DE1143453B - Atom-Uhr - Google Patents

Atom-Uhr

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DE1143453B
DE1143453B DEI15745A DEI0015745A DE1143453B DE 1143453 B DE1143453 B DE 1143453B DE I15745 A DEI15745 A DE I15745A DE I0015745 A DEI0015745 A DE I0015745A DE 1143453 B DE1143453 B DE 1143453B
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Germany
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cell
gas
atomic clock
light
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DEI15745A
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Maurice Arditi
Thomas Ripley Carver
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International Standard Electric Corp
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    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
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    • H03L7/26Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
    • GPHYSICS
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    • G04FTIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • HELECTRICITY
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Description

  • Atom-Uhr Die Erfindung bezieht sich auf eine sogenannte Atom-Uhr unter Anwendung einer Frequenzauswahlmethode, bei der die Hyperfeinstruktur-Eigenfrequenz eines gasförmigen Alkalimetalls als Frequenznormal verwendet wird.
  • Es ist bekannt, daß Mikrowellen durch bestimmte Gase mehr oder weniger absorbiert werden. Es ergibt sich eine Absorptionskurve in Abhängigkeit von der Frequenz, die dem Verlauf einer Resonanzkurve eines Schwingungskreises sehr ähnlich ist. Ferner hat man gefunden, daß diese Absorptionseigenschaften der Gase unter anderem auch durch eine Bestrahlung mit infrarotem Licht beeinflußt werden können und daß umgekehrt die Absorption des infraroten Lichtes durch das Gas auch von der Stärke der verwendeten Mikrowellenenergie abhängig ist. Bei einer bekannten Anordnung verwendet man diese Erscheinung für die fotoelektrische Demodulation von frequenz- bzw. vorzugsweise amplitudenmodulierten Schwingungen. Dabei werden die Mikrowellen in einen mit Gas angefüllten Hohlraum, in dem ein bestimmter Gasdruck herrscht, über ein dielektrisches Fenster geleitet. Der Strahl einer infraroten Lichtquelle fällt durch ein zweites Fenster in diesen Hohlraum ein und wird dort je nach Stärke der Mikrowellenenergie durch das Gas mehr oder weniger absorbiert. Der nicht absorbierte verbleibende Anteil des Lichtstrahles tritt über ein drittes Fenster aus dem Hohlraum aus und fällt auf eine Fotozelle, an deren Ausgang die Amplitudenschwankungen der Mikrowellen als niederfrequente Stromschwankungen auftreten.
  • Dieser Anordnung liegen jedoch noch nicht die neuesten Erkenntnisse der Mikrowellenspektroskopie zugrunde, die in den sogenannten, in den verschiedensten Anordnungen mit Masern bekannten Atom-Uhren zur Nachstimmung eines Oszillators auf die atomar bedingten Resonanzlinien von Atomen oder Molekülen eines Gases verwendet werden. Bekanntlich weist der Übergang von einem auf das andere Energieniveau eine ganz bestimmte Frequenz (Resonanzkurve) -auf. Durch Phasenmodulation des Oszillators läßt sich dessen Abweichung von der Resonanz (S-Kurve) am Ausgang eines Phasenmodulators gewinnen. Die entstehende Spannung kann als Nachstimmspannung zur Frequenzkorrektur des Oszillators auf die Resonanzlinie der Atome verwendet werden.
  • Folgende Forderungen sind an eine derartige Anordnung zu stellen: a) Das Signal-Rausch-Verhältnis soll so groß wie möglich sein.
  • b) Die Breite der atomaren Resonanzkurve soll so klein wie möglich sein. c) Ihre Mittenfrequenz f, soll nahezu unabhängig von den äußeren elektrischen oder magnetischen Feldern, Temperaturschwankungen, Gasdrücken, Beschleunigungen usw. sein.
  • d) Systemfehler der Anordnung dürfen nicht auf die atomare Frequenzkontrolle eingehen.
  • Ein atomarer Übergang, der diesen Forderungen nahezu gerecht wird, ist der hyperfeine Übergang ;A F = 1, 4 mp, = 0 bei mF = 0 eines gasförmigen Alkalimetalls im Grundzustand. Dieser Übergang beruht auf der relativen Richtung. des Spins des Valenz-Elektrons im Vergleich zu dem Spin des Atomkernes. Jedoch ist die Empfindlichkeit der Demodulation in einer derartigen Atom-Uhr aus folgenden Gründen gering Bei Raumtemperatur in der Gaszelle sind meistens genau soviel Atome N' im tieferen Zustand F = 1, mF = 0 wie Atome N" im höheren Energiezustand F = 2, mF = 0 vorhanden, wobei die Anzahl der Atome N' etwas überwiegt nach der Beziehung Hierin stellt h die Planksche Konstante, 1c die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur des Gases, v die Frequenz des atomaren Übergangs, C die Lichtgeschwindigkeit und dar.
  • Infolge des bekannten Gesetzes, wonach für eine gegebene Mikrowellen-Feldstärke die Wahrscheinlichkeit für eine Absorption eines Photons durch Atome in den beiden unteren Energiezuständen genau gleich der Wahrscheinlichkeit für eine Emission eines Photons in Form einer Mikrowellenstrahlung durch Atome in den beiden höheren Energiezuständen ist, weist die bei der Demodulation entstehende Ausgangsspannung extrem niedrige Werte auf, da sie der Anzahl der »Überschußatome« im stärker angereicherten Zustand proportional ist. Eine Möglichkeit zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Ausgangsspannung ist es, die Anzahl der Atome mit einem höheren Energieniveau gegenüber der Anzahl der Atome mit niedrigerem Energieniveau zu erhöhen. Dazu könnte beispielsweise die Temperatur erniedrigt werden, jedoch ist dabei sehr bald eine Grenze durch die gesamte Anzahl der Atome N = N'- N" gegeben, die nämlich stark mit der Temperatur abnimmt.
  • Eine andere Möglichkeit zur Anreicherung der Atome mit höherem Energieniveau liegt in der Anwendung der bekannten Maßnahme des optischen Pumpens. So wird beispielsweise in einer in der Zeitschrift »Journal of the optical Society of America«, Juni 1957, S. 460 bis 465, veröffentlichten Arbeit von Kastler eine Methode zur Anregung von Atomen durch polarisiertes, insbesondere zirkular polarisiertes Licht beschrieben. Allerdings entsprechen die darin erwähnten Übergänge, die nur zwischen den Komponenten (d nzF = 0) des totalen Drehmomentes eines Atoms zur Richtung des statischen Magnetfeldes ohne Veränderung des totalen Drehmomentes des Atoms selbst (d F = 0) auftreten, wesentlich niederen Frequenzen, beispielsweise 132 MHz, als sie der Erfindung zugrunde liegen. Ferner wird in dieser Arbeit angegeben, daß die obengenannte Anregung zur Auffindung von höchstfrequenten Resonanzstellen bei optisch angeregten Atomen verwendet werden kann. Es wird auch erwähnt, daß diese Resonanzstellen eine charakteristische Schwankung der Intensität und der Polarisationsrichtung des wieder ausgesandten Lichtes hervorrufen.
  • Während man bisher von der bekannten Maßnahme des optischen Pumpens bei Atom-Uhren auch für höhere Frequenzen - so wurde beispielsweise bereits der Übergang von F = 2, m = 0 -> F = 1, mF = 0 in einer Natriumgaszelle als Frequenznormal verwendet - immer nur in Verbindung mit einer herkömmlichen Mikrowellendemodulation Gebrauch gemacht hat, werden bei einer Atom-Uhr, bei der in einer Zelle befindliches gasförmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfeld, monochromatischem, zirkular polarisiertem Licht und höchstfrequenten elektromagnetischen Schwingungen ausgesetzt ist und die daraus resultierenden atomar bedingten Übergänge zwischen den Energiezuständen des Alkaligases zur Frequenzstabilisation der höchstfrequenten Schwingungen dienen, erfindungsgemäß einerseits Vorrichtungen verwendet, die das die Zelle durchsetzende zirkular polarisierte Licht fotoelektrisch demodulieren, andererseits Schaltelemente, die aus den atomar bedingten Schwankungen des absorbierten bzw. emittierten Lichtes und denen seiner Polarisationsrichtung eine Nachstimmspannung für den auf die Zelle einwirkenden Mikrowellengenerator erzeugen. Dabei hat es sich gezeigt, daß diese Vereinigung zum Teil bekannter Maßnahmen die gewünschten Resultate bringt, insbesondere da sich mit einer fotoelektrischen Demodulation zur Messung der Lichtabsorption nur mit zirkular polarisiertem Licht als optischer Pumpe ein zufriedenstellendes Signal-Rausch-Verhältnis der Ausgangsspannung erzielen läßt. Versuche mit linear polarisiertem Licht ergaben kein für eine fotoelektrische Demodulation ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis.
  • An Hand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden Fig. 1 ist ein schematisches Wirkschaltbild einer Atom-Uhr; in Fig. 2 ist eine Abänderung der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung dargestellt; Fig. 3 bezieht sich auf eine Änderung der in der Fig. 1 verwendeten optischen Demodulation.
  • An Hand der Fig. 4, 5 und 6, in denen Kurven dargestellt sind, soll die Wirkungsweise der Erfindung erläutert werden.
  • Zur praktischen Ausführung der Erfindung wird der hyperfeine Übergang eines gasförmigenAlkalimetälls in der folgenden Weise verwendet: In einem geeigneten Gefäß, das mit einem nichtmagnetischen Gas bei einem guten Vakuum angefüllt ist, wird eine Probe eines gasförmigen Alkalimetalls eingeschlossen. Dieses Gefäß wird einem zirkular polarisierten monochromatischen Licht ausgesetzt. Beispielsweise kann die Gaszelle in einem Mikrowellen-Hohlraumresonator mit runder Öffnung angeordnet sein, in dessen Stirnflächen Öffnungen vorgesehen sind, die den Durchgang des Lichtes ermöglichen.
  • Andererseits wird die Gaszelle dem elektromagnetischen Wechselfeld eines Mikrowellengenerators ausgesetzt, das mittels eines Richtstrahlers eingestrahlt wird. Die Frequenz der Mikrowellenenergie entspricht dabei genau der, die durch den-atomaren Übergang in den Alkaliatomen eine Änderung der Intensivität und der Polarisation des durch die Gaszelle gesandten Lichtes hervorruft. Diese Schwankungen werden nun fotoelektrisch, beispielsweise mittels einer Fotozelle, demoduliert. Die im Mikrowellengebiet liegende, atomar bedingte diskrete Frequenz wird nun zur Schaffung eines hochkonstanten Frequenznormals in der folgenden Weise ausgenutzt: Die Mikrowellenfrequenz wird durch ein niederfrequentes Signal moduliert, beispielsweise phasenmoduliert, und nach Durchlaufen der Gaszelle fotoelektrisch demoduliert. Die daraus hervorgegangene niederfrequente Schwingung wird in einer Phasenvergleichsstufe mit der dem Mikrowellengenerator phasenmodulierenden Schwingung verglichen. Aus dem Phasenvergleich beider Schwingungen wird die dem Mikrowellengenerator beeinflussende Nachstimmspannung gewonnen, die seine Frequenz auf die atomar bedingte Frequenz nachstimmt.
  • Gemäß der Fig. 1 wird ein stetiger monochromatischer Lichtstrahl in einer herkömmlichen Natriumlampe 1 erzeugt und vorzugsweise als stetiger direkter Lichtstrom durch einen Zirkularpolarisator 2 herkömmlicher Art geleitet. Der zirkular polarisierte Natrium-Lichtstrahl durchdringt die Gaszelle 4, die, wie später erläutert werden soll, gasförmiges Natrium 23 und ein Bremsgas enthält. Ein statisches Magnetfeld 5, dessen Kraftlinien parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtstrahles verlaufen, durchsetzt ebenfalls die Zelle 4. Gegen äußere magnetische Streufelder und eventuelle Störungen durch das magnetische Erdfeld ist die Gaszelle 4 in geeigneter Weise abzuschirmen. Zur Erzeugung des Magnetfeldes 5 sind herkömmliche Methoden geeignet. Das die Zelle 4 durchsetzende Licht oder, genauer gesagt, das von der Zelle 4 erneut ausgestrahlte Licht trifft in seiner Ausbreitungsrichtung, also der Richtung des Strahles 3, auf eine Fotozelle 6, deren Ausgangsspannung im nachfolgenden Verstärker 7 verstärkt wird und dann der Phasenvergleichsstufe 8 zugeführt wird, wo sie mit dem vom Niederfrequenzoszillator 9 erzeugten Bezugssignal verglichen wird. Die Ausgangsspannung der Phasenvergleichsstufe 8, deren Amplitude und Polarität gemäß den Frequenzabweichungen der auf die Gaszelle gerichteten Mikrowellenenergie in bezug zu der durch die atomaren Vorgänge im Gas bestimmten Frequenz schwankt, wird an das automatische Steuersystem 10 gelegt. Dieses treibt mechanisch ein Potentiometer 11 an und versorgt somit eine Reaktanzröhre 12 mit einer Nachstimmspannung, die nur relativ kleine Frequenzänderungen im Quarzoszillator 13 hervorruft. Das Ausgangssignal des Quarzoszillators 13 wird an einen Phasenmodulator 14 geleitet, dem gleichfalls auch die aus dem Oszillator 9 stammende niederfrequente Modulationsfrequenz zugeführt wird. Das resultierende phasenmodulierte Signal wird im Vervielfacher 15, wie später genauer gezeigt werden soll, bis zur Mikrowellenfrequenz vervielfacht, woraus dann das erforderliche Mikrowellensignal gewonnen wird. Dieses wird über einen geeigneten Wellenleiter, beispielsweise über die Koaxialleitung 17, dem Strahler 16 mit der Sonde 18 zugeführt. Der Strahler 16 ist auf die Zelle 4 ausgerichtet. Die Sonde 18 ist im Strahler so angeordnet, daß der magnetische Vektor der Mikrowellen parallel zum statischen Magnetfeld 5 in der Zelle 4 liegt.
  • Die Zelle 4 ist als evakuierter Glaskolben ausgebildet, in dem das Natriumgas durch Destillation eingeführt wird. Ferner ist die Zelle mit einem nichtmagnetischen, trägen Gas, beispielsweise Argon, Neon oder Helium, unter einem geeigneten Druck gefüllt, wie später erläutert werden soll. Im Betrieb wird die Zelle zweckmäßig auf eine derartige Weise erhitzt, daß keine Störungen des Magnetfeldes hervorgerufen werden, und zwar auf eine Temperatur zwischen 120 und 130°C im Falle einer Natriumzelle. Es können aber auch andere gasförmige Alkalimetalle, z. B. Rubidium, dessen Temperatur 40°C, oder Caesium, dessen Temperatur 15 bis 30°C betragen soll, verwendet werden. Für die Betriebstemperatur aller in Frage kommenden Alkalimetalle gilt immer, daß sie so hoch sein muß, daß genügend Atome im angeregten Zustand vorhanden sind, um ein brauchbares Ausgangssignal erhalten zu können, aber andererseits nicht so hoch sein darf, daß keine Einheitlichkeit der magnetischen Momente infolge von Zusammenstößen zwischen den Atomen mehr besteht.
  • Das Zusatzgas oder, besser gesagt, Bremsgas verhindert die Wirkung des Dopplereffektes und unterstützt damit die Pumpleistung. Dabei gibt es ein Optimum für seinen Gasdruck. Die atomar bedingte Frequenz fo wird durch das Bremsgas und dessen Druck beeinfiußt. Verwendet man beispielsweise Natrium als Alkalimetall und Argon als Bremsgas, so liegt die Frequenz f, um einige Hertz pro Torr niedriger. Bei der Kombination Natrium und Neon als Bremsgas wurde gefunden, daß eine bei Druckänderungen relativ große Frequenzabweichung nach höheren Frequenzen hin auftritt. Sie beträgt etwa pro Torr 80 Hz. Damit läßt sich also durch Veränderung des Gasdruckes bei Neon als Bremsgas die atomar bedingte Frequenz f" über einen relativ großen Bereich einstellen. Fig. 6 zeigt diese Zusammenhänge, wobei f, in Abhängigkeit vom Gasdruck des Bremsgases aufgetragen ist.
  • Als Kompromiß zwischen den beiden Forderungen nach einer möglichst großen Pumpleistung und nach einer wirksamen Herabsetzung des Dopplereffektes wird zweckmäßigerweise ein Gasdruck für das Bremsgas von ungefähr 1 Torr verwendet. Normalerweise soll der Gasdruck 5 Torr nicht übersteigen. Wenn jedoch zur Erzielung einer sehr scharf ausgeprägten atomaren Resonanzfrequenz die Relaxionszeit besonders stark werden soll, können auch höhere Drücke angewendet werden. So wurden beispielsweise Gasdrücke bis zu 30 Torr für Argon als Bremsgas verwendet.
  • Die Wirkungsweise der oben beschriebenen Anordnung wird wie folgt beschrieben: Die Anregung durch das zirkular polarisierte Licht ruft in der Zelle 4 eine Anreicherung des Energieniveaus mF = 2 hervor. Eine kleine, aber dennoch bedeutsame Änderung dieses Niveaus mF = 2 tritt dann ein, wenn die Niveaus mF = 0 verändert werden oder, mit anderen Worten, wenn die Mikrowellenübergänge 4 F = 1, d mF = 0 bei mF = 0 das Niveau mF = 0 sättigen, was für eine ganz bestimmte Mikrowellenfrequenz f, der Fall ist. f, ist also die Frequenz, bei der sich der hyperfeine Übergang im Alkalimetall vollzieht. Speziell liegt im Falle des Natriums als Alkalimetall der Übergang d F = 1, d mF = 0 bei mF = 0 vor. Im Falle des Caesiums ist es der Übergang vonF=4undmF=0->F=3undmF=0. Wegen ihrer weitgehenden Unabhängigkeit von der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes wurden diese Übergänge für die Atom-Uhr ausgewählt. Beim Natrium beträgt f" = (1771,62 + 0,0022 Hz) - 108 Hz, wobei H das Magnetfeld bedeutet. Für ein Magnetfeld beispielsweise von 0,1 Oersted beträgt die Abweichung also 22 Hz. Fig. 5 zeigt die Änderung von f, für verschiedene Werte des statischen Magnetfeldes im Falle einer Natriumgaszelle.
  • Beim Caesium ist fo = (9192,631 + 0,00426 Hz) 106 Hz. Für ein Feld von beispielsweise 0,1 Oersted beträgt demnach die Frequenzabweichung nur 4 Hz.
  • Der erwünschte atomare Übergang wird durch den Abgleich der durch den Strahler 16 eingestrahlten Mikrowelle auf f, zustande gebracht. Dieser Frequenzabgleich kann durch eine übliche automatische Frequenzregelung erfolgen. Eine derartige Anordnung ist in der Fig. 1 dargestellt. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Mikrowellenfrequenz auf beiden Seiten der Frequenz f, liegt und die Absorption des Lichtes gemäß einer charakteristischen Absorptionskurve schwankt. Diese Kurve hat den gleichen Verlauf wie die Resonanzkurve von Lorentzien. Der Niederfrequenzoszillator 9 wird nun dazu benutzt, die Mikrowellenfrequenz, die im wesentlichen durch den Mikrowellen-Quarzoszillator stabilisiert ist, innerhalb eines kleinen Teiles der Kurve hin- und herschwanken zu lassen. Wenn diese Schwankung in der Umgebung der Übergangsfrequenz f, liegt, wird die Ausgangsspannung an der Fotozelle ein Minimum betragen. Wenn jedoch die Mikrowellenfrequenz auf einer der beiden Seiten von f, liegt, entsteht an der Fotozelle eine Ausgangsspannung in Form eines niederfrequenten Signals. Liegt die Mikrowellenfrequenz auf der einen Seite, so ist die Phase der resultierenden Niederfrequenz gegenüber einer aus auf der anderen Seite liegenden Mikrowellenfrequenz resultierenden Niederfrequenz um 180° verschoben. In der Phasenvergleichsstufe 8 wird daher die der Fotozelle entnommene Niederfrequenzschwingung mit der ursprünglichen Niederfrequenzschwingung des Oszillators 9 verglichen. Daraus wird eine Nachstimmspannung (Gleichspannung) gewonnen, deren Polarität von der relativen Phase des verglichenen Niederfrequenzsignals abhängt. Ein Beispiel für die Schwankung der Nachstimmspannung wird in der Fig. 4 gezeigt, worin das Ausgangssignal der Phasenvergleichsstufe in Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz zu beiden Seiten der Frequenz f, dargestellt ist. Wie ersichtlich, entsteht eine positive Nachstimmspannung bei Abweichung der Mikrowellenfrequenz nach der einen Seite und eine negative Nachstimmspannung bei deren Abweichung nach der anderen Seite. Bei Übereinstimmung von Mikrowellenfrequenz mit der Frequenz f, ist die Nachstimmspannung gleich Null. Es ist klar, daß die bipolare Nachstimmspannung den Quarzoszillator 13 immer in der Frequenzrichtung so nachzuregeln hat, daß die Mikrowellenfrequenz und die Frequenz f) übereinstimmen. Von den vielen Möglichkeiten für eine derartige Steuerung soll hier nur die Anordnung gemäß Fig. 1 erklärt werden. Sie besteht aus einem Servo-Kontrollsystem und einem Verstärker für die Nachstimmspannung sowie einem Servomotor, der das Potentiometer 11 mechanisch antreibt und damit die an der Reaktanzröhre 12 liegende Steuerspannung in der üblichen Weise regelt. Die Nachstimmspannung kann den Quarzoszillator 13 in der Frequenz nur geringfügig ändern. Seine Ausgangsschwingung wird dann vervielfacht. Die dabei entstehende Endfrequenz dient als die in die Zelle 4 eingestrahlte Mikrowellenenergie. Es bestehen natürlich noch andere Möglichkeiten zur Erzeugung der Nachstimmspannung.
  • Da bei dem eben beschriebenen Verfahren ein beträchtlicher Anteil der Mikrowellenenergie durch Strahlungsverluste verlorengeht, ist in einer in der Fig. 2 dargestellten anderen Möglichkeit die Zelle 4 in einem Hohlraumresonator vom H,1,-Typ angeordnet. Die Stirnflächen 21 des Hohlraumes sind geöffnet, um den Durchtritt des Lichtstrahles zu ermöglichen. Die Öffnungen in den Stirnflächen beeinträchtigen nicht den Schwingungsmodus des Hohlraumes 20. Dieser ist so ausgerichtet, daß das Magnetfeld der aus dem Frequenzvervielfacher austretenden Mikrowellen parallel zu dem statischen Magnetfeld, und zwar in der Richtung des Lichtstrahles verläuft. Der Hohlraum wird zweckmäßigerweise durch eine Leiterschleife (nicht dargestellt) angeregt.
  • Während die in den Fig. 1 und 2 gezeigte optische Demodulationsstufe nur eine einfache Fotozelle und einen Verstärker zur Messung der charakteristischen Absorption der Zelle aufweist, wird in der Fig. 3 ein sogenannter Polarisationsanalysator gezeigt. Bekanntlich verursachen die atomaren Übergänge in der Gaszelle nicht nur Schwankungen in der Absorption des Lichtes, sondern sie ändern auch dessen Polarität. Dieser Polarisationseffekt wird nun dazu benutzt, über zwei Fotozellen 31 und 32 zu demodulieren und Signale in einem Differentialverstärker 33 zu verstärken und dann einer Phasenvergleichsstufe 8 wie in der Fig. 1 zuzuführen. Wie bereits erwähnt, kann die Frequenz der Atom-Uhr durch Verändern des statischen Magnetfeldes innerhalb des angegebenen Bereiches abgestimmt werden (Fig. 5). Gleichfalls ist, wie aus der Fig. 6 ersichtlich, ein Frequenzabgleich auch durch Änderung des Gasdruckes möglich, insbesondere bei der Verwendung von Neon als Bremsgas in einer Natriumzelle.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Atom-Uhr, bei der in einer Zelle befindliches gasförmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfeld, monochromatischem, zirkular polarisiertem Licht und höchstfrequenten elektromagnetischen Schwingungen ausgesetzt ist und die daraus resultierenden atomar bedingten Übergänge zwischen den Energiezuständen des Alkaligases zur Frequenzstabilisation der höchstfrequenten Schwingungen dienen, gekennzeichnet durch die Verwendung von Vorrichtungen, welche das die Zelle durchsetzende zirkular polarisierte Licht fotoelektrisch demodulieren, und von Schaltelementen, welche aus den atomar bedingten Schwankungen des absorbierten bzw. emittierten Lichtes und seiner Polarisationsrichtung eine Nachstimmspannung für den auf die Zelle einwirkenden Mikrowellengenerator erzeugen.
  2. 2. Atom-Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Vektor der in die Zelle (4) eingestrahlten Mikrowellen parallel zu dem äußeren statischen Magnetfeld, und zwar in der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles verläuft.
  3. 3. Atom-Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zirkular polarisierte monochromatische Licht aus dem Gas des gleichen Metalls gewonnen wird, das auch in der Zelle (4) verwendet wird.
  4. 4. Atom-Uhr nach Anspruch 1, bei der das zirkular polarisierte Licht eine Anreicherung eines bestimmten, hyperfeinen Energieniveaus verursacht, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellengenerators so gewählt wird, daß sie den Übergang zwischen Energieniveaus, ausgenommen des durch das Licht angereicherten Energieniveaus, auslöst.
  5. 5. Atom-Uhr nach Anspruch 1, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in die mit Natrium (gasförmig) gefüllte Zelle (4) eingestrahlte Mikrowellenenergie eine solche Frequenz hat, daß der Übergang d F = 1, 4 mF = 0 bei mF = 0 angeregt wird.
  6. 6. Atom-Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (4) ein zusätzliches, nichtmagnetisches, vorzugsweise ein Edelgas als Bremsgas enthält.
  7. 7. Atom-Uhr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck des Bremsgases zwischen 1 und 50 Torr beträgt. B.
  8. Atom-Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zusätzlichen Bremsgas in der Zelle, insbesondere nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Frequenzabgleich innerhalb eines kleinen Bereiches der Gasdruck des Bremsgases verändert wird.
  9. 9. Atom-Uhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daB die Gaszelle (4) innerhalb eines Hohlraumresonators vom Hol,-Typ liegt, dessen Stirnflächen geöffnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 960 575; USA.-Patentschrift Nr. 2 699 503; Journal of the Optical Society of America, Juni 1957, S. 460 bis 465.
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