CH669874A5 - - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo di controllo della frequenza di un campione di frequenza del tipo a fascio a risonanza atomica o molecolare del tipo definito nella parte introduttiva dell'allegata rivendicazione 1.

Un campione di frequenza di tale tipo è realizzato correntemente con dispositivi a fascio atomico di cesio, quali quelli descritti, ad esempio, nei brevetti statunitensi 2 972 115 e 3 354 307. Nella figura 1 dei disegni allegati è illustrato schematicamente un siffatto dispositivo. Esso comprende una sorgente 1 (forno) che genera ed invia un fascio di atomi di cesio 2 verso una prima coppia di magneti deflettori 3a e 3b, i quali creano un campo magnetico fortemente disuniforme. Tale campo magnetico separa spazialmente gli atomi che si trovano nello stato cui corrisponde un momento magnetico avente un determinato segno dagli atomi aventi un momento magnetico di segno opposto. Gli atomi selezionati 2a vengono fatti successivamente interagire in due cavità risonanti a microonde 4a, 4b disposte in successione, con una radiazione elettromagnetica avente una frequenza prossima alla frequenza atta a produrre la transizione o cambiamento di stato (inversione del segno del momento magnetico di «spin») di tali atomi. Quanto più la frequenza di tale radiazione è prossima a quella caratteristica del cesio (9. 192. 631. 770 Hz) tanto maggiore è il numero di atomi che invertono il proprio momento magnetico, cioè che cambiano stato. Una seconda coppia di magneti deflettori 5a, 5b agisce sugli atomi 2a che escono dalla seconda cavità 4b, in modo che soltanto gli atomi 2b che hanno subito l'inversione possono dirigersi verso un rivelatore 6. Tale rivelatore, in modo per sè noto, fornisce una corrente I proporzionale al numero degli atomi su di esso incidenti.

Da un punto di vista funzionale, ai fini della successiva descrizione, il dispositivo a fascio di cesio della figura 1 può essere considerato come un «blocco» D (figura 2) caratterizzato da una determinata funzione di trasferimento che lega la corrente I di uscita alla frequenza v che rappresenta la grandezza di ingresso. Tale funzione di trasferimento, che è peraltro ben nota, verrà ulteriormente descritta nel seguito.

Nella figura 3 è illustrato un campione di frequenza comprendente un tubo al cesio D del tipo descritto con riferimento alle figure 1 e 2. Nella figura 3 con 10 è indicato un modulatore di fase, che modula la frequenza (ad esempio circa 5 MHz) del segnale fornitogli da un oscillatore 11 controllato in tensione (VCO). La frequenza del VCO 11 viene modulata nel tempo mediante una sinusoide di frequenza fm, ottenuta a partire da un oscillatore 12 ad onda quadra a frequenza 2fm. L'uscita di tale oscillatore è collegata a due divisori di frequenza 13, 14, che dimezzano la frequenza ricevuta e forniscono dunque in uscita un segnale ad onda quadra a frequenza fm. L'uscita del divisore 13 è collegata all'ingresso di un filtro passa-basso 15, l'uscita del quale fornisce un segnale praticamente sinusoidale a frequenza fm al modulatore 10. Il segnale modulato in frequenza emesso dal modulatore 10 viene elevato di frequenza ad esempio mediante un moltiplicatore 16, che fornisce dunque al tubo al cesio D un segnale a frequenza modulata sinusoidalmente nel tempo intorno ad una frequenza di interrogazione prossima alla frequenza caratteristica del cesio. La corrente I generata dal rivelatore 6 viene fornita ad un amplificatore selettivo 17, che da tale segnale di corrente estrae ed amplifica la sola componente sinusoidale avente la frequenza corrispondente alla prima armonica della modulante fornita al modulatore 10, cioè la frequenza fm.

L'amplificatore 17 e il divisore di frequenza 14 sono collegati ad un demodulatore di fase coerente 18, di tipo per sè noto, l'uscita del quale è collegata ad un amplificatore integratore 19, a sua volta collegato all'ingresso di controllo del VCO 11.

Nella figura 4 dei disegni allegati è riportata una serie di grafici esplicativi del funzionamento sia di un campione di frequenza a fascio di cesio di tipo noto, sia di un campione realizzato secondo la presente invenzione. In particolare nella figura 4 la curva I rappresentata, in funzione della frequenza f riportata in ascisse, è la cosiddetta curva di Ramsey, e rappresenta la funzione di trasferimento di un tubo al cesio. Tale curva presenta un picco in corrispondenza della frequenza fcs che per la transizione dal sottolivello Zeeman F = 4 mf=0 al sottolivello F = 3 mf=0 è pari a 9 192 631-770 Hz. Nella figura 4, sopra e sotto la curva di Ramsey sono posti due grafici che illustrano l'andamento nel tempo della frequenza modulata v fornita al tubo al cesio D. Nel grafico sottostante alla curva di Ramsey sono riportati due andamenti sinusoidali della v, indicati con V(i) e V(3) : in entrambi i casi, l'andamento della v è centrato sulla frequenza fcs. Supponendo che al tubo D della figura venga fornita una frequenza modulata secondo l'andamento della v(i) oppure della v<3) del grafico inferiore della figura 4, la corrente I generata dal rivelatore 6 presenta, in funzione del tempo t, gli andamenti delle curve I(u e 1(3) della figura 4. Come si può constatare, se la frequenza modulata è perfettamente centrata sul picco della curva di Ramsey, la corrente fornita dal rivelatore del tubo al cesio D presenta soltanto armoniche pari della frequenza modulante fm. Di conseguenza, in tale situazione l'amplificatore selettivo 17 fornisce in uscita un segnale idealmente nullo e la frequenza del VCO 11 non viene modificata.

Se invece la frequenza modulata non è centrata sul picco della curva di Ramsey, come mostrato dal grafico soprastante alla curva di Ramsey nella figura 4, il rivelatore del tubo al

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cesio fornisce una corrente che ha gli andamenti del tipo illustrato dalle curve l'o) e l'pj della figura 4.

Le curve l'o) e l'della figura 4 mostrano che, se la frequenza modulata non è centrata sul picco della curva di Ramsey la corrente fornita dal rivelatore ha un contenuto di armoniche dispari della frequenza modulante, ed in particolare la I' (i) presenta una forte componente di prima armonica. In questo caso l'amplificatore selettivo 17 della figura 3 estrae dalla corrente I la componente di frequenza fm, che viene demodulata in ampiezza e segno dal demodulatore di fase coerente 18. All'uscita di quest'ultimo compare dunque un segnale a frequenza 2fra, che è sostanzialmente un sinusoide di frequenza fm raddrizzata. Tale segnale viene amplificato ed integrato nell'amplificatore 19 e viene utilizzato per correggere la frequenza del VCO 11.

Il modo di funzionamento del campione mostrato nella figura 3 sopra descritto è tuttavia ideale, in quanto in esso sono stati trascurati gli effetti delle transizioni degli atomi di cesio adiacenti alla transizione a frequenza fcs.

Nella figura 5 sono riportate le cosiddette curve di Rabi che illustrano, in funzione della frequenza f riportata in ascissa, la corrente di uscita I del tubo D, per tre transizioni degli atomi di cesio.

La curva di Rabi centrale, centrata sulla frequenza fcs è relativa alla transizione fra i sottolivelli Zeeman precedentemente indicati. La curva a sinistra è invece relativa alla transizione dal sottolivello F=4 mf=— 1 al livello F = 3 mf=—1, mentre la curva di destra è relativa alla transizione dal sottolivello F = 4 niF = 1 al sottolivello F = 3 mF= 1.

Nel caso ideale le curve di destra e sinistra sono uguali e simmetriche rispetto alla curva centrale, e nell'intervallo di frequenza F centrato sul picco della curva centrale le ali o code delle curve laterali (il cui andamento si può considerare praticamente lineare) si sommano dando come risultato un segmento di retta orizzontale, indicato con R nella figura 5.

Nella realtà invece le code delle curve relative alle transizioni adiacenti a quella sfruttata si sommano dando come risultato nell'intervallo F un segmento di retta R' avente una pendenza diversa da 0.

Nel caso ideale l'effetto delle transizioni adiacenti a quelle effettivamente eccitate ed utilizzate non crea problemi: come si è detto la loro funzione di trasferimento complessiva è praticamente rappresentata da un segmento di retta orizzontale che non altera in pratica il contenuto di armoniche della corrente generata dal rivelatore del tubo al cesio.

Nel caso reale, la funzione di trasferimento relativa alle transizioni adiacenti a quella eccitata è come si è visto una retta a pendenza non nulla, e quindi tali transizioni adiacenti determinano la presenza nella corrente I di una componente alla frequenza della modulante, anche quando la ferquenza modulata v è effettivamente centrata sulla frequenza caratteristica della transizione eccitata.

In generale, le transizioni adiacenti a quella effettivamente eccitata comportano dunque un errore di frequenza del campione, del quale limitano quindi sia la precisione, sia la stabilità a lungo termine.

Lo scopo della presente invenzione è di consentire la realizzazione di campioni di frequenza di maggior precisione, miglior ripetibilità, accuratezza e stabilità a lungo termine, e maggiormente insensibili alle condizioni ambientali che possono influire sulla forma delle code delle curve di Rabi, ad esempio attraverso la potenza del campo nelle cavità.

Tale scopo viene raggiunto secondo l'invenzione con un dispositivo per il controllo della frequenza di un campione di frequenza del tipo sopra specificato, le caratteristiche principali del quale sono definite nell'allegata rivendicazione 1.

L'invenzione riguarda infine un campione di frequenza conforme alla rivendicazione 3 incorporante un siffatto dispositivo di controllo.

Le suddette caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni allegati, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, nei quali:

la fig. 1, già descritta, illustra schematicamente un dispositivo a risonanza atomica a fascio di cesio,

la figura 2 e la figura 3, già descritte, mostrano una rappresentazione funzionale schematica di un tubo al cesio secondo la figura 1 e, rispettivamente, lo schema a blocchi di un campione di frequenza secondo la tecnica anteriore includente un tubo al cesio,

la figura 4, anch'essa già descritta, presenta alcuni grafici esplicativi del modo di funzionamento di un tubo al cesio,

la figura 5, già descritta, mostra le curve di Rabi relative alla transizione effettivamente eccitata in un tubo al cesio, ed alle transizioni adiacenti, e la figura 6 mostra lo schema a blocchi di un campione di frequenza includente un tubo al cesio, modificato secondo la presente invenzione.

Nella figura 6 a dispositivi già descritti in relazione alla figura 3, sono stati nuovamente attributiti gli stessi numeri di riferimento.

Fra l'oscillatore 12 ed il divisore di frequenza 13 è interposto un ulteriore divisore di frequenza 100, che divide per 3 la frequenza fornita al suo ingresso. Di conseguenza, il divisore 13 fornisce in uscita un segnale ad onda quadra a frequenza fm/3. Il filtro 15 fornisce al modulatore 10 un segnale modulante sinusoidale avente dunque anch'esso frequenza fm/3.

L'amplificatore selettivo 17 collegato al tubo al cesio è anche in questo caso predisposto per estrarre la componente a frequenza fm. Tale frequenza è però in questo caso pari alla terza armonica della frequenza modulante.

Se la frequenza modulata fornita al tubo al cesio D è centrata effettivamente sulla frequenza fcs, anche in questo caso l'amplificatore selettivo fornisce un segnale praticamente nullo in quanto la corrente I contiene armoniche di ordine pari, ed una piccola componente alla frequenza della modulante (fm/3), dovuta alle transizioni adiacenti, che viene però bloccata dall'amplificatore selettivo 17.

Se la frequenza modulata fornita al tubo è invece non centrata sulla frequenza fcs, la corrente I presenta un andamento del tipo indicato dalla curva I' <3> nella figura 4, con una forte componente alla frequenza (fm) di terza armonica della modulante, che viene demodulata per generare il segnale di comando della frequenza del VCO 11. Anche in questo caso il contributo dovuto alle transizioni adiacenti a quelle citate non crea alcun problema, in quanto esso si traduce in una componente della corrente I a frequenza fm/3, che viene bloccata dall'amplificatore selettivo 17.

Secondo l'invenzione viene dunque ottenuta una maggiore precisione, una maggiore stabilità a lungo termine grazie alla rivelazione della terza armonica della frequenza modulante della microonda immessa nelle cavità del tubo al cesio.

Il ricorso alla rivelazione della terza armonica per ovviare agli inconvenienti generati dalle transizioni adiacenti a quella effettivamente eccitata, è già stato proposto e realizzato in altri ambiti, in particolare per la stabilizzazione di frequenza di laser su assorbimenti saturi.

Nel campo specifico dei campioni a fascio di cesio la rivelazione della terza armonica non soltanto non è stata mai proposta, ma addirittura era ritenuta sinora non attuabile, poiché si riteneva che il livello di ampiezza della terza armonica della frequenza modulante fosse troppo inferiore al livello dell'armonica fondamentale, e quindi insufficiente ad assicurare un rapporto segnale/rumore accettabile. Questa era l'opinione generale fra gli specialisti di questo settore, ed in particolare addirittura degli inventori, come risulta ad esempio dall'articolo «Pulling by neighbouring transitions and its effects on the

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performance of caesium-beam fequency standards» apparso in Metrologia, 20, 37-47 (1984).

Nel rivedere criticamente tale convinzione generalmente condivisa dai tecnici del ramo, gli inventori hanno dedotto analiticamente e quindi verificato sperimentalmente che il rapporto segnale/rumore ottenibile in un anello di rivelazione della terza armonica della frequenza modulante è praticamente uguale a quello di un anello di rivelazione della armonica fondamentale.

La figura 6, per confronto con la figura 3, suggerisce immediatamente come i campioni di frequenza attuali possano essere rapidamente ed agevolmente modificati per realizzare la rivelazione della terza armonica, e conseguire i vantaggi che ne derivano.

s Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

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3 fogli disegni

Claims (3)

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1. Dispositivo di controllo della frequenza di un campione di frequenza del tipo a fascio a risonanza atomica o molecolare comprendente:

due cavità a microonde (4a, 4b),

mezzi generatori controllati (10, 11, 16) atti a fornire a dette cavità (4a, 4b) un campo ad una frequenza modulata sinusoidalmente nel tempo intorno ad una frequenza di interrogazione (v) variabile e prossima alla frequenza caratteristica (fcs) di una prestabilita transizione degli atomi o molecole del fascio (2a),

una sorgente (1) per indirizzare un fascio di atomi o molecole (2a) attraverso dette cavità (4a, 4b),

un rivelatore (6) atto a generare una corrente (I) proporzionale al numero di atomi o molecole (B) che hanno subito detta transizione;

il dispositivo di controllo comprendendo mezzi (17, 18) per generare un segnale di controllo in funzione di una prestabilita caratteristica rivelata di detta corrente (I), detto segnale di controllo essendo utilizzabile per modificare la frequenza del suddetto campo in modo tale da minimizzare lo scarto fra detta frequenza caratteristica (fcs) e la frequenza di interrogazione (v),

caratterizzato dal fatto che detti mezzi comprendono un circuito rivelatore (17) atto ad estrarre da detta corrente (I) la componente la cui frequenza è uguale ad una prestabilita armonica dispari, superiore alla prima, della modulante della frequenza di interrogazione, ed un demodulatore (18) collegato a detto circuito rivelatore (17), per demodulare detta componente in ampiezza e segno.

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito rivelatore (17) è predisposto per estrarre da detta corrente (I) la componente la cui frequenza è uguale alla terza armonica della modulante della frequenza di interrogazione (v).

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RIVENDICAZIONI

3. Campione di frequenza a fascio atomico o molecolare comprendente il dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 1 o 2.