38 coupled by a capacitor 39 to the grid nO 2 of tube 36. Grids n 3 and 5 of the tubes are connected to the terminal positive of the. anode voltage source by resistors 47 47 "
Tube 37 is normally or initially conductive. A trigger pulse from tube 30 turns tube 36 on and tube 37 off shortly before the delayed pulses are applied to the # 4 grids of both tubes.
The first pulse of each pair therefore appears in the anode circuit of tube 36 and is applied by the condensate.
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sator 4 (on diode 26k The time constant of the resistor-capacitor circuit 38,39 is chosen or predetermined so that the tube 36 goes out of service and the tube 37 comes back into service a little after the passage of the
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first pulse of the pair, but before the start of the second pulse. The second (Mb) of the pair of pulses or envelopes therefore appears in the anode circuit of tube 37 and is applied by capacitor 40B to the other diode 26B.
The unidirectional output voltage of the comparator circuit 16B
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comprising the diodes connected in opposition 26A, 9 26Bp is zero when the two pulses (Nia9 M) have the lead amplitude ,, As it has been explained this state occurs when the microwave energy is absorbed equally to the two resonant modulation frequencies Y and Y o As also explained with reference to figures and 2D, tt. ality of absotion occurs only when the frequency of oscillator 12 is equal to the lower transition frequency y ab of the gas.
When the frequency of oscillator 12 slips above or below the lower crossover frequency
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There is the output voltage of the amplitude comparison circuit 16B has a corresponding polarity and value. Thus the output voltage of comparator 16B is an error voltage which can be applied in a similar manner.
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naked, for example, a device with tube of coùmlande or with 50p reactance for
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automatically stabilize the frequency of oscillator 12.
With the device of figure 6 and the following ones, it is not necessary
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stabilize the frequency of the microwave oscillator il9 because one can arrange oneself so as to predetermine the scanning range in such a way that it always contains the two absorption lines despite the average frequency drift of the oscillator 11. This device also avoids the use of circuits
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Tuned microwaves such as 14A and 11B in Figure 3s which present difficult construction and operational problems in order to maintain a very precise and stable resonant frequency.
The frequency at which oscillator 12 is stabilized can vary within narrow limits in any device described herein by varying the strength of the oscillator field applied by electrodes 13, or equivalent, to the gas in cell 10. An automatic gain control 51 of any suitable type is preferably connected to oscillator 12 in order to keep the low frequency field strength applied to the gas constant at
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a predetermined or set level. The setting of 1? The intensity can be achieved by adjusting the control level of the automatic gain control 51.
Variants of the device of FIG. 5 which do not employ any
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trigger command can use pulse comparators as shown in Figures 9 and 11. Figure 8 is a block diagram of an automatic frequency control device which does not require a gate circuit and serves as an example for Aforementioned devices, the circuit elements and connections of two such embodiments being shown in more detail in Figures 9 and 11 and described below.
In the device shown in FIG. 8, the range of frequencies scanned by the microwave oscillator 11 is automatically adjusted so as to keep the time interval between the successive pulses produced by the detection of l. '' micro-wave energy not absorbed by gas
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in cell 10; .; i.e. as shown in Figure 7AS) the time interval Ta m Tb separating the pulses of a pair (Mag Mb) produced by each absorption or scanning interval is the same as the interval of
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time Tb - Ta between the second pulse (Mb) of one pair and the first pulse (Ma) of the next pair.
At each difference in these time intervals, the sweep range or frequency band of the oscillator automatically widens or narrows as the case may be so as to make the pulses equally spaced, which makes the use of a circuit superfluous. door for the pulse comparator 16C.
The repetition frequency of the sweep generator 20A of the microwave oscillator U is set by a multi-vibrator 60, triggered or in turn controlled by a multi-vibrator 61 operating at twice this frequency. The double frequency pulses delivered by the multivibrator 61 are also applied to an input circuit of a coincidence detector 62 whose other input circuit receives the pairs of pulses M of the absorption lines coming from the detector 15 The rectified pulses D of multivibrator 61 are always equally spaced in time and serve as a time interval standard.
The pulses delivered by detector 15 are also equally spaced as far as the relationship between the modulus lines.
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resonant ion Y + 9 y = of the gas and the swept microwave frequency., shown in Figure 7'fl either maintsnuaa In this case, the corresponding successive pulses D and M of the two series are applied respectively to one and to the other input circuit of the coincidence detector 62 simultaneously, and the output of the detector 62 is zero.
If, on the contrary, the interval between the pulses Ma and Mb of a pair in the output circuit of the detector
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tor 15 is greater (fig. 7B) or smaller (figo 70) than the interval between the second pulse M of one pair and the first pulse Ma of the following pair, the coincidence detector 62 develops at the circuit terminals
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100 an output voltage whose polarity depends on the interval which is the
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larger and whose amplitude depends on the magnitude of the difference between the two intervals
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More exactly,
when the interval between the pulses of a pair at the output of the detector 15 is greater than the interval between two pairs the output voltage of the detector 62 applied by a line or a cable
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nal 53 to 1-lamplîfîoat ± -ur 63 of the 2.0A sweep generator!) has the desired polarity to restore the gain of the 1-lamplifier so as to increase the range of frequencies swept by the microwave generator 1121 of the width of
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too low range of Figure 7B to the normal range width shown
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in figure 7tao
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Conversely., When the interval between two pairs is greater
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that the interval between the pulses D.
the polarity of the output voltage of detector 62 is of opposite sign so as to decrease the gain of amplifier 63 and to return the scan range from the abnormal width of FIG. 7C to the normal range width of FIG. 7A Briefly, the frequency detector 62 adjusts the sweep range of microwave energy so that the paired pulses (Ma Mb) produced during successive sweeps are equally spaced.
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so that the successive pairs themselves
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In FIG. 9p, as 1-the time interval between the pulses M of absorption lines, one is kept constant, in accordance with the description above, -s, by the coincidence detector 62A the difference in amplitude of the two pulses (Ma9 9 M,)
of a pair can be determined by measuring the shift between the first term of the Fourier series derived from the pair of pulses and the first term of the Fourier series derived from the pulses
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time interval standards corresponding to the sweep frequency or time.
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of these - all at double the frequency of recurrence. The amplitude comparison of the invention here can provide a suitable type of conventional phase comparator.
As shown in Fig. 9, comparator 16D may include a four diode rectifier circuit 64A to 64D. or equivalent, of which the input terminals 65 66 receive, through the filter 679 I s appropriate frequency components of the output pulses of the detector 15 The filter 67 favors the passage of the fundamental of the frequency of lo [E! (illateuJ1. 'scan 20B and attenuate or stop the hamoniq # s the filter also preferably has a nearly sinusoidal output waveformo The other pair of input terminals 68s 69 of comparator 16D receives through filter 709 the output of the dual frequency mtivib! the dual frequency generator 61A.
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Advantages the passage of the fundamental frequency of the multivi pulses (brateur and removes or attenuates the harmonics.
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When the two inputs of the 16D controller are in phase, which only happens when the resonant modulation pulses M have the same amplitude, the combined output of the rectifiers 64A to 64D appearing at the terminals of the integrator 71 is not gone. the inputs are not in phase, ee which occurs when the pulses of absorption line d-1 a paim (Mag Mb) have different amplitudes, the polarity of the output voltage of the comparator 16D depends on 121 impùÙsic n of which pair is larger and its magnitude depends on the difference between the amplitudes of the pulses.
So, the output of the I (] # parateur 16D!) Between its terminals 69 and 72!) Depends in polarity and size of the direction and l8inpJxtta ee of the frequency drift of l @ os @ illat8Ul "12 with respect to the fséqnenee When reading the description of FIGS. 9 and 112, reference is advantageously made to FIGS. 1Q &. to 10 1, which represent the shape of the waves occurring at defined points of the noise.
D1:; ne the embodiment of figure 9g the malti-vibrator 61A sending the standard pulses of time interval D to the incidence detector 62A and to the comparator 16D comprises a pair of tubes 73, 74, the anodes of which and the control gates are interconnected, by means of coupling capacitors 75 il 750 The output of the tube 73 sends the im-
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pulses at twice the scanning frequency through a line or channel 76 to comparator 16Do The output of tube 74, differentiated in resistor-capacitor circuit 77,78 is applied, through line or channel 79, to a circuit. input bake of coincidence detector 62A. The positive D pulses are used as time interval standards.
If it is desired to use negative pulses, the differentiator circuit 77, 78 must be connected to tube 73 and not to tube 74.
The second multivibrator 60A, in the embodiment of FIG. 9, comprises a pair of tubes 80, 81, the anodes and control gates of which are interconnected by means of coupling capacitors &, , 82. The control gates of these tubes are also coupled by means of capacitors 83 83 to the anode circuit of the multivibrator 61A.
The output pulses of tube 81 of multivibrator 60A, at sweep frequency f1, are used for controlling sweep generator 20B, which, in the embodiment of FIG. 9, comprises a thyratron tube 84 of which the control gate is coupled by a capacitor 85 to the anode circuit of the tube 81 and whose anode or the output circuit is suitably coupled with a sweep amplifier 63.
Although other types can be used $) in the embodiment of figure 9 the coincidence detector 62A comprises two pairs of diodes 85, 87 and 86988 with resistance and capacitor circuits 90, 91 connecting the anodes of 'one pair and the other's cathodes The differentiated output of multivibrator 61A is applied to input terminals 92993 of detector 62A to give it the standard time interval pulses, and the other input terminals 94, 95 of the detector receive the pairs of pulses Ma, Mb, together called M, drawn by the detector 15 from the unabsorbed microwave energy of the cell 10.
As the type of coincidence detector 62A requires a push-pull input M, there is interposed between its input terminals 94-95 and the detector 15 a conventional inverting stage comprising a tube 96 having similar output resistors 97, 98 placed respectively. in its anode and cathode circuits. Thus the absorption line pulses of the same polarity M applied to the control grid of the tube 96 are converted into push-pull pulses of opposite polarities which are applied by coupling capacitors 99.99 to the input terminals 94 , 95 of the coincidence detector.
As explained above with reference to Figure 8, the output of the coincidence detector appearing between terminals 92, 101 of Figure 9 is applied to the sweep amplifier 63 in order to maintain the sweep interval of 1. 'microwave oscillator:
it so as to keep successive absorption line pulses equally spaced (figo 7A) to avoid the need to trigger the pulse comparator
In the embodiment of Figure 8 shown in Figure 11, the standard time interval pulses applied to the cornering detector 62A are derived, () as in Figure 99 by differentiating the output of the multivibrator 61A.
However, the standard time interval pulses D applied to the amplitude comparator are derived, not from the multivibrator 61A as in figure 9, but by differentiating the output of the multivibrator 60A in the circuit 102, 1030 As the study if later will be shown the filters 67 and 70 used to apply the standard time interval pulses to the pulse comparator are tuned to the fundamental frequency of the multivibrator 60A, instead of double the frequency obtained from the multivibrator 61A, as was the case in FIG. 9. The operation of the rest of the circuits is then based on a fixed phase of varying amplitude rather than a variable phase.
The end result is the same since the output of the comparator has a polarity and an amplitude a function of the difference between the amplitudes of the absorption line pulses and therefore suitable for the frequency control of oscillator 12.
Filters 67 and 70 of Fig. 11, in accordance with the above, favor the fundamental frequency and exclude harmonics. The output waveform of the fundamental is nearly sinusoidal.
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Comparator 6E of Figure 11 may be of any suitable type, such as that of Figure 9, or of the type shown in Figure 11 in which the standard time interval pulses from multivibrator 60A are applied in line. phase to gates n 3 of pentodes 104, 105. The absorption line pulses coming from detector 15 by filter 67 are applied in phase opposition or in push-pull to gates n 1 of the same tubes. of the two tubes are integrated in the resistor and capacitor circuits 108, 109 and the differentiation of these outputs, whose polarity and amplitude depend on the amplitudes of the absorption line pulses of a pair ,
can be applied to oscillator 12 to stabilize the latter at the frequency at which the relative amplitude of the pulses is equal to unity, in which case - sum it has been said several times - the frequency of the oscillator corresponds to the lower transition frequency y ab of the gas in cell 10 ,,
The device of Figure 11, like that of Figure 9, is suitable for pulse shapes other than horizontal rectangular pulses.
CLAIMS
1. Device for controlling the frequency of an oscillator comprising a chamber containing a gas whose molecule has at least three possible energy states, characterized in that it comprises a source of microwaves for applying to said gas. a micro-wave field whose frequency corresponds to a first transition frequency between two of the energy states a device for simultaneously applying to said gas a second field whose frequency corresponds to a second transition frequency equal to or in relation fixed with the frequency at which the oscillator should be stabilized.
the second transition frequency being between a third energy state and one of the two aforementioned energy states of said gas, in order to produce a selective absorption of the micro-wave energy at two resonant modulation frequencies respectively higher and lower than the first frequency transition, and an apparatus for comparing the relative absorptions of microwave energy at two of these microwave frequencies, the output or indication of. said device serving to adjust the frequency of the oscillator so as to obtain equal absorptions and thus maintain the oscillator at the desired frequency.