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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.
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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.
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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.
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Folgende Forderungen sind an eine derartige Anordnung zu stellen:
a) Das Signal-Rausch-Verhältnis soll so groß wie möglich sein.
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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.
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d) Systemfehler der Anordnung dürfen nicht auf die atomare Frequenzkontrolle
eingehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An Hand der Fig. 4, 5 und 6, in denen Kurven dargestellt sind, soll
die Wirkungsweise der Erfindung erläutert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.