DE1174266B - Atomuhr - Google Patents

Description

• Atomuhr Gemäß dem Hauptpatent ist eine Atomuhr geschützt, bei der in einer Zelle befindliches gasförmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfeld, monochromatischem, zirkularpolarisiertem Licht und höchstfrequenten elektromagnetischen Schwingungen ausgesetzt ist und die daraus resultierenden atomarbedingten Übergänge zwischen den Energiezuständen des Alkaligases zur Frequenzstabilisation der höchstfrequenten Schwingungen dienen, die gekennzeichnet ist durch die Verwendung von Vorrichtungen, welche das die Zelle durchsetzende zirkularpolarisierte Licht fotoelektrisch demodulieren, und von Schaltelementen, welche aus den atomarbedingten Schwankungen des absorbierten bzw. emittierten Lichtes und seiner Polarisationsrichtung eine Nachstimmspannung für den auf die Zelle einwirkenden Mikrowellengenerator erzeugen.
• Die Erfindung betrifft nun eine vorteilhafte Weiterbildung einer solchen Anordnung nach dem Hauptpatent.
• Im Hauptpatent wurde auch bereits vorgeschlagen, die Gaszelle, in der die atomaren Vorgänge vor sich gehen, mit einem Bremsgas zu füllen, wodurch 1. die Wirkung des Dopplereffektes verringert wird und 2. das optische Pumpen durch Verzögerung der Einfangzeit der alkalimetallischen Atome an den Wänden der Gaszelle wirksamer wird.
• Auch in der Veröffentlichung von K a s t l e r im Journal of the Optical Society of America, Juniheft 1957, »Optical Methods of Atomic Orientation and of Magnetic Resonance«, wurde bereits auf S.464 die Verbesserung der Resonanzschärfe einer derartigen Alkaligaszelle bzw. deren Signal-Rausch-Verhältnis durch den Zusatz von Wasserstoff oder Deuterium quantitativ in Abhängigkeit vom Gasdruck des zusätzlichen Gases untersucht.
• Folgende Schwierigkeiten ergeben sich jedoch durch den Gebrauch eines solchen zusätzlichen Bremsgases: 1. Es wird durch die atomare Resonanzfrequenz beeinflußt, und 2. es wird dadurch die atomare Resonanzfrequenz abhängig vom Druck und von der Temperatur der Gaszelle.
• Da jedoch die Verwendung eines solchen Bremsgases kaum umgehbar ist, wurden bisher diese Schwierigkeiten in Kauf genommen.
• In manchen Fällen ist es jedoch wünschenswert, eine bestimmte Abhängigkeit der Mittenfrequenz vom Gasdruck zu haben, so daß dui die Steuerung des Druckes beispielsweise durch S.erung der Temperatur der Zelle, es ermöglicht rd, die Mittenfrequenz in einer ganz bestimmteWeise ausreichend zu verändern. Mit der ErfindurtMrd eine Anordnung geschaffen, die dies ermöglt und die außerdem die erwähnten Schwierigkei, zeitigt.
• Freilich ist auch im Hauptbnt bereits vorgeschlagen, den Gasdruck eines nzelnen« Bremsgases zur Frequenzregulierung zurändern, freilich nur in kleinem, in manchen Fällcunzureichendem Bereich.
• Bei einer Atomuhr, bei der geß dem Hauptpatent in einer Zelle befindliches, gjrmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfe monochromatischem, zirkularpolarisiertem Lichnd höchstfrequenten, magnetischen Schwingungausgesetzt ist, unter Verwendung von VorrichtungWelche das die Zelle durchsetzende, zirkularpolarise Licht fotoelektrisch demodulieren, und von ialtelementen, welche aus den atomarbedingten Sqnkungen des absorbierten bzw. emittierten Licb und seiner Polarisationsrichtung eine Nachstin@annung für den auf die Zelle einwirkenden Mikrowellengenerator erzeugen, und mit Bremsgasen in der Zelle, deren Gasdruck für den Frequenzabgleich veränderlich ist, werden erfindungsgemäß mehrere Gase gleichzeitig in der Zelle in einem den gewünschten Frequenzgang gewählten Mischungsverhältnis verwendet.
• Es wurde nun gefunden, dag in Abhängigkeit von den Atomgewichten der Bremsgase die Mittenfrequenz der Anordnung aufwärts bzw. abwärts abweicht, und zwar bei den leichteren Gaser ansteigt und bei den schwereren Gasen abfällt.
• Die- Erfindung soll nun an hand der Figuren näher erläutert werden: F i g. 1 ist ein Wirkschaltbid einer Atomuhr, in der eine Gaszelle mit einer Michung von Bremsgasen verwendet wird; in F i g. 2 wird graphisch die@bhängigkeit der Mittenfrequenz vom Gasdruck ir einer Caesium-Gaszelle unter Verwendung verschieener Edelgase als Bremsgase und Mischungen aus senselben dargestellt; y F i g. 3 betrifft eine ähnlihe graphische Darstellung für eine Natriumzelle mit erschiedenen Bremsgasen. Im Unterschied zu der n Ausführungsbeispiel des Hauptpatents gezeigten Ilitrium-Lichtquelle wird im Ausführungsbeispiel de Erfindung gemäß der F i g. 1 eine Caesium-Lhtquelle 1 verwendet. Der monochromatische Caeum-Lichtstrahl durchläuft eine Einrichtung 2, die in zirkular polarisiert. Der somit zirkularpolarisier Lichtstrahl 3 durchdringt eine mit Caesium unuBremsgas gefüllte Zelle 4. Ferner durchsetzt einstatisches Magnetfeld 5 die Zelle 4, dessen Feldlirrn senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtrahles verlaufen.
• Wie bereits im Hartpatent beschrieben, ist auch bei dem Ausführungeispiel der Erfindung gemäß F i g. 1 eine magneti5e Abschirmung der Gaszelle vorgesehen, die derEinfluß von möglichen magnetischen Streufelda und des magnetischen Erdfeldes beseitigt. Zu13rzeugung des Magnetfeldes 5 sind herkömmlicheMethoden geeignet. Das die Zelle 4 durchsetzencLicht trifft auf eine Fotozelle 6, deren Ausgang angießend im Verstärker 7 verstärkt und dann =r Phasenvergleichsstufe 8 zugeführt wird. Letfe kann als eine multiplikative Modulationsstufe sgebildet sein. In ihr wird das Ausgangssignal dcVerstärkers 7 mit einem in einem Niederfrequenzos;.tor 9 erzeugten Bezugssignal verglichen. Das Agangssignal der Phasenvergleichsstufe 8, dessen pplitude und Polarität gemäß den Frequenzabweichgen der auf die Gaszelle gerichteten Mikrowellenergie in bezug auf die durch die atomaren Vorg#e bestimmten Frequenz schwankt, wird an das pmatische Steuersystem 10 gelegt. Dieses treibt manisch ein Potentiometer 11 an und versorgt somit Blindrohr 12 mit einer Nachstimmspannung, die ' relativ kleine Frequenzänderungen in einem Quiszillator 13 hervorruft. Das Ausgangssignal d Quarzoszillators 13 wird an einen Phasenmodul' 14 geleitet, dem gleichfalls auch die aus dem =illator 9 stammende niederfrequente Modulationsfuenz zugeführt wird. Das resultierende phaslodulierte Signal wird im Vervielfacher 15 aune Mikrowellenfrequenz vervielfacht. Diese wird -r einen geeigneten Wellenleiter, beispielsweise r die Koaxialleitung 17, einem Strahler 16 über eiSonde 18 zugeführt. Der Strahler 16 richtet die ultierende Mikrowellenenergie auf die Zelle 4 aus .e Sonde 18 ist im Strahler so angeordnet, daß der magnetische Vektor der Mikrowellen parallel zum statischen Magnetfeld 5 in der Zelle 4 liegt.
• Wie bereits eingangs und im Hauptpatent ausgeführt, ändert sich die Mittenfrequenz eines atomaren hyperfeinen Überganges mit dem Gasdruck des verwendeten Bremsgases. Diese Veränderung ist in den F i g. 2 und 3 qualitativ dargestellt. Grundsätzlich ist dazu zu sagen, daß die gezeigten Werte nur ungefähr gelten, da ein kleiner Korrekturfaktor für sekundäre Effekte, wie beispielsweise Vielfachzusammenstöße zwischen den verschiedenen Gasen, in Betracht gezogen werden muß. Unter Berücksichtigung der Sekundäreffekte können jedoch die Figuren sehr gut zur Verdeutlichung der experimentell gewonnenen Ergebnisse dienen.
• Gemäß der F i g. 2, bei der eine Caesium-Gaszelle mit den Mikrowellenübergängen bei 1 F = 1 von F = 4 m,, = 0 zu F = 3 mF = 0 und verschiedenen Bremsgasen verwendet wurde, stellt die Kurve a die Druckabhängigkeit der Mittenfrequenz bei Helium als Bremsgas dar. Diese beträgt etwa 1800 Hz pro Torr. Wie zu ersehen, hat die Mittenfrequenz bei Helium und Neon als Bremsgas eine steigende Tendenz mit dem Druckanstieg und gemäß den Kurven c, d und e eine fallende Tendenz bei den leichteren Edelgasen Argon. Krypton und Yenon. Angenähert liegen die Verhältnisse so, wie sie durch die Linien a, b, c, d und e in der F i g. 2 gezeigt sind. Ferner lassen sich auch Wasserstoff und Stickstoff, die ebenfalls zu den nichtmagnetischen Gasen zählen, als Bremsgase verwenden. Sie zeigen dabei ebenfalls einen positiven Frequenzgang in Abhängigkeit vom Gasdruck. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Bremsgase keine chemischen Verbindungen mit den alkalischen Gasen in der Zelle eingehen.
• Es wurde außerdem gefunden, daß andere Gase einschließlich organischer Gase als Bremsgase verwendet werden können. Die vorhergehende Aufstellung der Bremsgase erhebt daher keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern dient nur zur Erläuterung.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun verschiedene Bremsgase derart gemischt, daß ein gewünschter Frequenzgang der Mittenfrequenz in Abhängigkeit vom Gasdruck entsteht. So wird beispielsweise in einer Caesiumzelle eine Mischung von Neon und Argon im Verhältnis 35 und 65% Neon verwendet. Der Frequenzgang ergibt sich aus der Kurve f. Wie ersichtlich, ist dieser Frequenzgang wesentlich flacher als derjenige der Kurve b für Neon oder der der Kurve c für Argon allein. Er weist etwa 200 Hz pro Millimeter Druckänderung gegenüber 750 Hz bei Neon und 250 Hz bei Argon auf. Theoretisch sollte bei dieser Mischung von Argon und Neon der Frequenzgang gleich Null sein, infolge einer Anzahl von Einflüssen kann eine vollständige Kompensation aber nur empirisch erreicht werden. Der noch verbleibende geringe Frequenzgang läßt sich nur durch kleine Änderungen des Mischverhältnisses der Gase ausgleichen. So wurde er beispielsweise für eine Mischung 30% Neon und 70°/a Argon fast vollständig beseitigt.
• Bei anderen Versuchen wurde Helium und Xenon in einem Mischverhältnis von 55°/o Helium und 45°/o Xenon (Teildrücke) verwendet. Dabei wurde :in Frequenzgang gemäß der Kurve g erzielt. Dabei -rgab sich ein Frequenzgang von etwa -600 Hz pro Millimeter Hg Druckanstieg. Diese Kurve ist ebenfalls wesentlich flacher als die der einzelnen Kurven (vgl. -f-1800 Hz pro Torr bei Helium allein und - 2400 Hz pro Torr beim Xenon allein), aber auch hier muß zur Erzielung eines kleinstmöglichen Frequenzganges der theoretische Wert des Mischungsverhältnisses der Gase korrigiert werden. Als günstiges Mischverhältnis für Helium und Xenon ergab sich 60% Helium und 40°/o Xenon.
• Ähnliche Ergebnisse wie in der F i g. 2 erzielt man auch mit anderen Alkalimetallgasen. So stellt beispielsweise F i g. 3 den Frequenzgang der Mittenfrequenz, die sich in einer Natriumzelle aus den übergängen J F = 1 d mr = 0 mr = 0 ergibt, in Abhängigkeit von dem Druck zweier Bremsgase Neon und Argon dar. Mischt man einen sehr kleinen Prozentsatz Neon mit Argon, so wird der kleine Abfall der Mittenfrequenz in Abhängigkeit vom Druck beim Argon als Bremsgas zu einem besonders flachen Frequenzgang korrigiert. Im allgemeinen werden zur Erzielung eines flachen Frequenzganges die Gase in einem Verhältnis umgekehrt proportional zu ihren Atomgewichten gemischt, so daß das eine Gas einen positiven Frequenzgang und das andere Gas einen negativen Frequenzgang beim Druckanstieg verursacht.
• Charakteristisch für einige wichtige Bremsgase mit den größeren Frequenzgängen in Abhängigkeit vom Gasdruck ist, daß sich mit ihnen nur ein relativ kleiner Ausgangspegel an der P.hasengleichrichterstufe erzielen läßt. Will man daher ein möglichst großes Ausgangssignal gewinnen, so ist es vorteilhaft, zwei Bremsgase mit jeweils kleinem Frequenzgang zu verwenden.
• Natürlich kann die Mischung der Bremsgase auch aus drei oder mehreren Gasen der genannten Art bestehen. Es kann beispielsweise einer bereits bestehenden Mischung von zwei Gasen, bei denen noch nicht der gewünschte Frequenzgang auftritt, ein kleiner Anteil eines dritten Gases hinzugesetzt werden. Um, wie oben beschrieben, eine Feinkorrektur des Mischungsverhältnisses der Bremsgase zu ermöglichen, wird die Zelle 4 mit zwei Quellen von verschiedenem Bremsgas 20 und 21 über die Leitungen 22 und 23 verbunden. Mittels der Ventile 24 und 25 kann das Mischungsverhältnis des Bremsgases in der Zelle 4 sehr fein eingestellt werden.
• Die Gaszelle 4 ist als evakuierter Glaskolben ausgebildet. Das Caesium wird durch Destillation eingeführt. Dann wird die Zelle mit einer Mischung der Bremsgase der oben erwähnten Art gefüllt.
• Durch Steuerung der Temperatur in der Zelle mittels der Flamme 19 kann der Gasdruck zur Steuerung der Mittenfrequenz verändert werden. Im Betrieb wird die Zelle zweckmäßigerweise durch eine Flamme erhitzt. Dabei darf aber keine Störung des magnetischen Feldes entstehen. Im Falle des Caesiums beträgt die notwendige Temperatur zwischen 15 und 30'° C. Bei der Verwendung von Rubidium als Alkaligas in der Zelle soll dies auf etwa 40,°Cerhitzt werden, und bei der Verwendung von Natrium in der Zelle ist eine Temperatur von 120 bis 130°C erforderlich. Ganz allgemein soll die Temperatur des Alkaligases immer so hoch sein, daß genügend Atome angeregt sind, um einen möglichst großen Signal-Ausgangspegel zu erhalten, aber sie soll andererseits nicht so groß sein, daß infolge von Zusammenstößen zwischen den Atomen die magnetischen Momente nicht gleichmäßig ausgerichtet sind. Wie schon erwähnt, dient das Bremsgas dazu, um den Dopplereffekt zu vermindern und somit die Wirkung des optischen Pumpens zu erhöhen. Dabei gibt es einen optimalen Gasdruck für das Bremsgas. Dieser liegt etwa bei 1 Torr oder höher. Normalerweise übersteigt er jedoch nicht 5 Torr. Nur in Ausnahmefällen, bei denen eine Erhöhung der Relaxionszeit der Atome zur Erzielung einer scharfen Resonanz beim Obergang erwünscht ist, können auch höhere Drücke verwendet werden. Es sind dabei Drücke bis zu 30 Torr bekannt.
• Die folgenden Erläuterungen sollen zum Verständnis der physikalischen Vorgänge in einer Caesium-Gaszelle dienen: Die Grundenergiezustände von Caesium werden in zwei Zustände F = 4 und F = 3 aufgespalten und sind abhängig von der Richtung des Elektronenspins. Bei Anwesenheit eines statischen Magnetfeldes werden sie gemäß dem Zeemann-Effekt in 2 F + 1 Komponenten aufgespalten, die die Werte von -E- F bis - F annehmen können und durch das magnetische Quant mr dargestellt sind. In einem schwachen Magnetfeld können gemäß den Auswahlregeln dmF= ± 1 oder _1 mr = 0 Übergänge auftreten.
• Die Übergänge, für die F = 1 sind, entsprechenden Frequenz in der Gegend von 9192 MHz. Der übliche Übergang ist der übergang zwischen dem Energieniveau F = 4 mr = 0 und F = 3 mF = 0.
• Die Erregung durch zirkularpolarisiertes Licht ruft in der Zelle 4 eine Vergrößerung der Populationsdifferenz zwischen F = 4 mF = 0 und ?% = 3 mF = 0 hervor. Die erwünschten Übergänge werden nun dadurch hervorgehoben, daß eine Mikrowellenfrequenz, die durch den Hornstrahler 16 auf die Zelle gerichtet ist, den Übergang von der Frequenz f. verursachst. Im Falle des Caesiums ist f = (9192,631 -0,000426H2) MHz. Es ist hervorzuheben, daß die Energiezustände bei diesem Übergang sehr wenig durch die Stärke des magnetischen Feldes beeinflußt werden. Bei einem Feld von beispielsweise 0,1 Oersted beträgt die Frequenzänderung nur 4 Hz.
• Es können natürlich auch andere Übergänge im Grundzustand des Caesiums verwendet werden. Dieses richtet sich jeweils nach den erwünschten Frequenzen. Weiterhin kann natürlich an Stelle des Caesiums ein anderes Alkalimetall verwendet werden, bei dem entsprechend andere Resonanzfrequenzen auftreten. Beispielsweise sind Natrium und Rubidium ebenfalls geeignet.
• Die Wirkung einer Beimischung von Bremsgasen ist in jedem Falle ähnlich den oben beschriebenen. Der Frequenzgang der Mittenfrequenz in Abhängigkeit vom Gasdruck ist jedoch nicht der gleiche. Die grundsätzlichen Erwägungen für die Zusammenstellung des Bremsgases gelten jedoch allgemein.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Atomuhr, bei der in einer Zelle befindliches, gasförmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfeld, monochromatischem, zirkularpolarisiertem Licht und höchstfrequenten magnetischen Schwingungen ausgesetzt ist, unter Verwendung von Vorrichtungen, welche das die Zelle durchsetzende, zirkularpolarisierte Licht fotoelektrisch demodulieren und von Schaltelementen, welche aus den atomarbedingten Schwankungen des absorbierten bzw. emittierten Lichtes und seiner Polarisationsrichtung eine Nachstimmspannung für den auf die Zelle einwirkenden Mikrowellengenerator erzeugen und mit Bremsgasen in der Zelle, deren Gasdruck für den Frequenzabgleich veränderlich ist, nach Patent 1143 453, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h die Verwendung mehrerer Gase gleichzeitig in einem den gewünschten Frequenzgang gewählten Mischungsverhältnis. 2. Atomuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Bremsgas von höherem Atomgewicht als Argon ein Bremsgas von geringerem Atomgewicht als Argon beigemischt wird, wobei sich die Anteile der Bremsgase etwa umgekehrt zu ihren Atomgewichten verhalten. 3. Atomuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der Verwendung von Caesium als gasförmigen Alkalimetall die Anteile von Neon und Argon als Bremsgase wie 30 zu 70 verhalten. 4. Atomuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einer Caesiumzelle die Anteile von Helium und Xenon als Bremsgase wie 65 zu 35 verhalten. 5. Atomuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Natriumzelle eine Mischung von Neon und Argon als Bremsgas verwendet wird. 6. Atomuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszelle mit zwei Ventilen versehen ist, durch die jeweils eines der Bremsgase eintritt und die für eine Feinregulierung des Mischungsverhältnisses der Bremsgase geeignet ausgebildet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1003 287; Journal of the Optical Soeiety of America, Juniheft 1957, S.460 bis 465; Journal of opplied Physics, 1957, Nr.
2. 2, S. 212 bis 2l5.