Frequenzselektive Anordnung Die vorliegende Erfindung betrifft eine frequenz- selektive Anordnung, welche die simultane Detektion einer Anzahl hyperfeiner Übergänge im Mikrowellen gebiet im Grundzustand eines Alkalimetalldampfes verwendet, und die Verwendung dieser Anordnung in einem atomaren Frequenzstandard.
Es ist vorgeschlagen worden, die frequenzselek- tiven atomaren Übergänge in einer Gaszelle zur Steue rung eines Oszillators zu verwenden, um einen Fre- quenzstandard zu schaffen. Vorrichtungen dieser Art werden als Atomuhren bezeichnet.
In einer möglichen Form einer Gaszellenatomuhr induziert ein Oszillator einen Übergang zwischen zwei molekularen oder atomaren Energiezuständen. Diesem Übergang entspricht eine Spektrallinie mit einer scharfen Resonanzkurve. Durch Phasenmodu lation des Oszillators lässt sich am Ausgang eines Phasendetektors die Ableitung der Resonanzkurve (S-Kurve) erhalten. Diese S-Kurve liefert ein Fehler signal, welches rückgekoppelt werden kann, um den Oszillator mit der Mittelfrequenz der Resonanzkurve in Übereinstimmung zu bringen.
In einem derartigen System ergeben sich die fol genden Forderungen für eine stabile und genaue Uhr: a) Das Rauschverhältnis (Verhältnis von Signal zu Geräusch) des Detektors sollte so gross wie mög lich sein.
b) Die Breite der Resonanzkurve soll möglichst klein sein.
c) Die Mittelfrequenz f o sollte nahezu unabhängig sein von äusseren elektrischen oder magnetischen Fel dern, von Temperaturänderungen, vom Druck, von der Beschleunigung usw.
(1) Durch die automatische Frequenzsteuerung sollten keine Systemsfehler erzeugt werden.
Ein atomarer Übergang, welcher mit grosser An näherung diesen Forderungen entspricht, ist der im Mikrowellengebiet erfolgende hyperfeine Übergang 4F <I>= 1,</I> dmF <I>=</I> 0, mF = 0 beim Grundzustand in Al kalimetalldämpfen. Dieser Übergang beruht auf der relativen Orientierung des Spins des Valenzelektrons in bezug auf den Kernspin. Die Ansprechempfindlich- keit auf diesen Übergang in einer Atomuhr wäre je doch sehr klein.
Wie im Schweizer Patent Nr. 372 352 dargelegt ist, besteht der Hauptgrund für die eben er wähnte Tatsache darin, dass der Bevölkerungsunter schied zwischen dem tieferen und höheren Energie niveau, zwischen welchen Niveaus dieser Übergang stattfindet, sehr gering ist. Im vorgenannten Patent wurde die Verwendung von optischem Pumpen mit zirkular polarisiertem Licht vorgeschlagen, um in be sonderen Energieniveaus eine Zunahme der Bevölke rung zu erzeugen.
Diese Niveaus entsprechen den grössten absoluten Werten des magnetischen Momen tes der hyperfeinen Energieniveaus im Grundzustand des Alkalimetalldampfes. Im Falle von Natrium sind diese gekennzeichnet durch F = 2, mF = +2 und <I>F = 2,</I> in" <I>= - 2</I> und im Falle von Cäsium durch <I>F=4,</I> mF = + 4 und F=4, mF = - 4. Entspre chende Niveaus sind im Dampf von anderen Alkali metallen vorhanden.
Da jedoch bei hyperfeinen über gängen von und zu diesen Niveaus die Mitte der Resonanzkurve des atomaren Überganges mit Ände rungen der magnetischen Feldstärke beträchtlich ändert, ist die Verwendung dieser Übergänge für eine Atomuhr nicht in Betracht gezogen worden, und zwar trotz des Umstandes, dass wegen der hohen Bevölke rungszunahme mit diesen Übergängen am Ausgang des Detektors ein grosses Rauschverhältnis erhalten werden könnte, insbesondere, wenn die Änderungen der Lichtausbeute aus einer Gaszelle detektiert wird.
Statt dessen ist im vorerwähnten Patent die Verwen dung des gleichen optischen Pumpens vorgeschlagen worden, aber mit einem Übergang (4F = 1, dmF = 0), welcher verhältnismässig unabhängig vom Magnet feld ist. Weiter wurde in diesem Patent vorgeschla gen, für eine Vergrösserung des Rauschverhältnisses auf einen Sekundäreffekt abzustellen, in welchem die erwähnte Bevölkerungszunahme verwendet wird, wenn der Übergang 4F <I>= 1,</I> dmF <I>= 0,</I> mF = 0 detek- tiert wird.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in einer verbesserten frequenzselektiven Anordnung, welche diejenigen im Mikrowellenbereich liegenden hyperfeinen Übergänge im Grundzustand eines Al kalimetalldampfes verwendet, für welche die Mittel frequenz der Resonanzkurve mit Änderungen des Magnetfeldes ändert, aber in solcher Weise, dass eine praktisch konstante Ausgangsfrequenz erhalten wird, welche durch die Änderungen des Magnetfeldes prak tisch nicht beeinflusst wird.
Die erfindungsgemässe frequenzselektive Anord nung, welche ein Medium aus Alkalimetalldampf auf weist, weiter Mittel zur Erzeugung eines das genannte Medium durchsetzenden homogenen Magnetfeldes, eine erste Mikrowellen-Energiequelle, eine mit der ersten Quelle gekoppelte Schaltung, um durch die Mikrowellenenergie dieser Quelle eine erste Art von hyperfeinen Grundenergie-Niveauübergängen im ge nannten Medium zu erregen, und Mittel zur Detek- tion von Übergängen im genannten Medium aufweist, ist gekennzeichnet durch eine zweite Mikrowellen- Energiequelle,
weiter durch eine mit der zweiten Quelle gekoppelte Schaltung, um durch Mikro wellenenergie dieser zweiten Quelle eine zweite Art von hyperfeinen Grundenergie - Niveauüber gängen im genannten Medium zu erregen, das Ganze derart, dass die Mittelfrequenzen der ersten und zweiten Art von Übergängen bei Änderun gen des das genannte Medium durchsetzenden Ma gnetfeldes symmetrisch und in entgegengesetzten Richtungen verschoben werden, und durch eine mit den Detektionsmitteln gekoppelte Frequenzsteuer- schaltung zur Steuerung der Frequenz der genannten Quellen.
Mit dieser frequenzselektiven Anordnung kann eine verbesserte Atomuhr geschaffen werden, welche optisches Pumpen verwendet.
Wie bereits erwähnt wurde, erzeugt optisches Pumpen insbesondere mit zirkular polarisiertem Licht einen Bevölkerungszuwachs bei Niveaus, die den grössten absoluten Werten des magnetischen Momen tes von hyperfeinen Energieniveaus im Grundzustand des Alkalimetalldampfes entsprechen. Je nachdem das zirkular polarisierte Licht rechts oder links zir kular polarisiert ist, werden Bevölkerungszunahmen im Niveau des grössten positiven oder negativen Wer tes des magnetischen Momentes erzeugt.
So ist bei spielsweise bei Natrium dieses grösste Niveau gegeben durch F<I>= 2,</I> mF <I>=</I> +2, während das negative Niveau gegeben ist durch F = 2, mF <I>= - 2.</I> Wie nachstehend näher erläutert wird, ändern die Mitte der Resonanz kurve der Übergänge, bei welchen das genannte posi- tive Niveau (mr, = +2) im Spiele steht, und die Mitte der Resonanzkurve von Übergängen, bei welchen das genannte negative Niveau (mi,, <I>= - 2)</I> im Spiele steht, beide praktisch linear mit Änderungen des Magnet feldes über einen verhältnismässig grossen Bereich. Die genannten Änderungen der Mittelfrequenzen der Re sonanzkurven erfolgen symmetrisch, aber in entgegen gesetzten Richtungen.
Wenn die magnetische Feld stärke zunimmt, nimmt daher die Mittelfrequenz der einen Resonanzkurve zu, während die Mittelfrequenz der anderen um den gleichen Betrag abnimmt und umgekehrt. Die Stärke des Magnetfeldes, in welches ein Volumen von Alkalimetalldampf eingetaucht ist, lässt sich praktisch nicht genügend konstant halten, um Frequenzänderungen von beträchtlicher Grösse in der Mittelfrequenz dieser Resonanzkurven zu vermei den. Es ist jedoch möglich, ein relativ homogenes Magnetfeld in Gebieten herzustellen, in welchen ver schiedene solche Übergänge angeregt werden.
Daher wird gemäss der Erfindung ein Medium von Alkali metalldampf in einem homogenen Magnetfeld gleich zeitig erregt, um zwei verschiedene Übergänge zu erzeugen, deren Mittelfrequenzen symmetrisch, aber in entgegengesetzter Richtung mit Änderungen der magnetischen Feldstärke ändern, wobei diese über gänge zusammen verwendet werden, um eine Aus gangsfrequenz zu erzeugen, welche praktisch unab hängig ist von Änderungen der magnetischen Feld stärke, in welcher diese Übergänge auftreten.
Mit Vorteil wird optisches Pumpen verwendet, und zwar insbesondere mit rechts und links zirkular polarisiertem Licht, um Bevölkerungszunahmen bei den grössten positiven und negativen Werten des ma gnetischen Momentes der hyperfeinen Grundenergie niveaus des Alkalimetalldampfes in einem relativ homogenen Magnetfeld zu erzeugen, wobei Mikro wellenübergänge induziert werden, bei denen die ge nannten Niveaus im Spiel sind, und wobei ferner diese Übergänge dazu verwendet werden, um die Ausgangsfrequenz praktisch konstant zu halten, trotz Änderungen der magnetischen Feldstärke, welche den genannten Dampf durchsetzt.
Wenn die magnetische Feldstärke ändert, nimmt daher die Frequenz des durch einen dieser über gänge gesteuerten Oszillators zu, während bei dem durch den anderen Übergang gesteuerten Oszillator eine Frequenzabnahme um den gleichen Betrag ein tritt. Daher ist die Gesamtänderung der kombinierten Frequenzen beider Oszillatoren gleich Null. Dieser Umstand wird zur Schaffung einer Quelle konstanter Frequenz verwendet, indem man beispielsweise die Frequenzen der beiden Oszillatoren addiert, da ihre Summe konstant bleibt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt: die Fig. 1 ein Energieniveaudiagramm des Grund zustandes von Natrium 23, in welchem die Aufspal tung durch den Zeeman-Effekt ersichtlich ist, die Fig. 2 ein Diagramm, welches die Frequenz änderungen in Abhängigkeit von Änderungen der magnetischen Feldstärke zeigt, und zwar für drei hyperfeine Mikrowellenübergänge im Grundenergie zustand für Natrium 23, und die Fig. 3 ein teilweise in Blockform dargestelltes Schema einer Atomuhr.
Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird zunächst eine kurze Erläuterung über die Energieniveaus im Grundzustand von Al kalimetalldampf und die Änderungen der Mittelfre quenz der Resonanzkurven der Übergänge gegeben, bei denen diese Niveaus im Spiele stehen, welche Änderungen in Abhängigkeit von Änderungen der Stärke des Magnetfeldes erfolgen, in welchem die Übergänge stattfinden. Diese Erläuterung richtet sich zur Hauptsache auf die Energieniveaus und die über gänge von Natrium 23, obwohl gleichartige über legungen auch für andere Alkalimetalldämpfe gelten.
Aus der Fig. 1, welche schematisch die Grund energieniveaus von Natrium 23 zeigt, erkennt man, dass dieses Energieniveau in zwei hyperfeine Niveaus F = 2 und F = 1 aufgeteilt ist, welch letztere der Zeeman-Aufspaltung in Zeeman-Unterniveaus unter liegen, und zwar unter dem Einfluss eines schwachen Magnetfeldes. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, wird das hyperfeine Niveau F = 2 in fünf Zeeman-Unter- niveaus aufgespaltet, während das hyperfeine Niveau F=1 in drei Zeeman-Unterniveaus aufgespaltet wird. Durch geeignete Erregung werden Übergänge zwi schen den Zeeman-Unterniveaus erzeugt.
Die über gänge zwischen diesen Unterniveaus unterstehen den Auswahlgesetzen für magnetische Dipolstrahlung: ,9F=0, i-1; dmF=0, <I> l;</I> wo ml,. die magnetische Quantenzahl ist, welche ver wendet wird, um die genannten Unterniveaus zu unterscheiden. Die besonderen Übergänge, denen sich im vorliegenden Zusammenhang das Hauptinter esse zuwendet, sind diejenigen, bei welchen die über gänge 4F = 1 im Spiele stehen, da die Übergänge .9I,. = 0 relativ niedrigen Frequenzen entsprechen und daher von geringem Interesse sind, wo eine hohe Genauigkeit erwünscht ist, wie dies für eine Atomuhr zutrifft.
Insbesondere sind die Übergänge in Alkali- metalldämpfen, welche für das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von besonderem Interesse sind, die Übergänge ,9F = 1, dmF = 1. Im Falle von Natrium erstrecken sich diese Übergänge von F=2, m,=+2 nach F = 1, mF = +1 und von F=2, mF = - 2 nach F = 1, mF = -1. Diese beiden Übergänge sind in der Fig. 1 mit<I>a</I> bzw.<I>b</I> bezeichnet.
Der Grund, weshalb diese Übergänge gewählt werden, besteht darin, dass durch Verwendung von optischem Pumpen, beispielsweise durch zirkular polarisiertes Licht, ein grösseres Rauschverhältnis bei der Detektion dieser Übergänge erzielt werden kann, als dies beispielsweise bei der Detektion der über gänge .9F = 1, .9m, = 0 möglich wäre (für Natrium 23 sind diese Übergänge durch die Linie c in den Fig. 1 und 2 dargestellt), während gleichzeitig durch Verwendung der hier beschriebenen Technik die Empfindlichkeit dieser Übergänge auf Änderungen der magnetischen Feldstärke daran gehindert wird,
die Stabilität der Mittelfrequenz am Ausgang des Systems zu beeinflussen.
Die Wirkung des optischen Pumpens eines Alkali metalldampfes mit rechts oder links zirkular polari siertem Licht besteht darin, die Energieniveaus der Atome in einen erregten Zustand anzuheben, von welchem sie auf das Grundzustandniveau zurückfal len, wobei eine Bevölkerungszunahme hauptsächlich bei den grössten absoluten Werten des magnetischen Momentes der hyperfeinen Energieniveaus erzeugt wird. Demzufolge wäre eine Bevölkerungszunahme in der Fig. 1 bei F=2, mF = +2 und bei F = 2, mF = _ 2 in Natrium 23 vorhanden.
Wenn das optische Pumpen mit rechts zirkular polarisiertem Licht er folgt, dann würde die Zunahme bei einem der vor genannten Niveaus beispielsweise für mF = +2 auf treten und, falls das Licht links zirkular polarisiert ist, dann würde die Zunahme beim anderen der genann ten Niveaus, das heisst beim Pegel mF = - 2 erfolgen. Durch rechts zirkular polarisiertes Licht, wie es hier verwendet wird, ist die Polarisationsrichtung die gleiche wie die Richtung eines Magnetisierungsstro- mes, welcher das statische Magnetfeld Ho erzeugt, welches parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lich tes verläuft.
Links zirkular polarisiertes Licht ist der Richtung des genannten Magnetisierungsstromes ent gegengesetzt. Durch unpolarisiertes Licht, welches als eine statische Mischung gleicher Anzahlen von zwei Arten von Photonen, und zwar einer links zirkular polarisierten und einer rechts zirkular polarisierten Art aufgefasst werden kann, würde eine Anreicherung bei beiden Niveaus entstehen. Bei Cäsium würde die Anreicherung zur Hauptsache bei F = 4, mF <I>= +4</I> und F = 4, mF <I>= - 4</I> auftreten.
Eine gleichartige An reicherung würde für andere Alkalimetalldämpfe stattfinden, wobei allgemein zu bemerken ist, dass, je mehr hyperfeine Grundenergieniveaus vorhanden sind, um so grösser die Tendenz für die sich in einem erregten Zustand befindenden Atome ist, die Ener gieanreicherungen über eine grössere Anzahl der ge nannten hyperfeinen Niveaus zu verteilen. Die grösste Anreicherung hat jedoch das Bestreben, bei den höchsten absoluten Werten der hyperfeinen Grund energieniveaus aufzutreten. Wenn Übergänge bei die sen Niveaus erregt werden, in welchen eine Bevölke rungsanreicherung vorhanden ist, dann erzeugen die sich ergebenden Übergänge ein grösseres Rauschver hältnis, wenn diese detektiert werden.
Bei der Verwendung .solcher Übergänge tritt je doch ein Problem auf; welches sich am besten anhand der Fig. 2 erläutern lässt, welche die Wirkung einer Änderung des Magnetfeldes auf die Mittelfrequenz der Resonanzkurve dieser Übergänge (für Natrium 23) zeigt. Die in Fig. 1 mit a und<I>b</I> bezeichneten Übergänge -sind in der Fig.2 gleich bezeichnet. Die Magnetfeldstärke (Gauss) ist auf der Ordinate auf- getragen, während die Frequenz (MHz) auf der Ab szisse aufgetragen ist.
Die Mittelfrequenz bei einer Magnetfeldstärke vom Wert 0 ist für die hyperfeinen Grundzustandsübergänge dF <I>= 1,</I> dmF <I>= 1</I> (Natrium 23) ungefähr 1771,626 MHz. Wenn das Magnetfeld zunimmt, ändert die Mittelfrequenz dieser Übergänge <I>a</I> und<I>b</I> wie gezeigt in entgegengesetzten Richtungen, aber symmetrisch mit einer Rate von 2,1 MHz pro Gauss. Wegen dieser Verschiebung der Mittelfrequenz der Übergänge<I>a</I> und<I>b</I> in Abhängigkeit des Magnet feldes sind diese Übergänge bisher für die Schaffung eines atomaren Frequenzstandards als ungeeignet be trachtet worden.
Anstelle dieser Übergänge wurde ge mäss den Darlegungen des vorerwähnten Patentes die Verwendung des Überganges 4F <I>= 1,</I> dmF <I>= 0</I> (siehe c, Fig. 1 und 2) vorgezogen. Man erkennt, dass die Mittelfrequenz dieses Überganges auf Änderungen der Magnetfeldstärke verhältnismässig unempfindlich ist.
Bei der Detektion dieses Überganges ist jedoch das sich ergebende Rauschverhältnis verhältnismässig klein, verglichen mit den Übergängen<I>a</I> und<I>b,</I> und daher wird in der vorliegenden Erfindung vorgeschla gen, die frequenzselektiven Charakteristiken<I>a</I> und<I>b</I> oder die entsprechenden Übergänge in anderen Al kalimetallen, beispielsweise für eine Atomuhr, zu verwenden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer solchen Uhr ist in der Fig. 3 dargestellt. Bevor diese jedoch näher erläutert wird, ist darauf hinzu weisen, dass die Fig. 1 und 2 nicht als quantitativ exakt aufzufassen sind und lediglich zur Illustration dienen.
Diese Figuren sind nämlich absichtlich über trieben und verzerrt, um das Verständnis der vorlie genden Ausführungen zu erleichtern.
Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungs beispiel sind zwei Gaszellen 7 und 8 in einem prak tisch homogenen statischen Magnetfeld angeordnet. Bei diesen beiden Zellen gelangt optisches Pumpen durch rechts und links zirkular polarisiertes Reso nanzlicht des gleichen Alkalimetalldampfes zur An wendung, welcher in den Zellen enthalten ist. In jeder dieser Zellen werden Übergänge durch Mikro wellenenergie angeregt, welche durch diese Zellen hindurchgeleitet wird und deren Hochfrequenzfeld senkrecht zum statischen Magnetfeld und in gleicher Weise senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des Lich tes durch die genannten Zellen verläuft.
Die Frequenz dieser Mikrowellenenergie wird für jede Zelle durch einen getrennten Kristalloszillator bestimmt, und die Frequenzen dieser Oszillatoren werden ihrerseits durch Signale gesteuert, welche sich aus der Detek- tion der Übergänge innerhalb der genannten Zellen ergeben. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine optische Detektion mit einem geeigneten automatischen Frequenzsteuersystem verwendet.
In der Fig. 3 werden zwei Strahlen zirkular pola risierter Resonanzstrahlung 1 und 2 aus einer Stan- dardnatriumlampe 3 erhalten, welche vorzugsweise aus einer Gleichstromenergiequelle 4 erregt ist und deren Licht in zwei Strahlen aufgeteilt wird, welche durch getrennte Zirkular-Polarisation 5 und 6 hin- durchgeleitet werden, von denen der Polarisator 5 rechts zirkular polarisiertes Licht und der Polarisator 6 links zirkular polarisiertes Licht erzeugt, so dass die beiden Strahlen 1 und 2 aus rechts bzw. links zirku lar polarisiertem Licht bestehen.
Die Strahlen 1 und 2 laufen durch die Gaszellen 7 und 8, von denen jede verdampftes Natrium 23 und ein Puffergas oder mehrere solche Gase enthält, wie dies noch näher er läutert wird. Die Strahlen erzeugen in diesen Zellen optisches Pumpen.
Die Zellen 7 und 8 können in der Weise her gestellt werden, wie dies im bereits erwähnten Patent beschrieben wurde. Diese Zellen können ein einzelnes Puffergas oder eine Anzahl Puffergase enthalten, wie dies im Patent Nr. 374 394 beschrieben ist, um eine Druckstabilisierung zu ermöglichen. Die Zellen wer den selbstverständlich auf eine geeignete Temperatur erwärmt, wie dies in den vorgenannten Patenten dar gelegt wurde.
Es sind Mittel vorgesehen, um ein statisches Feld Ho zu erzeugen, welches die beiden Gaszellen 7 und 8 durchsetzt und welches mindestens eine starke Kom ponente parallel zur Fortpflanzungsrichtung der bei den Strahlen 1 und 2 in den Gaszellen 7 und 8 auf weist. Diese Mittel zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes sind vorzugsweise so ausgebildet, dass ein möglichst homogenes Feld entsteht, welches beide Zellen durchsetzt. Es ist zu erwähnen, dass es für den vorliegenden Zweck nicht nötig ist, dass das die bei den Zellen durchsetzende Magnetfeld konstant ist. Es ist lediglich nötig, dass dieses Magnetfeld im gan zen Bereich, wo die verschiedenen Übergänge er folgen, das heisst im vorliegenden Beispiel in den Zel len 7 und 8, so homogen wie möglich ist.
Es können verschiedene Verfahren zur Erzielung einer derarti gen Homogenität verwendet werden. Zur Erzeugung eines solchen relativ schwachen, homogenen Magnet feldes können die genannten Mittel zwei Paare von senkrecht zueinander stehenden Helmholtzspulen 10 aufweisen, welche die Zellen 7 und 8 umgeben und unter sich einen Abstand aufweisen, welcher gleich ihrem Radius ist, und welche den gleichen Strom führen. Es kann sich empirisch ergeben, dass die Ver wendung von Schirmen erwünscht ist, um die Homo genität des Feldes noch weiter zu erhöhen. Als Alter native zu den Helmholtzspulen oder zusätzlich zu diesen können geeignet geformte Permanentmagnete verwendet werden, um Feldverzerrungen zu korrigieren.
Da die Vorrichtungen zur Anregung und zur Detektion von Übergängen in den Zellen 7 und 8 für beide Zellen die gleichen sind, und da die zu geordnete Schaltung für jede der beiden Zellen die gleiche ist, wird die nachstehende Beschreibung auf die in Verbindung mit der Zelle 7 verwendeten Vor richtungen beschränkt. Die entsprechenden Elemente für die Zelle 8 weisen die gleichen, mit einem Beistrich versehene Überweisungszeichen auf wie für die Zelle 7. Um die Übergänge in der Zelle 7 zu detektieren, wird vorzugsweise eine Photozelle 11 im Weg des Strahles 1 angeordnet, auf welche das vom Strahl 1 durch die Zelle 7 dringende Licht auf fällt.
Das Ausgangssignal der Photozelle 11 wird im Verstärker 12 verstärkt und an eine Phasenvergleichs vorrichtung 13 angelegt, welche die Form eines Syn chrondetektors aufweisen kann. In der Phasenver- gleichsvorrichtung 13 wird das Ausgangssignal des Verstärkers 12 mit dem Bezugssignal verglichen, welches von einem Niederfrequenzoszillator 14 ab gegeben wird.
Das Ausgangssignal der Vorrichtung 13, dessen Amplitude und Polarität in übereinstim- mung mit dem Unterschied zwischen der Mittelfre quenz des atomaren überganges und der Frequenz der an die Zelle angelegten Mikrowellenenergie än dert, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird, gelangt an ein übliches Servosteuersystem 15, welches ein Potentiometer 16 dreht, welches eine Spannung an die Reaktanzröhre 17 anlegt, und diese Röhre be wirkt ihrerseits verhältnismässig kleine Änderungen in einem Kristalloszillator 18, um seine Ausgangsfre quenz zu ändern.
Das Ausgangssignal des Kristall- oszillators 18 gelangt an einen Phasenmodulator 19, welchem ausserdem ein Signal aus dem Niederfre- quenzoszillator 14 zugeführt wird, um das Ausgangs signal des Kristalloszillators 18 in der Phase zu modu lieren. Das resultierende phasenmodulierte Signal wird einem Frequenzvervielfacher 20 zugeführt, in welchem es derart vervielfacht wird, dass es in den Mikrowellenfrequenzbereich fällt, wie dies nachste hend noch näher erläutert wird, um ein frequenz- moduliertes Mikrowellensignal zu ergeben.
Dieses frequenzmodulierte Mikrowellensignal wird dann dem Mikrowellenhorn 21 über einen Wellenleiter 22, der beispielsweise aus einer koaxialen Leitung besteht, und über eine Sonde 23 zugeführt. Das Horn 21 strahlt Mikrowellenenergie durch die Zelle 7 hin durch. Die Sonde 23 und das Horn 21 sind so orien tiert, dass das resultierende Magnetfeld der abgestrahl ten Welle beim Durchgang durch die Zelle 7 senk recht zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes in der Zelle 7 und senkrecht zum statischen Magnetfeld H" steht.
Eine gleichartige Anordnung von der oben für die Zelle 7 beschriebenen Art ist für die Zelle 8 vorgese hen.
Zur Erzeugung eines Ausgangssignals aus dem vorgenannten System, welches als Frequenzstandard dienen kann, werden die Frequenzen der Signale des Kristalloszillators 18 und des Kristalloszillators 18' oder des Frequenzvervielfachers 20 und des Fre- quenzvervielfachers 20' addiert. Bei der in der Fig. 3 dargestellten Anordnung gelangen die Signale der Oszillatoren 18 und 18' zu einem Mischer 24, dessen ausgewähltes Ausgangssignal gleich der Summe der beiden Eingangsfrequenzen ist. Diese Auswahl erfolgt mit Hilfe eines einfachen Bandpassfilters 25.
Das ausgewählte Ausgangssignal bildet den gewünschten Frequenzstandard. Wenn beispielsweise in den Zellen 7 und 8 Natriumdampf verwendet wird, werden die Kristalloszillatoren je auf eine Frequenz von ungefähr 1 MHz abgestimmt und die Frequenzvervielfacher 20 und 20' so ausgebildet, dass sie die Eingangsfrequenz mit dem Faktor 1800 multiplizieren. Durch gering fügige Änderungen der Frequenz der beiden Kristall oszillatoren 18 und 18' kann das Ausgangssignal des Mischers 24 auf eine stabile Frequenz in der Nähe von
EMI0005.0037
MHz stabilisiert wer den.
Die eben beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Die Erregung durch das rechts zirkular polari sierte Licht erzeugt in der Zelle 7 beim Grundenergie niveau mr = -f-2 eine Bevölkerungsanreicherung, während das links zirkular polarisierte Licht in der Zelle 8 beim Niveau mr = - 2 eine Bevölkerungs anreicherung erzeugt.
Verschiedene Übergänge, bei denen je eine andere dieser beiden Anreicherungen im Spiel steht, werden dadurch hervorgerufen, dass man die Frequenz der durch die Hörner 21 und 21' abgestrahlten Mikrowellenenergie so einstellt, dass sie mit der Mittelfrequenz der Resonanzkurven jeder die ser Übergänge übereinstimmt, welche in den Fig. 1 und 2 mit<I>a</I> und<I>b</I> bezeichnet sind. Diese Einstellung auf die richtige Frequenz kann automatisch durch irgendein geeignetes automatisches Frequenzsteuer- system gesteuert werden, von denen eines in der Fig. 3 gezeigt ist.
Dieses beruht auf der Tatsache, dass, wenn die an die eine oder andere Zelle an gelegte Mikrowellenfrequenz in der einen oder ande ren Richtung bezüglich der Mittelfrequenz der Reso nanzkurve geändert wird, sich die Lichtabsorption gemäss einer charakteristischen Absorptionskurve än dert, welche die gleiche Form hat wie eine Lorentz'sche Resonanzkurve. Wenn man für den Augenblick nur eine einzige Zelle, z.
B. die Zelle 7, und ihre zugeordnete Schaltung betrachtet, dann wird der Niederfrequenzoszillator 14 dazu verwendet, die Mikrowellenfrequenz rückwärts und vorwärts über einen kleinen Teil der Resonanzkurve des in der Zelle 7 ausgenützten überganges zu verändern, welche durch den Kristalloszillator 18 und den Ver- vielfacher 20 festgelegt ist. Falls diese Änderung sym metrisch um die Mittelfrequenz des überganges er folgt, dann ergibt sich ein minimales Ausgangssignal.
Falls die mittlere Frequenz auf der einen oder an deren Seite der Mittelfrequenz liegt, wird von der Photozelle 11 ein Ausgangssignal in der Form einer Niederfrequenzwelle erhalten. Wenn die mittlere Fre quenz auf der einen Seite der genannten Mittelfre quenz liegt, dann ist diese Niederfrequenzwelle um 180 phasenverschoben gegenüber der Niederfre- quenzwelle, welche dann erzeugt wird, wenn die mitt lere Frequenz auf der anderen Seite der Mittelfre quenz liegt.
In der Phasenvergleichsvorrichtung 13 wird die Niederfrequenzwelle mit der Bezugs-Nieder- frequenzwelle des Oszillators 14 verglichen. Dabei entsteht ein Gleichstromfehlersignal am Ausgang der Vorrichtung 13, dessen Polarität von den relativen Phasen. der verglichenen Niederfrequenzwellen abhän gig ist.
Man erkennt, dass, wenn diese bipolaren Feh lersignale richtig verwendet werden, diese den Kri- stalloszillator 18 in einer Richtung treiben, so dass die vom Horn 21 abgestrahlte Mikrowellenenergie die gleiche Frequenz aufweist wie die Mittelfrequenz des Überganges a.
Von den zahlreichen Arten, in wel chen diese Steuerung erzielt werden kann, besteht die im Fall der Fig. 3 als Beispiel dargestellte Art in der Verwendung eines üblichen Servosteuersystems, wo bei die Fehlersignale in diesem System im üblichen Servoverstärker verstärkt und für den Antrieb eines Servomotors verwendet werden, welcher seinerseits ein Potentiometer 16 dreht, welches die an die Reak- tanzröhre 17 angelegte Spannung steuert. Diese Röhre kann in üblicher Weise verwendet werden, um den relativ stabilen Kristalloszillator 18 in der Weise zu steuern, dass seine Ausgangsfrequenz die erforder lichen kleinen Änderungen ausführt.
Diese Ausgangs frequenz wird dann vervielfacht und liefert die mitt lere Frequenz der vom Horn 21 abgestrahlten Mikro wellen.
Ein gleicher Vorgang spielt sich für die Zelle 8 und die ihr zugeordnete Schaltung ab, wodurch der Kristalloszillator 18' durch die frequenzselektive Charakteristik der hyperfeinen Grundenergieniveau- übergänge in der Zelle 8 gesteuert wird, wie dies eben in Verbindung mit der Zelle 7 dargelegt wurde. Die Frequenzen der beiden Kristalloszillatoren 18 und 18' werden dann im Mischer 24 addiert, und das Filter 25 liefert die Summenfrequenz, welche, wie be reits erwähnt, konstant bleibt, und zwar unabhängig von Änderungen der Stärke des Magnetfeldes, wel ches das Alkalidampfmedium, das heisst die beiden Zellen 7 und 8, durchsetzt.
Selbstverständlich können zahlreiche andere Mög lichkeiten in Erwägung gezogen werden, um die Feh lersignale der Phasenvergleichsvorrichtungen zur Steuerung der mittleren Frequenz zu verwenden. So kann beispielsweise das zweischleifige Frequenzstabi- lisierungssystem verwendet werden, welches im Arti kel A Frequency System of Microwave Gas Dielec- tric Measurements von William F.
Gabriel in der Zeitschrift Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Band 40, 1952, auf den Seiten 940 usf. beschrieben ist. Selbstverständlich kann an Stelle der bevorzugten optischen Detektionsmittel auch eine Mikrowellendetektion verwendet werden. Während in der vorliegenden Beschreibung die zwei Übergänge in getrennten Zellen erfolgen, versteht man, dass diese auch in der gleichen Zelle erfolgen könnten, und zwar beispielsweise in verschiedenen Gebieten derselben.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, beide Übergänge im gleichen Volumen zu erregen und durch Mikrowellendetektionsmittel die Summe der Frequenzen beiden Übergängen zu detektieren. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Problem der Erzeugung eines homogenen statischen Magnetfeldes vereinfacht wird, da die Übergänge in der gleichen Zelle und im gleichen Bereich oder Ge biet stattfinden.