<Desc/Clms Page number 1>
"METHODE ET SYSTEME BASES SUR UNE SELECTION
DE FRBQUENCE." Inventeur:M.ARDITI.
Cette invention concerne des perfectionnements aux dispositifs de pro- duction d'oscillations micrométriques et a trait, plus particulièrement, à ceux utilisant des transitions atomiques ou moléculaires.
Il est connu d'utiliser, à de telles fins, une cellule à gaz pour le contrôle d'un oscillateur devant fournir une fréquence exacte et rigoureusement stable. De tels dispositifs sont connus sous le nom'ti'horloges atomiques".
Selon une réalisation possible d'un tel dispositif, un oscillateur af- fecte les caractéristiques des transitions moléculaires ou atomiques dans une cellule à gaz. Ces transitions sont évidemment caractérisées par une fréquence fo fixe d'une certaine valeur. Si l'on module l'onde de sortie de l'oscillateur, on peut définir, par l'intermédiaire d'un comparateur de phase, les variations de ladite onde de sortie par rapport à la fréquence fo. On obtient alors un
<Desc/Clms Page number 2>
signal dont la polarité et l'intensité dépendent de la différence des fréquences ainsi déterminées et ce signal peut être utilisé pour vérrouiller l'oscilla- teur sur la fréquence fo.
Dans un tel système, il est nécessaire: a) que le rapport signal/bruit soit aussi grand que possible, b) que la courbe de résonance soit étroite, c) que la fréquence de référence fo soit indépendante des champs magnétiques et électriques environnants, des variations de température, de la pression, des accélérations possible, etc..., d) qu'aucune erreur ne soit introduite par le dispositif lui-même.
Les transitions atomiques qui ont lieu dans les vapeurs d'ur. métal alcalin et pour lesquelles les règles de sélection sont :¯F=1,¯ mF-O, mF 0, sont celles qui répondent le deux à ce qui vient d'être énoncé.
Cette transition est basée su r l'orientation du spin de l'électron de valence comparé au spin de @ @ au spin du noyau.
Elle est indépendante du champ électrique.
Il a été proposé d'augmenter la sensibilité de la détection en utili- sant le procédé de pompage optique tel que celui décrit dans le brevet principal Cette invention prévoit l'introduction d'un gaz tampon dans la cellule où doit se produire la transition afin de: 1) réduire l'effet Doppler de manière à obtenir des courbes de résonance étroi- tes, 2) améliorer l'efficacité du pompage optique en diminu@ant les risques de cap- ture des atomes du métal alcalin par les parois de la cellule.
L'utilisation d'un gaz tampon présente, cependant, certains inconvé- nients. Tout d'abord, la fréquence centrale de transition est déplacée. De plus, la nouvelle fréquence de transition obtenue varie avec la pression du gaz tampon et la température de la cellule. Etant donné que l'utilisation d'un gaz tampon est nécessaire, il est obligatoire de trouver une solution à ces incon- vénients. Il est évidemment utile de définir, au préalable, la variation de fréquence désirée en fonction dela pression du gaz tampon. Il est ainsi possi- ble de commander une variation de fréquence donne en modifiant cette pression, par exemple, par variation de température.
Biffés: 8 mots.
<Desc/Clms Page number 3>
Selon une des caractéristiques de l'invention, deux gaz tampons, au moins, sont introduits dans une cellule contenant de la vapeur de métal alcalin à l'intérieur de laquelle sont provoquées des transitions hyperfines, ces gaz étant choisis de manière que les variations de la fréquence de transition en fonction de leurs pressions relatives soient égales et de signe opposé, ce qui permet de compenser leurs effets et d'obtenir une grande stabilité de fré- quence en dépit des différences de pression dues aux conditions variables de température.
Il est nécessaire de remarquer qu'avec les gaz tampons dont la carac- térisuque F (P) présente une forte pente, on obtient, à partir de la transition commandée dans la cellule à vapeur de métal alcalin, un signal d'amplitude insuffisante .
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible d'em- ployer une mélange de deux gaz tampons dont la caractéristique F (P) une faible pente afin de permettre l'obtention d'un signal d'amplitude convena- ble, la correction désirée pour avoir une caractéristique globale F (P) plate, c'est-à-dire une grande stabilité, étant fournie en utilisant, à faible dose, un troisième gaz tampon ayant une caractéristique à forte pente.
Différentes autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, en se reportant aux figures annexées qui re- présentent: - la Fig. 1, des courbes montrant les variations de la fréquence de transition dans une cellule à vapeur de césium en fonction de la pression de - différents gaz tampons, - la Fig. 2, les mêmes courbes relatives à une cellule à vapeur de sodium, - la Fig. 3, l'adaptation de l'invention à un dispositif de production d'ondes micrométriques stabilisées.
Comme il a été mentionné précédenment. la fréquence centrale des transj -tions hyperfines dépend de la pression du gaz tampon utilisé. Les Figs. 1 et 2 représentent ces variations de maière qualitative. Il convient de signaler que les valuen numeriques portées sur ces figures sont approximatives étant don- né qu'elles doivent normalement être corrigées pour tenir compte d'effets se-
<Desc/Clms Page number 4>
condaires tels que ceux résultant de collisions entre les molécules de gaz et de vapeur. Cependant, en première approximation, il est cessible de corriger ces effets.
La Fig. 1 a trait, plus particulièrenent, à une cellule à vapeur de sécium dans laquelle les transitions hyperfines correspondant à : F 1, F=4. mf= o # F=3, "F =0.
Dans cette cellule, divers gaz tampons sent utilisés. La courbe a est relative à l'utilisation de l'hélium et montre que la fréquence centrale de transi tien augmente avec la pression, le taux d'augmentation étant égal à 1800Hz par mm de mercure. Le sens de variation de la fréquence de transition est le même lorsque.le gaz utilisé est du néon. Par contre, cette variation change de signe avec l'argon (c) et, d'une manière générale, avec tous les gaz ayant un poids atomique élevé tels que, par exemple, le crypton et le xénon. Les dif- férents taux de variation de la fréquence centrale avec la pression du gaz tampon utilisé sont indiquas sur les courbes correspondantes de la Fig. 1.
En plus desgaz mentionn4s sur cette figure, l'hydrogène et l'azote peuvent être utilisés comme gaz tampon étant donne qu'ils constituent des g az non magnétiques
De la même manière, les variations de la pression de ces gaz entraînent des centrale de transitif; les courbes représentant ces variations de la fréquence /variations de pression peuvent etre tracées sur le diagramme de la Fig. 1, leur pente dépenaant des masses atomiques de ces gaz.
Il doit être noté qu"en plus de leurs propriétés non-magnétiques, ces gaz tam- pons doivent être choisis de manière qu'ils ne réagissent pas chimiquement entre eux ou avec la vapeur du métal alcalin utilisé.
Il a été observé que certains gaz organiques pouvaient être utilisés comme gaz tampons. Bien entenau, les gaz tamdons précédemment cités n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. On rappelle que l'utilisation d'un gaz tamdon est nécessaire pour limiter la vitesse moyenne de déplacement des molécules.
-L'objet de l'invention consiste à ajuster la fréquence centrale de transition en effectuant un mélange de plusieurs gaz taa@ons C'est ainsi - par exemple - qu'en utilisant, dans une cellule à césium, un mélange de néon et d'argon dont les pressions relatives sont respectivement égales à 35% et 65, il est possi- ble d'obtenir une caracterisitique fréquence / pression représentée en f sur le
<Desc/Clms Page number 5>
diagramme de la Fig. 1. On remarquera que sa pente est moins importante que celle correspondant au néon (courbe b) ou à l'argon (courbe c) lorsqu'ils sont utilisés seuls. Le taux de variation de fréquence obtenu est de 200 Hz par mm de mercure contre 750 Hz par mm (néon) et 250 Hz par mm (argon). Théoriquement, la courbe devrait être de pente nulle.
Sa légère pente est due à un certain nom- bre de phénomènes secondaires dont la nature et l'effet ne peuvent être déter minés qu'empiriquement. Le taux de variation defréquence peut être réduit en modifiant légèrement la composition donnée précédemment et en utilisant, par exem -ple, 30 % pour le néon et 70% pour l'argon. Dans un autre essai, il a été uti- lisé, comme gaz tampon, un mélange d'hélium et ae xénon dont les pressions rela- tives étaient 55% pour l'hélium et 45% pour le xénon. La courbe représentant les variations de la fréquence fondamentale de transition est représentée en k sur le diagramme de la Fig. 1.'La pente de cette courbe est, dans ce cas,né- gative et égale à 600 Hz par mm de mercure .
On remarquera qu'elle est inférieu- re aux pentes des courues correspondant à de l'nelium ou du xénon pur pour les- quels elle correspona respectivement à +1600 Hz par mm et -2400 Hz par mm
La Fig. 1 est relative une cellule à vapeur de césium; les variations de fréquence observée, avec cette vapeur, sont analogues lorsqu'on utilise des vapeurs d'autres métaux alcalins. C'est ai:.si, par exemple, que les courbes de la Fig. 2 représentent les variations de la fréquence centrale de transition ¯ F = 1, ¯ mF = o, mF =O dans la vapeur de sodium lorsque les gaz tampons utilisés sont du néon ou de l'argon. En mélangeant un très faible pourcentage de néon avec de l'argon, il est possible d'obtenir une caractéristique de varia- tion de fréquence dont la pente est pratiquement nulle.
Pour obtenir ce résultat les gaz tampons sont mélangés dans des proportionstelles que le rapport de leurs pressions relatives soient approximativement l'inverse du rapport des taux de variation de fréquence correspondant aux deux gaz composants; ceci sup- pose que les poids atomiques de ces gaz sont, l'un supérieur ou égal, l'autre inférieur, à celui ae largon.
On a remarqué que les gaz tampons dont la caractéristique F (P) présent e une forte pente, ne permettent d'obtenir qu'un signal de faible amplitude à la sortie du comparateur de phase. Il est donc logique d'employer des gaz tampons ayant une caractéristique à faible pente.
<Desc/Clms Page number 6>
L'exemple cité précédement n'est pas limitatif en ce qui concerne le nombre de gaz tampons utilisés. Ainsi, si le mélange deceux gaz tampons à carac- téristique présentant une f aiole pente ne convient pas 6 cequ'on se propose, il est possible d'utiliser, en faible quantité, un @ème gaz dont la pente de ca- ractéristique F (P) sera suffisante pour amener la correction désirée.
Une cellule contenant une vapeur d'un 1.1.étal alcalin et un mélange ae gaz tampons conforme à celui, précédemment indiqué peut être utilisé en vue de la réalisation d"une horloge atomique dont le diagramme fonctionnel est représenta à la Fil-. 3. Une lampe à vapeur de césium fournit un pinceau lumineux traversant un polariseur linéaire 2. Celui-ci peut être constitué, par exemple, par une sim- ple lame. Le faisceau lumineux, sortant de ce polariseur qui correspond la radia tion de résonance du césium traverse une cellule 4 contenant de la vapeur de césium mélangée à des gaz tampons comme précédemment indiqué.
Cette cellule 4 est placée dans un champ magnétique statique 5 dont les lignes de force sont pa- rallèles au vecteur E de la lumière polarisée linéairement et perpendiculaires - à la direction de propagation de cette :Lumière. Afin d'élimier les effets parasites du champ magnétique terrestre, il importe ae blinuer magnétiquemet la cellule 4. Le champ magnétique statique précédemment mentionne peut être pro- duit par tous moyens appropriés. Le faisceau lumineux traversant la cellule 4 est dirigé ensuite sur une cellule photo-électrique 6 dont les signaux de sortie sont transférés à un comparateur de phase 8 par l'intermédiaire d'un amplifica- teur 7. Dans ce comparateur, les signaux provenant de l'amplificateur 7 sont com- parés aux signaux de référence fournis par un oscillateur B.F. 9.
Le signe du signal continu d'erreur fourni par ce comparateur dépend du signe de l'écart exis- tant entre la fréquence des ondes électromagnétiques d'excitation de la cellule 4 et la fréquence centrale de transition. Ce signal d'erreur attaque un servo- mécanisme 10 qui assure la commande d'un tube réactance 12 par l'intermédiaire du potentiomètre 11, ce qui permet de modifier légèrement la fréquence de l'oscil lateur à cristal 13. Le signaux de sortie de ce dernier attaouent un modulateur de fréquence 14 auquel sont appliqués, d'autre part, les signaux fournis par l'oscillateur B. F. 9.
Les signaux modulés en fréquence, ainsi obtenus, sont ap- pliqués à un multiplicateur de fréquence 15 attaquant un cornet radiateur 16 par l'intermédiaire d'une sonde 18 constituée, par exemple, par une ligne coaxia-
<Desc/Clms Page number 7>
le 17. Les ondes rayonnées, par le cornet 16, sont dirigées vers la cellule à césium 4. La sonde 18 est orientée de manière que le vecteur h des ondes émises soit parallèle à la direction des lignes de force du champ magnétique statique 5. La vapeur de césium est produite dans la cellule 4 par distillation sous vide.
Les gaz tampons tels que ceux précédemment mentionnés sont introduits ensuite dans cette cellule. A cette fin, la cellule 4 est susceptiole d'être mise en liaison avec deux enceintes 20 et 21 contenant des gaz tampons différents, cet- te mise en liaison étant assurée par les robinets 24 et 25. Le réglage de la pression des gaz tampons peut être effectué en modifiant, de façon convenable, la température de la cellule, ce qui peut être obtenu par l'intermédiaire de la source de chaleur.
En fonctionnement normal, la cellule est chauffée à une température comprise entre 15 et 30 C. En remplaçant la vapeur de césium par la vapeur d'un autre métal alcalin, cette température doit être modifiée. C'est ainsi, par exemple, qu elle atteindra 40 C pour le rubidium et sera comprise entre 120 et 130 C pour le sodium. D'une manière générale, la température de fonctionnement de la cellule doit être choisie de manière à permettre l'excitation d'un nombre suffisant d'atomes de la vapeur utilisée; toutefois,cette température ne doit pas être trop élevée afin de ne pas perturber l'orientation des moments magné- tiques des atomes en raison des collisions possibles entre ces derniers.
Les gaz tampons permettent de réduire l'effet DOPPLER et d'améliorer, en conséquence, le pompage optique. On notera, à ce propos, qu'il existe une pression déterminée pour laquelle ce pompage optique est optimum. Afin d'obtenir un pompage optique optimum tout en réduisant le plus possible l'effet DOPPLER, il est préférable d'utiliser un gaz tampon dont la pression est d'environ lmm de mercure ou plus ; si l'on désire augmenter la durée de vie des atomes excités afin de provoquer des transitions trèsélectives, de plus hautes pressions de gaz tampons peuvent être utilisées, par exemple, 3mm de mercure.
Les niveaux d'énergie de l'atome de césium non excités sont répartis suivant deux états correspondant aux valeurs F = 4 et F @ 3 qui correspondent à la direction du spin. Sous l'effet d'un champ magnétique, ces niveaux se dé- composent en sous-niveaux Zeeman comportant ZF + 1 composantes dont les valeurs se situant dans la gamme + Fa - F peuvent êtru représentées par le nombre quan-
<Desc/Clms Page number 8>
tique mF. Dans le cas d'un champ faible, les transitions peuvent se produire conformément aux règlesde sélection ¯mF=¯ 1 ou mF = 0. Les transitions pour lesquelles ¯F = 1 correspondent à des fréquences situées au voisinage de 9192 MHz. La transition la plus convenable est celle se produisant entre les niveau F=4 mF = O et F = 3 mF = O.
L'excitation par de la lumière polarisée linéaire- ment détermine dans la cellule 4 une augmentation de la différence des popula- tions entre ces niveaux. La transition désirée est obtenue en ajustant la fré- quence des ondes rayonnées par le radiateur 16 à la valeur fo. Dans le cas du césium, fo = (9192, 631 + 0,000426 H2) 106sec-1. On notera que les niveaux d'énergie utilisés dans cette transition sont faiblement affectés par le champ magnétique. Pour un champ de 0,1 oersted, fo - 9192,031=4Hz par seconde.
Le réglage de la fréquence des ondes rayonnées par le cornet peut être obtenu automatiquement par un système de régulation tel que celui précédemment men- tionné. Comme la fréquence de ces ondes varie de part et d'autre de fo, l'absorp -tion de lumière varie conformément à la courbe d'absorption. Cette courbe a une forme semblable à la courbe de résonance de Lorenz. Les variations de fréquence sont commandées à partir de l'oscillateur B.F.9. Si les variations du la fré- quence des ondes fournies au cornet 16 sont symétriques par rapport à fo, l'am- plitude du signal fourni par la cellule photo-électrique 6 est minimum. De plus, les signaux de sortie de la cellule 6 sont déphasés de 180 pour deux fréquences de l'oscillateur 13 symétriques par rapport à fo.
Les signaux fournis par l' amplificateur 7 sont comparés en phase oans le comparateur 8 avec les signaux fournis par l'oscillateur B. F.9. Ce comparateur fournit un signal contiru d'er- reur dont la polarité dépend du signe de l'écart de phase décelé. Les signaux d'erreur sont utilisés pour ajister/correctement la fréquence d'oscillation de l'oscillateur 13, par l'intermédiaire d'un servo-mécanisme 10 assurant l'entrai- nement du potentiomètre de commande 11 s'un tube réactance 13. Il est évident que d'autres procédés peuvent être employés pour commander cet ajustement.
La description précédente concerne une horlogeatomique basée sur une fréquence de transition particulière du césium : ilest évidemment possible d'utiliser une autre transition ou un autre octal alcalin. C'est ainsi, par et le rubidium exemple; que le sooum/sont couramment utilisés cans cette technique et que la présente invention peut s'appliquer à ces -taux. On notera, toutefois, que
<Desc/Clms Page number 9>
la pente des courbes: fréquence de transition/pression des gaz tampons utilisés, est variable pour ces derniers métaux.
Dans la description précédente, la lumièrs.d'excitation est polarisée linéairement, mais des effets identiques sentproduits lorsque le faisceau lumi- neux est soit polarisé circulairement, soit non polarisé (lumière naturelle).
Il est bien évident que la description qui précède a été faite à titre d'exemple non limitatif et que des variantes peuvent être envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention.
<Desc / Clms Page number 1>
"METHOD AND SYSTEM BASED ON A SELECTION
OF FREQUENCY. ”Inventor: M.ARDITI.
This invention relates to improvements to devices for producing micrometric oscillations and more particularly relates to those using atomic or molecular transitions.
It is known to use, for such purposes, a gas cell for controlling an oscillator having to provide an exact and strictly stable frequency. Such devices are known as "atomic clocks".
According to a possible embodiment of such a device, an oscillator affects the characteristics of molecular or atomic transitions in a gas cell. These transitions are obviously characterized by a fixed frequency fo of a certain value. If the output wave of the oscillator is modulated, it is possible to define, by means of a phase comparator, the variations of said output wave with respect to the frequency fo. We then obtain a
<Desc / Clms Page number 2>
signal whose polarity and intensity depend on the difference between the frequencies thus determined and this signal can be used to lock the oscillator to the frequency fo.
In such a system, it is necessary: a) that the signal / noise ratio is as large as possible, b) that the resonance curve is narrow, c) that the reference frequency fo is independent of the surrounding magnetic and electric fields, variations in temperature, pressure, possible acceleration, etc., d) that no error is introduced by the device itself.
The atomic transitions that take place in ur vapors. alkali metal and for which the selection rules are: ¯F = 1, ¯ mF-O, mF 0, are those which both correspond to what has just been stated.
This transition is based on the orientation of the spin of the valence electron compared to the spin of @ @ at the spin of the nucleus.
It is independent of the electric field.
It has been proposed to increase the sensitivity of the detection by using the optical pumping method such as that described in the main patent. This invention provides for the introduction of a buffer gas into the cell where the transition is to occur in order to: 1) reduce the Doppler effect so as to obtain narrow resonance curves, 2) improve the efficiency of optical pumping by reducing the risks of capture of the atoms of the alkali metal by the walls of the cell.
The use of a buffer gas, however, has certain drawbacks. First, the center transition frequency is shifted. In addition, the new transition frequency obtained varies with the pressure of the buffer gas and the temperature of the cell. Since the use of a buffer gas is necessary, it is obligatory to find a solution to these drawbacks. It is obviously useful to define, in advance, the desired frequency variation as a function of the pressure of the buffer gas. It is thus possible to control a given frequency variation by modifying this pressure, for example, by temperature variation.
Crossed out: 8 words.
<Desc / Clms Page number 3>
According to one of the characteristics of the invention, at least two buffer gases are introduced into a cell containing alkali metal vapor inside which hyperfine transitions are caused, these gases being chosen so that the variations in the transition frequency as a function of their relative pressures are equal and of opposite sign, which makes it possible to compensate for their effects and to obtain a high frequency stability despite the pressure differences due to the varying temperature conditions.
It is necessary to note that with the buffer gases of which the characteristic F (P) exhibits a strong slope, a signal of insufficient amplitude is obtained from the controlled transition in the alkali metal vapor cell.
According to another characteristic of the invention, it is possible to use a mixture of two buffer gases, the characteristic F (P) of which has a low slope in order to allow obtaining a signal of suitable amplitude, the desired correction to have an overall flat F (P) characteristic, i.e. high stability, being provided by using, at low dose, a third buffer gas having a steep characteristic.
Various other characteristics of the invention will emerge from the description which will follow, given with reference to the appended figures which represent: FIG. 1, curves showing the variations of the transition frequency in a cesium vapor cell as a function of the pressure of - different buffer gases, - FIG. 2, the same curves relating to a sodium vapor cell, - Fig. 3, the adaptation of the invention to a device for producing stabilized micrometric waves.
As it was mentioned previously. the central frequency of the hyperfine transj -tions depends on the pressure of the buffer gas used. Figs. 1 and 2 represent these qualitative variations. It should be noted that the numerical values given in these figures are approximate given that they must normally be corrected to take into account se-
<Desc / Clms Page number 4>
condaries such as those resulting from collisions between gas and vapor molecules. However, as a first approximation, it is transferable to correct these effects.
Fig. 1 relates, more particularly, to a secium vapor cell in which the hyperfine transitions corresponding to: F 1, F = 4. mf = o # F = 3, "F = 0.
In this cell, various buffer gases are used. Curve a relates to the use of helium and shows that the central transient frequency increases with pressure, the rate of increase being equal to 1800 Hz per mm of mercury. The direction of variation of the transition frequency is the same when the gas used is neon. On the other hand, this variation changes sign with argon (c) and, in general, with all gases having a high atomic weight such as, for example, crypton and xenon. The different rates of change of the center frequency with the pressure of the buffer gas used are indicated on the corresponding curves in Fig. 1.
In addition to the gases mentioned in this figure, hydrogen and nitrogen can be used as buffer gas since they are non-magnetic gases.
In the same way, the variations in the pressure of these gases cause transitive power plants; the curves representing these frequency variations / pressure variations can be plotted on the diagram of FIG. 1, their slope depending on the atomic masses of these gases.
It should be noted that in addition to their non-magnetic properties, these buffer gases should be chosen so that they do not chemically react with each other or with the vapor of the alkali metal used.
It was observed that certain organic gases could be used as buffer gases. Of course, the tamdon gases mentioned above have only been given by way of example. It is recalled that the use of a tamdon gas is necessary to limit the average speed of movement of the molecules.
The object of the invention is to adjust the central transition frequency by mixing several gases taa @ ons This is how - for example - by using, in a cesium cell, a mixture of neon and argon whose relative pressures are respectively equal to 35% and 65, it is possible to obtain a frequency / pressure characteristic shown in f on the
<Desc / Clms Page number 5>
diagram of FIG. 1. It will be noted that its slope is less important than that corresponding to neon (curve b) or to argon (curve c) when they are used alone. The rate of frequency variation obtained is 200 Hz per mm of mercury against 750 Hz per mm (neon) and 250 Hz per mm (argon). Theoretically, the curve should have zero slope.
Its slight slope is due to a certain number of secondary phenomena whose nature and effect can only be determined empirically. The rate of change of frequency can be reduced by slightly modifying the composition given above and by using, for example, 30% for neon and 70% for argon. In another test, a mixture of helium and xenon, the relative pressures of which were 55% for helium and 45% for xenon, was used as a buffer gas. The curve representing the variations of the fundamental transition frequency is shown in k in the diagram of FIG. 1. 'The slope of this curve is, in this case, negative and equal to 600 Hz per mm of mercury.
It will be noted that it is inferior to the slopes of the courses corresponding to pure enium or xenon for which it corresponds respectively to +1600 Hz per mm and -2400 Hz per mm.
Fig. 1 relates to a cesium vapor cell; the frequency variations observed with this vapor are similar when using vapors of other alkali metals. It is ai: if, for example, the curves of FIG. 2 represent the variations of the central transition frequency ¯ F = 1, ¯ mF = o, mF = O in the sodium vapor when the buffer gases used are neon or argon. By mixing a very small percentage of neon with argon, it is possible to obtain a frequency variation characteristic whose slope is practically zero.
To obtain this result, the buffer gases are mixed in proportions such that the ratio of their relative pressures is approximately the inverse of the ratio of the rates of frequency variation corresponding to the two component gases; this supposes that the atomic weights of these gases are, one greater than or equal, the other less, than that of largon.
It has been noticed that the buffer gases, the characteristic F (P) of which has a strong slope, only make it possible to obtain a low amplitude signal at the output of the phase comparator. It therefore makes sense to use buffer gases having a low slope characteristic.
<Desc / Clms Page number 6>
The example cited above is not limiting as regards the number of buffer gases used. Thus, if the mixture of two buffering gases with a characteristic exhibiting a sloping flange is not suitable for what is proposed, it is possible to use, in small quantities, a @ th gas whose slope of characteristic F (P) will be sufficient to bring about the desired correction.
A cell containing a vapor of an alkali metal 1.1. And a buffer gas mixture in accordance with that previously indicated can be used for the production of an atomic clock, the functional diagram of which is shown in Fil-. 3. A cesium vapor lamp provides a light brush passing through a linear polarizer 2. This can be constituted, for example, by a single blade. The light beam, exiting from this polarizer which corresponds to the resonance radiation of cesium passes through a cell 4 containing cesium vapor mixed with buffer gases as previously indicated.
This cell 4 is placed in a static magnetic field 5 whose lines of force are parallel to the vector E of linearly polarized light and perpendicular - to the direction of propagation of this: Light. In order to eliminate the parasitic effects of the terrestrial magnetic field, it is important to magnetically shield the cell 4. The previously mentioned static magnetic field can be produced by any appropriate means. The light beam passing through cell 4 is then directed onto a photoelectric cell 6, the output signals of which are transferred to a phase comparator 8 via an amplifier 7. In this comparator, the signals coming from amplifier 7 are compared with the reference signals supplied by an LF oscillator 9.
The sign of the continuous error signal supplied by this comparator depends on the sign of the difference existing between the frequency of the electromagnetic excitation waves of the cell 4 and the central transition frequency. This error signal drives a servo mechanism 10 which controls a reactance tube 12 via the potentiometer 11, which makes it possible to slightly modify the frequency of the crystal oscillator 13. The output signals of the latter drive a frequency modulator 14 to which are applied, on the other hand, the signals supplied by the LF oscillator 9.
The frequency modulated signals thus obtained are applied to a frequency multiplier 15 driving a radiator horn 16 by means of a probe 18 constituted, for example, by a coaxial line.
<Desc / Clms Page number 7>
17. The waves radiated by the horn 16 are directed towards the cesium cell 4. The probe 18 is oriented so that the vector h of the waves emitted is parallel to the direction of the lines of force of the static magnetic field 5. Cesium vapor is produced in cell 4 by vacuum distillation.
Buffer gases such as those previously mentioned are then introduced into this cell. To this end, the cell 4 is likely to be placed in connection with two enclosures 20 and 21 containing different buffer gases, this connection being provided by the taps 24 and 25. The adjustment of the pressure of the buffer gases can be done by suitably changing the temperature of the cell, which can be achieved through the heat source.
In normal operation, the cell is heated to a temperature between 15 and 30 C. By replacing the cesium vapor with the vapor of another alkali metal, this temperature must be modified. Thus, for example, it will reach 40 C for rubidium and will be between 120 and 130 C for sodium. In general, the operating temperature of the cell must be chosen so as to allow the excitation of a sufficient number of atoms of the steam used; however, this temperature should not be too high so as not to disturb the orientation of the magnetic moments of the atoms due to possible collisions between them.
Buffer gases make it possible to reduce the DOPPLER effect and consequently improve optical pumping. It will be noted, in this connection, that there is a determined pressure for which this optical pumping is optimum. In order to obtain optimum optical pumping while reducing the DOPPLER effect as much as possible, it is preferable to use a buffer gas the pressure of which is about 1 mm of mercury or more; if it is desired to increase the lifetime of the excited atoms in order to cause very selective transitions, higher buffer gas pressures can be used, for example, 3mm of mercury.
The energy levels of the unexcited cesium atom are distributed according to two states corresponding to the values F = 4 and F @ 3 which correspond to the direction of the spin. Under the effect of a magnetic field, these levels are broken down into Zeeman sublevels comprising ZF + 1 components whose values lying in the range + Fa - F can be represented by the number quan-
<Desc / Clms Page number 8>
mF tick. In the case of a weak field, the transitions can occur according to the selection rules ¯mF = ¯ 1 or mF = 0. The transitions for which ¯F = 1 correspond to frequencies located in the neighborhood of 9192 MHz. The most suitable transition is that occurring between the levels F = 4 mF = O and F = 3 mF = O.
The excitation by linearly polarized light causes in cell 4 an increase in the difference of populations between these levels. The desired transition is obtained by adjusting the frequency of the waves radiated by the radiator 16 to the value fo. In the case of cesium, fo = (9192, 631 + 0.000426 H2) 106sec-1. Note that the energy levels used in this transition are weakly affected by the magnetic field. For a field of 0.1 oersted, fo - 9192.031 = 4Hz per second.
The adjustment of the frequency of the waves radiated by the horn can be obtained automatically by a regulation system such as that previously mentioned. As the frequency of these waves varies on either side of fo, the absorption of light varies according to the absorption curve. This curve has a shape similar to the Lorenz resonance curve. The frequency variations are controlled from the B.F. 9 oscillator. If the variations in the frequency of the waves supplied to horn 16 are symmetrical with respect to fo, the amplitude of the signal supplied by photoelectric cell 6 is minimum. In addition, the output signals of cell 6 are phase-shifted by 180 for two frequencies of oscillator 13 which are symmetrical with respect to fo.
The signals supplied by the amplifier 7 are compared in phase in the comparator 8 with the signals supplied by the oscillator B. F.9. This comparator supplies a continuous error signal, the polarity of which depends on the sign of the phase difference detected. The error signals are used to correctly adjust the oscillation frequency of the oscillator 13, by means of a servo-mechanism 10 ensuring the driving of the control potentiometer 11 in a reactance tube 13. It is evident that other methods can be employed to control this adjustment.
The preceding description relates to an atomic clock based on a particular transition frequency of cesium: it is obviously possible to use another transition or another alkaline octal. It is thus, by and the example rubidium; that the sooum / are commonly used in this technique and that the present invention can be applied to these -taux. Note, however, that
<Desc / Clms Page number 9>
the slope of the curves: transition frequency / pressure of the buffer gases used, is variable for these latter metals.
In the foregoing description, the excitation light is linearly polarized, but identical effects are produced when the light beam is either circularly polarized or unpolarized (natural light).
It is obvious that the foregoing description has been given by way of non-limiting example and that variants can be envisaged without, for this, departing from the scope of the invention.