DE1265668B

DE1265668B - Atomic clock

Info

Publication number: DE1265668B
Application number: DEST23545A
Authority: DE
Inventors: Maurice Arditi
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1964-03-20
Filing date: 1965-03-19
Publication date: 1968-04-04

Description

Atomuhr Die Erfindung betrifft eine Atomuhr, bei der in einer Gaszelle befindliches Gas eine charakteristische Resonanzfrequenz aufweist, die atomar bedingten Übergängen zwischen den Energiezuständen des Gases entspricht, und bei der eine auf diese Resonanzfrequenz abgestimmte Hochfrequenzenergiequelle phasenkohärente Impulse von gegebener Dauer erzeugt und wobei an die Gaszelle ein Mikrowellenhohlraumresonator in einer bestimmten Richtung zu dem elektromagnetischen Feld der Hochfrequenzquelle angeschlossen ist und die phasenkohärenten Hochfrequenzimpulse die Energieübergänge in der Gaszelle anregen und am Ende der Impulse ein resultierendes phasenkohärentes Signal der Emission induzieren.Atomic clock The invention relates to an atomic clock in a gas cell located gas has a characteristic resonance frequency, the atomically conditioned Corresponds to transitions between the energy states of the gas, and at the one phase coherent high-frequency energy source tuned to this resonance frequency Generated pulses of given duration and attached to the gas cell a microwave cavity resonator in a certain direction to the electromagnetic field of the high frequency source is connected and the phase-coherent high-frequency pulses the energy transitions excite in the gas cell and at the end of the pulses a resulting phase coherent Induce signal of emission.

Im allgemeinen wird die Verbreiterung der für das System charakteristischen atomaren oder molekularen Resonanzlinie in einer Gaszelle vorwiegend durch die thermische Geschwindigkeit der Atome oder Moleküle hervorgerufen, wobei die Richtung des angewendeten Hochfrequenzfeldes eine Rolle spielt. Diese Erscheinung ist als Dopplereffekt bekannt. Eine Verminderung dieses Effektes kann durch Zusatz von nichtmagnetischen Bremsgasen bewirkt werden. Der Verkleinerung der Bandbreite ist aber schließlich durch die thermischen Kollisionen zwischen Atomen oder Molekülen eine Grenze gesetzt.In general, the broadening becomes the characteristic of the system atomic or molecular resonance line in a gas cell mainly due to the thermal Velocity of atoms or molecules evoked, being the direction of the applied High frequency field plays a role. This phenomenon is known as the Doppler effect. This effect can be reduced by adding non-magnetic brake gases be effected. The reduction in bandwidth is ultimately due to that thermal collisions between atoms or molecules set a limit.

Die in den Gaszellen befindlichen Atome mit Relaxationszeiten, die größer sind als die mittlere Laufzeit in der Zellenumhüllung, können mehr als einem einzigen Hochfrequenzimpuls ausgesetzt werden. Die dann erreichte Resonanzlinie hat eine für die Wiederholungsimpulsfrequenz charakteristische Breite, die um ein Vielfaches gegenüber der natürlichen Linienbreite verringert werden kann.The atoms in the gas cells with relaxation times that are greater than the mean transit time in the cell envelope, more than one can exposed to a single high-frequency pulse. The line of resonance then reached has a width characteristic of the repetition pulse frequency, around a Can be reduced many times compared to the natural line width.

Man hat Atomuhren, die als Frequenznormal Zellen mit gasförmigem Alkalidampf verwenden, optischem Pumpen unterworfen und dabei Energieübergänge erreicht, durch welche die charakteristischen Resonanzspektrallinien bei einer ganz bestimmten Frequenz erzeugt werden. Jedoch verursachen die Bremsgase in der Zelle eine ihrem Druck entsprechende Verschiebung der atomaren Resonanzfrequenz. Eine zusätzliche Verschiebung wird durch Änderungen in der Lichtintensität der zum Pumpen verwendeten Lichtquelle hervorgerufen. Somit werden durch diese Atomuhren keine absoluten Zeitnormale erreicht. Sie werden daher als sekundäre Normale verwendet, die sich entsprechend den Lichtänderungen mit der Zeit leicht verschieben. Es ist auch bekannt, Mischungen mehrerer Gase zu verwenden, durch die die Empfindlichkeit der atomaren Resonanzfrequenz gegenüber dem Druck und der Temperatur der Gaszelle verringert wird, während durch spezielles optisches Filtern oder durch Hochdruckbremsgase die Lichtverschiebungen vermindert werden können. Es war jedoch bisher nicht möglich, diese gewünschten Resultate in einer einzigen Vorrichtung zu erzielen.Atomic clocks are used as the frequency standard cells with gaseous alkali vapor use, subjected to optical pumping and thereby achieved energy transitions through which are the characteristic resonance spectral lines at a very specific frequency be generated. However, the brake gases in the cell cause a pressure corresponding to their pressure Shift of the atomic resonance frequency. An additional shift is due Caused changes in the light intensity of the light source used for pumping. This means that these atomic clocks do not achieve any absolute time standards. you will be therefore used as secondary normals, which change according to the changes in light Shift slightly over time. It is also known to use mixtures of several gases use due to the sensitivity to the atomic resonance frequency the pressure and temperature of the gas cell is reduced while by special optical filtering or high-pressure braking gases reduce the shift in light can be. However, up to now it has not been possible to use these desired results in to achieve a single device.

Bei in jüngster Zeit durchgeführten Versuchen zur Verkleinerung der Bandbreite wurden Mikrowellenimpulse in Verbindung mit bekannten Zeemann-Niederfrequenzimpulsen verwendet, um atomare Energieniveauübergänge in einer besonderen Phasenbeziehung zu erreichen. Für das optische Pumpen wurden Lichtimpulse und als Demodulator die optische Absorption durch die Gaszellen verwendet. Die optische Transparenz einer Zelle ist jedoch nicht immer ein echtes Maß für den Zustand der Orientierung der Atome: Es entstanden auch Schwierigkeiten beim Abschirmen der empfindlichen Apparatur gegenüber unerwünschten äußeren Magnetfeldern. Schließlich ist auch der Rauschabstand, d. h. das Signal-Rausch-Verhältnis, in dem demodulierten Signal infolge des Rauschens in der Lichtquelle verhältnismäßig klein. Die Beseitigung der Lichtverschiebung durch ein zuverlässigeres Verfahren würde daher eine bedeutende Verbesserung darstellen.In recent attempts to reduce the Bandwidth were microwave pulses in conjunction with known Zeemann low frequency pulses used to make atomic energy level transitions in a special phase relationship to reach. Light pulses were used for optical pumping and the optical absorption is used by the gas cells. The optical transparency of a However, cell is not always a real measure of the state of orientation of the Atoms: Difficulties arose in shielding the sensitive equipment against undesired external magnetic fields. Finally, the signal-to-noise ratio is also d. H. the signal-to-noise ratio, in the demodulated signal due to the noise relatively small in the light source. The elimination of light shift a more reliable process would therefore represent a significant improvement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Gaszellenfrequenznormal zu schaffen und die Breite der Spektrallinie zu verkleinern. Ferner stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Stabilität von Atomuhren durch Beseitigen der durch das optische Pumpen hervorgerufenen Frequenzverschiebungen zu erhöhen.The invention is based on the object of providing a reliable gas cell frequency standard to create and reduce the width of the spectral line. Further represents The present invention aims to improve the stability of atomic clocks by eliminating to increase the frequency shifts caused by optical pumping.

Diese Aufgabe wird durch eine Atomuhr gelöst, die gekennzeichnet ist durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) eine optische Pumpe, die Lichtimpulse in die Zelle synchron mit den phasenkohärenten Hochfrequenzimpulsen sendet, um das während der Abwesenheit der Lichtimpulse induzierte phasenkohärente Signal der Emission zu vergrößern, wobei die Lichtimpulse vor dem Ende der Hochfrequenzimpulse beendet sind; b) einen Mikrowellenempfänger und Torschaltungen, die einen ersten Teil des induzierten kohärenten Signals der Emission demodulieren und verstärken; c) einen Frequenzmodulator, der mit einem Niederfrequenzsignal die Hochfrequenzenergie moduliert und ein Phasenbezugssignal erzeugt, wobei der Modulator eine Amplitudenmodulation des ersten Teils des Signals der Emission bewirkt und dieses amplitudenmodulierte Signal bezüglich der Frequenz eine Linienbreite aufweist, die umgekehrt proportional der Dauer jenes Hochfrequenzimpulses ist; d) eine Integratorschaltung, die ein niederfrequentes sinusförmiges Signal aus einer Vielzahl jener amplitudenmodulierten Teile des Signals der Emission bildet; e) einen Detektorkreis, der die Phasendifferenz zwischen dem sinusförmigen Signal und dem Bezugssignal demoduliert und ein Fehlersignal erzeugt; f) eine Regeleinrichtung, die das. Fehlersignal zur Steuerung der Frequenz der Hochfrequenzquelle einer Abstimmvorrichtung zuführt; g) eine Steuervorrichtung, die die Dauer und Folge der phasenkohärenten Impulse der Hochfrequenz steuert und mehrere Oszillationsmamma in dem Signal der Emission im Bereich der Resonanzfrequenz erzeugt, und h) einen Selektivkreis, der das der Resonanzfrequenz am nächsten liegende Maximum auswählt und ein diesem entsprechendes Fehlersignal zur Steuerung der Hochfrequenzquelle erzeugt.This task is solved by an atomic clock that is marked by combining the following features: a) an optical pump that generates light pulses sends into the cell in synchronism with the phase coherent radio frequency pulses to the during the absence of the light pulses induced phase coherent signal of emission to enlarge, with the light pulses ending before the end of the high frequency pulses are; b) a microwave receiver and gate circuits that form a first part of the demodulate and amplify the induced coherent signal of the emission; c) a Frequency modulator that modulates high frequency energy with a low frequency signal and generates a phase reference signal, wherein the modulator is an amplitude modulation causes the first part of the signal of the emission and this amplitude-modulated Signal with respect to frequency has a line width that is inversely proportional is the duration of that high frequency pulse; d) an integrator circuit which has a low frequency sinusoidal signal from a plurality of those amplitude-modulated parts of the signal the issue forms; e) a detector circuit that measures the phase difference between the demodulating the sinusoidal signal and the reference signal and generating an error signal; f) a control device, the. Error signal for controlling the frequency of the high frequency source supplies a tuner; g) a control device that controls the duration and sequence the phase coherent pulses of the high frequency controls and several oscillation mamma generated in the signal of the emission in the region of the resonance frequency, and h) a Selective circuit that selects the maximum closest to the resonance frequency and an error signal corresponding to this for controlling the high-frequency source generated.

Bei dieser Atomuhr bedient man sich einer Mikrowellenpulskohärenztechnik, bei welcher die optische Pumpfrequenz von der Mikrowellendemodulationsfrequenz getrennt ist. Beim Anwenden von Impulsen mit atomarer Resonanzfrequenz, und zwar unmittelbar am Ende dieses Impulses, verbleibt eine resultierende Komponente einer atomaren Magnetisierung, die mit der Zeit infolge der Relaxationswirkung abfällt und in dem die Gaszelle einschließenden Mikrowellenresonanzhohlraum ein Signal erzeugt. Dieses Signal wird im folgenden als Signal der kohärenten Emission bezeichnet. Beim Anwenden eines zweiten phasenkohärenten Mikrowellenimpulses zur Erregung der präzidierenden Atome ist es möglich, die Magnetisierung des atomaren Systems entweder zu verstärken oder zu vermindern, was von der Frequenz der Mikrowellenanregung abhängt. Die Amplitude des induzierten Signals gibt unmittelbar am Ende des zweiten Mikrowellenimpulses ein Oszillationsdiagramm von schmalen Linien, wenn die Frequenz der Mikrowellenerregung um die Resonanzfrequenz variiert wird. Diese Erscheinung ist als Ramsey-Bild bekannt, welches in diesem Fall eine Resonanzlinie von einer Breite darstellt, die für die Impulswiederholungsfrequenz charakteristisch und beträchtlich schmaler als die natürliche Linienbreite ist. Andererseits erzeugt das Signal am Ende des ersten Mikrowellenimpulses die typisch breitere Resonanzkurve des atomaren Übergangs, wobei das breite und das schmale Linienbild mit im wesentlichen derselben Hüllkurve ausgebildet sind und bei welchem beide Signale für Steuerungszwecke verwendbar sind. Diese Wirkung konnte mit früheren Atomstrahlenverfahren, bei welchem beim Abtasten der Atome in einem langen Hohlraum durch einen ersten Impuls eine unerwünschte Wechselwirkung mit einem zweiten Impuls stattfand, nicht erreicht werden.This atomic clock uses a microwave pulse coherence technique, at which the optical pump frequency is separated from the microwave demodulation frequency is. When applying pulses with atomic resonance frequency, and that immediately at the end of this pulse, there remains a resulting component of an atomic one Magnetization, which decreases over time as a result of the relaxation effect and in which the microwave resonant cavity enclosing the gas cell generates a signal. This The signal is referred to below as the coherent emission signal. When applying a second phase-coherent microwave pulse to excite the precessing Atoms it is possible to either strengthen the magnetization of the atomic system or to decrease, depending on the frequency of the microwave excitation. The amplitude of the induced signal gives immediately at the end of the second microwave pulse an oscillation diagram of narrow lines when the frequency of microwave excitation is varied by the resonance frequency. This phenomenon is known as the Ramsey picture, which in this case represents a resonance line with a width suitable for the Pulse repetition frequency characteristic and considerably narrower than the natural one Line width is. On the other hand, the signal generated at the end of the first microwave pulse the typically broader resonance curve of the atomic transition, where the broad and the narrow line image are formed with essentially the same envelope curve and in which both signals can be used for control purposes. This effect could with earlier atomic beam methods, in which when scanning the atoms in an unwanted interaction in a long cavity due to a first impulse took place with a second impulse, cannot be achieved.

Um das Signal-Rausch-Verhältnis des Demodu-Tation des durch den Impuls induzierten Signals der kohärenten Emission zu verbessern, wird die Gaszelle optisch gepumpt. Hierdurch wird der Austausch in den Besetzungszuständen der Atome in den beiden stabilen Energieniveaus, zwischen denn, ein übergang stattfindet, vermehrt. Die Verwendung von kontinuierlichem Licht zum optischen Pumpen würde die Wirkung haben, daß die Relaxationszeit der Atome verkürzt und zwischen den beiden induzierten Mikrowellenimpulsen durch optische Erregung der präzedierenden Atome eine Phaseninkohärenz hervorgerufen würde. Es ist somit eine sorgfältige zeitliche Einstellung der Lichtimpuls- und Mikrowellenimpulsfolge nötig, um die Phasenkohärenz und ein Spektrum mit gut definierten Maxima zu erhalten. Falls der Impuls des Resonanzlichtes beendet" ist, bevor der Hochfrequenzimpuls abgeschattet ist, um so länger präzidieren die verbliebenen Atome im Dunkeln, und der zweite Hochfrequenzimpuls kann angewendet werden. Es kann dann ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis und eine größere Relaxationszeit erhalten werden. Da die Demodulation der durch die Mikrowellen angeregten Emission nach dem Abklingen des Lichtimpulses stattfindet, werden Verschiebungen der Lichtfrequenz verhindert.To get the signal-to-noise ratio of the demodulation of the pulse To improve the induced signal of the coherent emission, the gas cell becomes optical pumped. Thereby the exchange in the occupation states of the atoms in the two stable energy levels, between then, a transition takes place, increased. Using continuous light for optical pumping would have the effect have that the relaxation time of the atoms shortened and induced between the two Microwave pulses create phase incoherence due to optical excitation of the precessing atoms would be caused. It is therefore a careful timing of the light pulse and microwave pulse train needed to achieve phase coherence and a spectrum with good to obtain defined maxima. If the pulse of the resonance light has ended ", before the high-frequency pulse is shadowed, the longer the remaining ones precess Atoms in the dark, and the second high frequency pulse can be applied. It can then get a greater signal-to-noise ratio and a greater relaxation time will. Since the demodulation of the emission excited by the microwaves after the When the light pulse fades away, there are shifts in the light frequency prevented.

Bei einem diese Technik anwendenden System erfolgt die Demodulation der induzierten Impulse der härenten Emission mittels eines Mikrowellenempfängers, der an den die Gaszelle enthaltenden Mikrowellenhohlraumresonator angekoppelt ist. Das Mikrowellensignal wird einer engen Frequenzmodulation geringen Grades unterworfen. Die Modnlationshülle erscheint am Ausgang des Empfängerdetektors. Der Lichtimpuls und der erste und zweite Mikrowellenimpuls werden periodisch wiederholt und erzeugen ein integriertes Modulationssignal. Vergleicht man die Phase dieses Signals mit der Bezugsmodulation in einem Phasendetektor und führt man das Fehlersignal an einen Kristalloszillator zurück, so ist der Oszillator mit der Resonanzfrequenz der Gaszelle synchronisiert.In a system using this technique, demodulation takes place the induced impulses of the inherent emission by means of a microwave receiver, which is coupled to the microwave cavity resonator containing the gas cell. The microwave signal is subjected to a narrow, low degree of frequency modulation. The modification envelope appears at the exit of the receiver detector. The pulse of light and the first and second microwave pulses are periodically repeated and generated an integrated modulation signal. Comparing the phase of this signal with the reference modulation in a phase detector and the error signal is fed to a Crystal oscillator back, so the oscillator is with the resonance frequency of the gas cell synchronized.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welcher ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt ist. Es zeigt F i g.1 ein Blockschaltbild des Systems nach der Erfindung, F i g. 2 verschiedene Impulsbilder, wie sie in entsprechenden Teilen der Schaltung auftreten, F i g. 3 Resonanzkurven des Systems für verschiedene Mikrowellenimpulse.Further features of the invention emerge from the subclaims in conjunction with the following description and the drawing, in which a Embodiment of the subject matter of the invention is shown. It shows F i g.1 a block diagram of the system according to the invention, F i g. 2 different pulse patterns as they occur in corresponding parts of the circuit, F i g. 3 resonance curves of the system for different microwave impulses.

In der F i g. 1 ist eine Gaszelle 10 dargestellt, die Rubidium 87 enthält und durch eine Filterzelle 12 mit Rubidium 85 optisch gepumpt wird. Die Filterzelle ist nur dann notwendig, wenn ein Strahlungszustand oder eine Maserfunktion mit Umkehrung der Besetztzustände im Rubidium 87 vorliegt. Ohne die Filterzelle arbeitet die Rubidium-87-Zelle wie eine Absorptionszelle. In beiden Fällen kann eine Anregungsemission am Ende des Mikrowellenimpulses erzeugt werden. Das Verfahren ist somit zur Erreichung eines Frequenznormals bei Absorptions- oder Emissionsbedingungen anwendbar. Zusätzlich können noch andere Alkaliatome, wie Wasserstoff, Kalium, Natrium oder Caesium, direkt in der Gaszelle ohne eine Filterzelle benutzt werden. Auch ist eine entsprechende Anwendung einer Gaszelle mit Ammoniakmolekülen möglich. Im allgemeinen enthält die Zelle nichtmagnetisches Bremsgas, wie Neon, Argon, oder andere Edelgase, Stickstoff oder Wasserstoff oder Mischungen hieraus, um die Linienbreite weiter zu reduzieren, die Wirksamkeit des optischen Pumpens zu verbessern und die Empfindlichkeit der Frequenz gegenüber thermischer Beeinflussung zu vermindern. Die Gaszelle ist innerhalb eines Mikrowellenhohlraumresonators 14 untergebracht, der bei einer charakteristischen Frequenz erregt wird, die der bekannten Energietrennung der Hyperfeinniveaus des Dampfes im Grundzustand entspricht. Da der angewendete 0-0-Hyperfeinübergang magnetisch ist, kann nur dann eine Einstrahlung stattfinden, wenn die magnetischen Kraftlinien Ho des Hochfrequenzfeldes parallel zu jedem vorhandenen Gleichstrommagnetfeld sind. Es wird aus diesem Grund ein Hohlraumresonator des Typs TE", benutzt, dessen Achse parallel zu einem konstanten homogenen Magnetfeld verläuft, das im Bereich dieser Zelle in der Größenordnung von wenigen Zehnteln Oersted ist. Die Mikrowellenfrequenz wird durch Vervielfachung einer vorbestimmten Teilfrequenz durch einen stabilen Kristalloszillator 16, beispielsweise bis zu 60 MHz, am Multiplier 17 erzeugt. Die gewünschten Harmonischen werden durch eine Varactordiode 18 bis zu der charakteristischen Frequenz von 6834 MHz erhalten. Eine Modulation geringen Grades der Frequenz wird dadurch vorgenommen, daß man die Ausgangsspannung des Modulators 19 an eine Niederfrequenzstufe 20 einer Multiplierkette zur Phasenmodulation anlegt. Ein in der Multiplierkette geschalteter Verstärker 21 wird durch vom Oszillator 22 kommende Impulse aufgetastet und leitet die Mikrowellenenergie in Impulsen verschiedener Länge und in verschiedenen Zeitfolgen weiter, ohne daß dabei die Phasenkohärenz in aufeinanderfolgenden Impulsen verlorengeht.In FIG. 1 shows a gas cell 10, the rubidium 87 and is optically pumped through a filter cell 12 with rubidium 85. the Filter cell is only necessary if there is a radiation condition or a maser function with reversal of the occupied states in rubidium 87. Without the filter cell the Rubidium-87 cell works like an absorption cell. In both cases it can an excitation emission can be generated at the end of the microwave pulse. The procedure is therefore to achieve a frequency standard under absorption or emission conditions applicable. In addition, other alkali atoms, such as hydrogen, potassium, sodium or cesium, can be used directly in the gas cell without a filter cell. Even a corresponding application of a gas cell with ammonia molecules is possible. in the in general, the cell contains non-magnetic braking gas such as neon, argon, or other noble gases, nitrogen or hydrogen, or mixtures thereof to adjust the line width to further reduce, improve the efficiency of optical pumping and the To reduce the sensitivity of the frequency to thermal influences. The gas cell is housed within a microwave cavity resonator 14, which is excited at a characteristic frequency, that of the known energy separation corresponds to the hyperfine level of the steam in the ground state. Since the applied 0-0 hyperfine transition is magnetic, irradiation can only take place if when the magnetic lines of force Ho of the high frequency field are parallel to any existing DC magnetic field are. It becomes a cavity resonator of the type for this reason TE ", used, the axis of which runs parallel to a constant homogeneous magnetic field, which is on the order of a few tenths of an oersted in the area of this cell. The microwave frequency is obtained by multiplying a predetermined partial frequency by a stable crystal oscillator 16, for example up to 60 MHz, at the multiplier 17 generated. The desired harmonics are through a varactor diode 18 to to get the characteristic frequency of 6834 MHz. A modulation low Degree of frequency is made by taking the output voltage of the modulator 19 is applied to a low frequency stage 20 of a multiplier chain for phase modulation. An amplifier 21 connected in the multiplier chain is controlled by the oscillator 22 incoming pulses are gated and directs the microwave energy in pulses of various types Length and in different time sequences without affecting the phase coherence is lost in successive pulses.

Die Demodulation der mikrowellenerregten Emission am Ende des Hochfrequenzimpulses wird durch einen an den Hohlraumresonator angeschlossenen Überlagerungsempfänger vorgenommen. Das Signal wird mit demjenigen eines örtlichen Hilfsoszillators 23 in einer Mischstufe 24, beispielsweise einer symmetrischen Schaltung mit Siliziumdiode, gemischt und als eine Zwischenfrequenz von 60 MHz einem Zwischenfrequenzverstärker 26 zugeführt. Zur Vermeidung einer übersteuerung legt ein Tastverstärker 28 den Empfänger in dem Zeitraum still, in welchem der starke Mikrowellenanfangsimpuls in den Hohlraumresonator gesendet wird. Die Bandbreite des Verstärkers ist so bemessen, daß die Zeitkonstante der Schaltung klein genug ist, daß keine Störung des exponentiellen Abfalls der angeregten Mikrowellenemission in der Gaszelle stattfindet, die dem Impuls folgt. Eine zweite Mischung ist mittels des örtlichen Oszillators 30 bei 60,1 MHz vorgesehen, wobei die resultierende 100-kHz-Trägerwelle von der Mischstufe 32 kommend in der Schaltungsanordnung 34 verstärkt und demoduliert wird. Die doppelte Demodulation begünstigt die Verschmälerung der Bandbreite und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis. Diese Zwischenfrequenz wird dann in zwei getrennten Kanälen weitergeleitet, von denen jeder unabhängig voneinander ausgetastet werden kann, um entweder die Ausgangsspannung am Ende des ersten Hochfrequenzimpulses oder am Ende des zweiten Hochfrequenzimpulses auszuwählen. Die Notwendigkeit dieser beiden Kanäle wird im folgenden näher beschrieben.The demodulation of the microwave-excited emission at the end of the high-frequency pulse is carried out by a heterodyne receiver connected to the cavity resonator. The signal is mixed with that of a local auxiliary oscillator 23 in a mixer 24, for example a symmetrical circuit with silicon diode, and fed to an intermediate frequency amplifier 26 as an intermediate frequency of 60 MHz. To avoid overdriving, a sense amplifier 28 shuts down the receiver during the period in which the strong microwave start pulse is sent into the cavity resonator. The bandwidth of the amplifier is such that the time constant of the circuit is small enough that there is no disturbance of the exponential decay of the excited microwave emission in the gas cell which follows the pulse. A second mixing is provided by means of the local oscillator 30 at 60.1 MHz, the resulting 100 kHz carrier wave coming from the mixer 32 being amplified and demodulated in the circuit arrangement 34. The double demodulation favors the narrowing of the bandwidth and improves the signal-to-noise ratio. This intermediate frequency is then passed on in two separate channels, each of which can be blanked independently of one another in order to select either the output voltage at the end of the first high-frequency pulse or at the end of the second high-frequency pulse. The necessity of these two channels is described in more detail below.

Die Ausgangsspannung der Torschaltungen 38 und 40 wird durch je eine Integratorschaltung 42 und 44 geleitet, in welchen ein sinusförmiges Signal erzeugt wird, welches dann entsprechenden Phasendemodulatoren 46 und 48 zugeleitet wird. In diesen wird die Bezugsspannung von dem Niederfrequenzmodulator 19 abgenommen. Dieser beeinflußt auch den Mikrowellenträger und erzeugt eine geringe Frequenzmodulation niederen Grades. Das Fehlersignal aus dem Phasendemodulator wird über einen von einem Taktrelais 50 gesteuerten Schalter 51 und eine geeignete Regeleinrichtung 52, die zur Abstimmung einer Kapazität 36 vorgesehen ist, an den Kristalloszillator 16 zur Steuerung seiner Frequenz angelegt. Das zum optischen Pumpen verwendete Resonanzlicht 54 wird synchron mit den Impulsen des Oszillators 22 zu Schwingungen angeregt, und zwar mittels eines zusätzlichen Hochfrequenzoszillators 56, der die Gasentladungen verursacht. Zur Steuerung dieser Lichtimpulse kann auch beispielsweise eine motorangetriebene Lochscheibe verwendet werden, die mit dem Oszillator 22 synchronisiert ist.The output voltage of the gate circuits 38 and 40 is each by one Integrator circuit 42 and 44 conducted in which a sinusoidal signal is generated which is then fed to corresponding phase demodulators 46 and 48. In these, the reference voltage is taken from the low-frequency modulator 19. This also influences the microwave carrier and generates a low frequency modulation lower grade. The error signal from the phase demodulator is via one of a clock relay 50 controlled switch 51 and a suitable control device 52, which is provided for tuning a capacitance 36, to the crystal oscillator 16 applied to control its frequency. The resonance light used for optical pumping 54 is excited to oscillate synchronously with the pulses of the oscillator 22, and although by means of an additional high-frequency oscillator 56, which the gas discharges caused. To control these light pulses, a motor-driven one can also be used, for example Perforated disk are used, which is synchronized with the oscillator 22.

Die F i g. 2 zeigt die Folge und Lage von verschiedenen Hochfrequenz- und Lichtimpulsen und diesen entsprechend getastete Ausgangsspannungen am Verstärker. Für die Mikrowellenimpulse A wird eine Wiederholungs-Grundfrequenz sichergestellt, und zwar so, daß die Frequenz der Lichtimpulsfolge B die Hälfte der Frequenz der Impulse A beträgt. Die Lichtimpulse beginnen früher als die Mikrowellenimpulse. Eine Periode der Lichtimpulse endet bereits vor dem Ende des zweiten Mikroimpulses. Wenn die Atome genügend lange Relaxationszeiten haben, erzeugt die durch Mikrowellen angeregte Emission ein Signal am Ausgang des 100-kHz-Verstärkerdemodulators 34. Die Hüllkurven sind als exponentiell abfallende Impulse C und D dargestellt. Die Torschaltungen 38 und 40 erzeugen eine geringere Breite des ersten Teiles dieser Exponentialimpulse E und F. Bei einer Mikrowellenzwischenfrequenz, die mit einer niederen Frequenz in der Größenordnung von 5 Hz moduliert wird und eine Durchschnittsfrequenz an einer Seite der Maxima der atomaren Resonanzkurve hat, ist der Ausgang an den Torschaltungen 38 und 40 ein amplitudenmoduliertes Signal, das in bekannter Weise durch Frequenzmodulation der Trägerwelle erzeugt wird, welches die Resonanzkurve beeinflußt und die Wirkung eines Linearfrequenzdiskriminators hat. Ein sinusförmiges Signal G und H kann bei der Modulationsfrequenz durch die Integratorschaltungen 42 und 44 erzeugt werden. Während einer Periode der Modulation sind mindestens vier oder fünf Impulse notwendig. Das sinusförmige Signal wird einem Phasendemodulator 46 und 48 zugeführt, der eine Fehlerspannung für die Regeleinrichtung 52 liefert und die Frequenz des Kristalloszillators korrigiert, so daß sie mit dem Scheitel der Atomresonanzkurve zusammenfällt.The F i g. 2 shows the sequence and position of various high-frequency and light pulses and the corresponding sampled output voltages at the amplifier. A repetition basic frequency is ensured for the microwave pulses A in such a way that the frequency of the light pulse sequence B is half the frequency of the A pulses. The light pulses start earlier than the microwave pulses. One period of the light pulses ends before the end of the second micro-pulse. If the atoms have sufficiently long relaxation times, the microwave-excited emission generates a signal at the output of the 100 kHz amplifier demodulator 34. The envelopes are shown as exponentially decreasing pulses C and D. The gate circuits 38 and 40 generate a smaller width of the first part of these exponential pulses E and F. At a microwave intermediate frequency, which is modulated with a low frequency of the order of 5 Hz and has an average frequency on one side of the maxima of the atomic resonance curve, is Output at the gate circuits 38 and 40 is an amplitude-modulated signal which is generated in a known manner by frequency modulation of the carrier wave, which influences the resonance curve and has the effect of a linear frequency discriminator. A sinusoidal signal G and H can be generated by the integrator circuits 42 and 44 at the modulation frequency. At least four or five pulses are necessary during one period of modulation. The sinusoidal signal is fed to a phase demodulator 46 and 48 which provides an error voltage to the controller 52 and corrects the frequency of the crystal oscillator so that it coincides with the apex of the atomic resonance curve.

In F i g. 3 sind Resonanzkurven 1 und J dargestellt, in der die Amplitude gegenüber der Frequenz aufgetragen ist. Diese Kurven entsprechen dem Ausgang der entsprechenden Torschaltungen 38 und 40, und zwar nach den ersten und zweiten Mikrowellenimpulsen. Es ist ersichtlich, daß die von dem ersten Impuls stammende Kurve I ein breites wohldefiniertes Maximum hat, während der zweite Impuls eine Kurve J mit mehreren Maxima und Minima innerhalb einer der ersten Kurve entsprechenden Hüllkurve erzeugt. Eine schmale erste Resonanzkurve vermindert somit die Anzahl der Maxima in der zweiten Kurve. Die Linienbreite einer halben Amplitude der Resonanzkurve 1 nähert sieh dem Wert 1/t, wobei t die Dauer des Mikrowellenimpulses A ist, während der Abstand zwischen den Schwingungsmaxima in der Kurve J ungefähr umgekehrt proportional dem Zeitintervall T zwischen den Mikrowellenimpulsen ist, wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist. Da die Ausgangsspannung an der Torschaltung 40 eine Kurve darstellt, die wesentlich schmalere Linienbreiten hat als diejenige am Ausgang der Torschaltung 38, kann der ; Ausgang des Phasendetektors 48 vorteilhafterweise dazu ausgenutzt werden, den Kristalloszillator mit dem Frequenzmaximum der Atomresonanz zu synchronisieren.In Fig. 3 shows resonance curves 1 and J, in which the amplitude is plotted against the frequency. These curves correspond to the output of the corresponding gates 38 and 40 after the first and second microwave pulses. It can be seen that the curve I originating from the first pulse has a broad one has a well-defined maximum, while the second pulse has a curve J with several Maxima and minima generated within an envelope curve corresponding to the first curve. A narrow first resonance curve thus reduces the number of maxima in the second Curve. The line width of half an amplitude of the resonance curve 1 approaches that Value 1 / t, where t is the duration of the microwave pulse A, while the distance between the oscillation maxima in curve J approximately inversely proportional to the time interval T between the microwave pulses is as shown in FIG. 2 can be seen. There the output voltage at the gate circuit 40 represents a curve which is essential has narrower line widths than that at the output of the gate circuit 38, the ; Output of the phase detector 48 can advantageously be used to the To synchronize crystal oscillator with the frequency maximum of atomic resonance.

Bei mehreren Maxima in der Kurve J ist es erforderlich, eine Methode zur Auswahl desselben Spitzenwertes herauszufinden, um Mehrdeutigkeit zu vermeiden. Dieses kann durch das Taktrelais 50 erreicht werden, das bei Erregung mittels von der Stromquelle 58 gelieferten Stromes zuerst die Ausgangsspannung des Phasendemodulators 46 an die Regeleinrichtung 52 anschließt und den Kristalloszillator mit der genau definierten ersten Frequenz f1 der Kurve I synchronisiert. Nach einer eingestellten Zeit schaltet das Relais um und verbindet den Ausgang des Phasendetektors 48 mit der Regeleinrichtung und synchronisiert den Oszillator mit der Resonanzfrequenz f E der Kurve J in der Nähe von f l. Man kann geeignete Einstellmöglichkeiten für die Impulsbreite und den Wiederholungsgrad vorsehen, um einen eindeutigen Scheitelwert auszuwählen. Während des Schaltintervalls hält die Zeitkonstante der Regeleinrichtung den Kristalloszillator bei der ersten Frequenz fest. Danach verbleiben das Relais und der Kristall in der zweiten Frequenzlage, bis daß die Stromquelle abgeschaltet wird. In ähnlicher Weise können andere geeignete Grob-Fein-Abstimmsysteme verwendet werden.If there are several maxima in curve J, it is necessary to find a method for selecting the same peak value in order to avoid ambiguity. This can be achieved by the clock relay 50 which, when excited by means of the current supplied by the current source 58, first connects the output voltage of the phase demodulator 46 to the control device 52 and synchronizes the crystal oscillator with the precisely defined first frequency f1 of the curve I. After a set time, the relay switches over and connects the output of the phase detector 48 to the control device and synchronizes the oscillator with the resonance frequency f E of the curve J in the vicinity of f l. Suitable setting options for the pulse width and the degree of repetition can be provided in order to select a clear peak value. During the switching interval, the time constant of the control device holds the crystal oscillator at the first frequency. Then the relay and the crystal remain in the second frequency position until the power source is switched off. Similarly, other suitable coarse-fine tuning systems can be used.

Bei einer plötzlichen Frequenzänderung des Kristalloszillators kann es geschehen, daß infolge der Zeitkonstante der Regeleinrichtung die Frequenz an einem anderen Punkt als bei dem gewünschten Scheitelwert festgehalten wird. Um diesen Fehler zu verhindern, kann ein zweiter Integrator 60 an die Torschaltung 38 angeschlossen werden, um nur die ge^ raden, und zwar vorwiegend die 2. Harmonischen der Modulationsfrequenz zu erzeugen. Diese Schaltung wird zur Kontrolle der Signalstärke verwendet, um die Differenzen zwischen den Scheitelwerten zu verstärken und den optimalen Punkt für eine genaue Synchronisation auszuwählen. Die 2. Harmonische wird verstärkt, gefiltert und dann aufs Taktrelais gekoppelt. Wenn das Signal unter eine vorbestinxtnte Höhe abfällt, wird das Relais betätigt und die :ursprüngliche Schaltfolge wiederholt. Dieses ereignet sich, wenn das Signal zu schwach ist oder wenn die Frequenz des Kristalls nicht der Resonanzfrequenz f 1 entspricht. Somit wird eine fehlerhafte Synchronisation mit dem Festhalten der Scheitelfrequenz verhinfiert, wenn dieser nicht der Frequenz f, entspricht.If there is a sudden change in frequency of the crystal oscillator, it happens that as a result of the time constant of the control device, the frequency increases is held at a point other than the desired peak value. To this one To prevent errors, a second integrator 60 can be connected to the gate circuit 38 only the even ones, mainly the 2nd harmonics of the modulation frequency to create. This circuit is used to control the signal strength to the To amplify differences between the peak values and the optimal point for to select an exact synchronization. The 2nd harmonic is amplified, filtered and then coupled to the clock relay. When the signal is below a predetermined level drops out, the relay is actuated and the: original switching sequence is repeated. This happens when the signal is too weak or when the frequency of the Crystal does not correspond to the resonance frequency f 1. Thus, a faulty one Synchronization with the locking of the center frequency prevented when this does not correspond to the frequency f i.

Bei dem beschriebenen Schaltsystem hängt die Lage der Frequenzscheitelwerte am Ausgang des zweiten Impulses nicht von der Breite der Mikrowellenimpulse ab, sondern direkt von dem Abstand zwischen den einzelnen Impulsen. Dieser Abstand kann genau gesteuert werden, um die gewünschte Fixfrequenz als ein hochstabiles Normal zu erhalten. Bei der vorliegenden Einrichtung kann eine .vom Kristalloszillator gelieferte Wiederholungsfrequ= vorgesehen sein, die um mehrere Größenordnungen exakter ist, als zur Zeitmessung erforderlich ist, und zwar durch einen Frequenzerzeuger 62, der an den Kristalloszillator 16 angeschlossen ist und den impulserzeugenden Oszillator 22 steuert. Somit stellt der gleiche Oszillator, der durch die atomaren tbergänge gesteuert wird, auch die notwendige Genauigkeit für die Zeiteinhaltung der Impulse her. Von dem Frequenzerzeuger 62 wird nur eine Genauigkeit von einem Bruchteil in der Größenordnung von 108 gefordert, während der Kristalloszillator 16 in :einer Größenordnung von 101E durch die atomaren über gänge gesteuert wird. Es ist auch erforderlich, .eine durch Resonanzlicht erzeugte Beleuchtung der Rubidium-87-Zelle durch die beiden Mikrowellenimpulse zu verhindern, da schon ein geringfügiger Betrag von Resonanzlicht die Bildung der gewünschten An-Sprechkurven des Impulsbildes am Ende des zweiten Impulses verhindern würde. Durch Anregung der präzidierenden Atome auf hohe Energieniveaus erzeugt das Licht eine Phaseninkohärenz zwischen den beiden induzierten Impulsen.In the switching system described, the position of the frequency peak values depends at the output of the second pulse does not depend on the width of the microwave pulses, but directly from the distance between the individual pulses. This distance can precisely controlled to the desired fixed frequency as a highly stable normal to obtain. In the present device, a .vom crystal oscillator provided repetition frequency, which is several orders of magnitude more exact is than is required for time measurement by a frequency generator 62, which is connected to the crystal oscillator 16 and the pulse generating Oscillator 22 controls. Thus represents the same oscillator that is made by the atomic transitions is controlled, also the necessary accuracy for the time compliance the impulses. From the frequency generator 62 is only an accuracy of one Fraction on the order of 108 required while the crystal oscillator 16 in: an order of magnitude of 101E is controlled by the atomic transitions. It is also necessary to illuminate the rubidium-87 cell using resonance light to prevent by the two microwave impulses, as already a minor amount of resonance light the formation of the desired response curves of the impulse pattern on Would prevent the end of the second pulse. By stimulating the precessing atoms at high energy levels the light creates a phase incoherence between the two induced pulses.

Einte weitere Abwandlung des beschriebenen Systems besteht darin, daß man an Stelle von zwei kohärenten Impulsen nur einen einzigen ausgedehnten Impuls benutzt, wenn das Zeitintervall zwischen den Impulsen für die Relaxation genügend lang ist, um eine Interferenz zwischen aufeinanderfolgendeu Impulsen zu verhindern. Wie in Verbindung mit F i g. 2 und 3 dargestellt ist, beträgt die volle Linienbreite bei einem halben Maximum der Resonanzkurve I in der Nähe des Wertes t des optimalen Signals ungefähr 1/t. Da die Frequenz vom Resonanzpunkt abfällt, haben die Nebenmaxima eine wesentlich geringere Höhe. Es wurde jedoch experimentell ermittelt, daß Nebenmaxima und -minima, ähnlich dem Bild der Kurve J, mit einem einzigen, länger dauernden Eingangsimpuls stärker in Erscheinung treten. In diesem Fall entspricht der Abstand zwischen den Nebenmaxima ziemlich genau dem Wert 1/t. Man kann sich diesen Effekt dadurch erklären, daß die ausgerichteten Atome durch ve.schiedene Teile der Gaszelle, in denen das Hochfrequenzfeld verschiedene Stärke und Phasen aufweist, hindurchdiffundieren. Es ist dann genügend Zeit vorhanden, daß die Atome äquivalenten zweiten Impulsen ausgesetzt zu sein scheinen.Another modification of the system described is that that instead of two coherent pulses there is only a single extended pulse used when the time interval between the pulses is sufficient for relaxation is long to prevent interference between successive pulses. As in connection with Fig. 2 and 3 is the full line width at half a maximum of the resonance curve I in the vicinity of the value t of the optimal Signal about 1 / t. Since the frequency drops from the resonance point, the secondary maxima have a much lower height. However, it has been determined experimentally that secondary maxima and minima, similar to the picture of curve J, with a single, longer duration Input impulse appear stronger. In this case the distance equals between the secondary maxima almost exactly the value 1 / t. You can see this effect explain by the fact that the aligned atoms by different Parts the gas cell, in which the high-frequency field has different strengths and phases, diffuse through. There is then enough time for the atoms to become equivalent seem to be exposed to second impulses.

Eine praktische Schaltung von genügender Genauigkeit und ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis kann unter Verwendung eines einzelnen Impulses von längerer Dauer erhalten werden. In dem Blockschaltbild gemäß F i g. 1 würde in diesem Fall die Torschaltung 40 nicht erforderlich sein, da der Ausgang der Torschaltung 38 allein dazu benutzt werden könnte, die Oszillatorfrequenz bei dem bestimmten Scheitelwert zu halten. Eine Übersteuerung des Empfängers wird wiederum dadurch verhindert, daß bis zum Ende des Hauptimpulses ein Austastzustand aufrechterhalten wird. Das durch die Anregungsemission entstehende optimale Maximum kann nun von Hand dadurch eingestellt werden, daß man bei offener Servoschleife den Frequenzbereich des Oszillators überstreicht und die Amplituden direkt beobachtet. Bei dem gewünschten Spitzenwert ist dann die Schleife zu schließen. Dieses kann auch automatisch durch eine Schaltung vorgenommen werden, die die Anzahl der Durchgänge der Amplitude durch ein Maximum zählt und die Schleife schließt, wenn der ausgewählte Spitzenwert erreicht ist.A practical circuit of sufficient accuracy and sufficient Signal-to-noise ratio can be longer using a single pulse Duration to be preserved. In the block diagram according to FIG. 1 would in this case the gate circuit 40 may not be required since the output of the gate circuit 38 the only thing that could be used is the oscillator frequency at the particular peak value to keep. Overdrive of the receiver is in turn prevented that a blanking condition is maintained until the end of the main pulse. That through the optimal maximum resulting from the excitation emission can now be set by hand that one sweeps the frequency range of the oscillator with the servo loop open and the amplitudes observed directly. At the desired peak value is then the Close loop. This can also be done automatically by a circuit that counts the number of times the amplitude passes through a maximum and the loop closes when the selected peak value is reached.

Obschon vorstehend nur eine Folge von zwei Mikrowellenimpulsen erwähnt wurde, um die Verengung der Linienbreite zu erzielen, kann natürlich auch eine Folge von drei, vier oder mehr Frequenzimpulsen verwendet werden, um die Linienbreite noch weiter zu reduzieren. Dieses hängt auch von der Relaxationszeit der Atome in der Gaszelle ab, die um so größer sein muß, je kleiner die Anzahl der Impulse in der Folge ist. In jedem Fall sollten keine Lichtimpulse zwischen dem Ende des ersten Mikrowellenimpulses und dem Ende des letzten Mikrowellenimpulses der Folge erzeugt werden, um die Phasenkohärenz zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zu bewahren. Bei praktischen Anwendungen jedoch kann die Verkleinerung der Linienbreite bei Verwendung von mehr als zwei kohärenten Impulsen durch den Rauschabstand der Demodulation begrenzt werden.Although only one sequence of two microwave pulses was mentioned above to achieve the narrowing of the line width, can of course also be a consequence of three, four or more frequency pulses can be used to increase the line width to reduce even further. This also depends on the relaxation time of the atoms in the gas cell, which must be larger, the smaller the number of pulses in the consequence is. In either case, there should be no light pulses between the end of the first Generated microwave pulse and the end of the last microwave pulse of the sequence to preserve phase coherence between successive pulses. In practical applications, however, the line width may be reduced when using of more than two coherent pulses limited by the signal-to-noise ratio of the demodulation will.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung ausgezeichnete Vorteile gegenüber den bisherigen Gaszellenfrequenznormalen mit optischen Demodulationsmethoden aufweist. Änderungen in der Lichtintensität haben keine Wirkung, da die Demodulation durch den Mikrowellenempfänger bei. ausgeschaltetem Licht stattfindet. Da keine Lichtverschiebung auftritt, ist die Verwendung eines Bremsgases von hohem Druck nicht erforderlich. Hierdurch wiederum wird eine Temperaturverschiebung, die dem Gasdruck proportional ist, vermindert, und man erhält sehr niedrige Temperaturkoeffizienten. Dieses Verfahren ist auch bei Verwendung anderer Alkalimetalldämpfe anwendbar, wie z. B. Wasserstoff, Kalium, Natrium oder Caesium. Die Verwendung des letztgenannten Gases wiederum ist insbesondere bei einer höheren Betriebsfrequenz günstig, da eine größere Stabilität über einen langen Zeitraum gewährleistet ist und kleinere Apparaturen verwendet werden können. Der Verwendung von Caesium war bisher eine Grenze durch die Schwierigkeiten gesetzt, die in der Verringerung der Lichtverschiebung entstanden. Eine weitere Verbesserung wird in den sehr schmalen Resonanzlinien gesehen, die in der Größenordnung von 10 Hz oder weniger liegen und eine größere Genauigkeit und Zeitstabilität gewährleisten. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist größer, da es nicht notwendig ist, die geringe Modulation eines großen Trägersignals zu demodulieren. Wegen Fehlens des einen Mikrowellenimpulses wird nur das durch Mikrowellenanregung erzeugte Signal der Emission gewonnen, und man kann die Empfindlichkeit des Empfängers voll ausnutzen ohne schwierige Einstellmanipulationen mit Hilfe von Mikrowellenausgleichsbrückenschaltungen. Da die Resonanzfrequenz nicht von der Amplitude oder Länge des Mikrowellenimpulses abhängt, sondern nur von der Wiederholungsfrequenz, die durch Ableitung eines Zeitimpulses von dem synchronisierten Kristalloszillator leicht konstant gehalten werden kann, wird ein hoher Grad von Genauigkeit erreicht mit einer Stabilität in der Größenordnung von 1011 oder 101=. Schließlich ist auch die Beeinflussung der Frequenz durch den Abstimmhohlraumresonator äußerst gering. Da es jedoch eine praktische Notwendigkeit. ist, die Frequenz des Spitzenwertes, mit welchem der Kristalloszillator synchronisiert wird, zu eichen, sollte dieses System eher als ein Sekundärnormal betrachtet werden und nicht als ein absolutes Standardnormal.From the above, it can be seen that the present invention is excellent Advantages over the previous gas cell frequency standards with optical demodulation methods having. Changes in the light intensity have no effect as the demodulation by the microwave receiver. switched off light takes place. There no Light shift occurs is the use of high pressure braking gas not mandatory. This, in turn, causes a temperature shift that the Gas pressure is proportional, is reduced, and very low temperature coefficients are obtained. This method is also applicable when using other alkali metal vapors, such as z. B. hydrogen, potassium, sodium or cesium. The use of the latter Gas, in turn, is particularly favorable at a higher operating frequency, since a greater stability over a long period is guaranteed and smaller apparatus can be used. The use of cesium was previously limited set the difficulties that arose in reducing light shift. Another improvement is seen in the very narrow resonance lines that on the order of 10 Hz or less and greater accuracy and ensure time stability. The signal-to-noise ratio is greater as it is it is not necessary to demodulate the low modulation of a large carrier signal. Due to the lack of one microwave pulse, only that is achieved by microwave excitation generated signal obtained the emission, and one can determine the sensitivity of the receiver take full advantage without difficult adjustment manipulations with the help of microwave compensation bridge circuits. Because the resonance frequency does not depend on the amplitude or length of the microwave pulse depends, but only on the repetition frequency, which is determined by deriving a time pulse can easily be kept constant by the synchronized crystal oscillator, a high degree of accuracy is achieved with stability on the order of magnitude from 1011 or 101 =. Finally, the frequency is also influenced by the Tuning cavity resonator extremely small. However, as there is a practical necessity. is the frequency of the peak value to which the crystal oscillator is synchronizing is to be calibrated, this system should rather be viewed as a secondary standard and not as an absolute standard normal.

Claims

Claims: 1. Atomic clock, in which the gas in a gas cell has a characteristic resonance frequency that corresponds to atomic transitions between the energy states of the gas, and in which a high-frequency energy source tuned to this resonance frequency generates phase-coherent pulses of a given duration and with a Microwave cavity resonator is connected in a certain direction to the electromagnetic field of the high-frequency source and the phase-coherent high-frequency pulses stimulate the energy transitions in the gas cell and at the end of the pulses induce a resulting phase-coherent signal of emission, characterized by the combination of the following features: a) an optical pump (12), which sends light pulses into the cell (10) in synchronism with the phase-coherent high-frequency pulses in order to increase the phase-coherent signal of emission induced during the absence of the light pulses, the light pulse e have ended before the end of the high frequency pulses; b) a microwave receiver (23, 24, 26) and gates (38, 40) which demodulate and amplify a first part of the induced coherent signal of the emission; c) a frequency modulator (19) which modulates the high-frequency energy with a low-frequency signal and generates a phase reference signal, the modulator causing an amplitude modulation of the first part of the signal of the emission and this amplitude-modulated signal having a line width with respect to the frequency which is inversely proportional to the duration of that High frequency pulse is; d) an integrator circuit (42, 44) which forms a low-frequency sinusoidal signal from a plurality of those amplitude-modulated parts of the signal of the emission; e) a detector circuit (46, 48) which demodulates the phase difference between the sinusoidal signal and the reference signal and generates an error signal; f) a control device (52) which feeds the error signal for controlling the frequency of the high-frequency source (16) to a tuning device (36); g) a control device (62) which controls the duration and sequence of the phase-coherent pulses of the high frequency and generates several oscillation maxima in the signal of the emission in the range of the resonance frequency, and h) a selective circuit (50, 58) which is closest to the resonance frequency selects lying maximum and generates a corresponding error signal for controlling the high-frequency source.

2. Atomic clock according to claim 1, characterized in that the control device a repeating sequence of a large number of phase-coherent high-frequency pulses for generating several oscillation maxima within the characteristic line width supplies.

3. Atomic clock according to claim 1 and 2, characterized in that the control device supplies a first repeating sequence of individual high-frequency pulses, their repetition frequency with that of the light pulses of the optical Pump matches.

4. atomic clock according to claim 3, characterized in that the Control device within the first repeating sequence one the atomic Transitions causing the first high-frequency pulse and then after a certain time a second coherent radio frequency pulse during the emergence of the first signal of the emission as well as a second emission signal that is phase-coherent with this, wherein the first part of the first signal of the emission has a resonance curve with a single maximum, on the other hand the second signal of the emission several maxima within the characteristic line width.

5. atomic clock according to claim 4, characterized characterized in that the control device includes a pulse oscillator (22) which Provides pulses for gating both phase-coherent high-frequency pulses.

6. Atomic clock according to claim 1, characterized in that the duration of the light pulses is shorter is chosen as the time duration between the first and second high frequency pulses and its repetition frequency is half that of the high frequency pulses.

7. Atomic clock according to claim 1, characterized in that the cavity resonator (10) Amplifiers (26) and mixer stages (24) are connected to the signal of the Convert emission at the resonance frequency into an intermediate frequency signal, which after Passing through a further amplifier (34) and mixer (32) stage in a lower one Intermediate frequency signal is changed. B.

Atomic clock according to claim 1, characterized in that that the selective circuit contains a clock relay (50).

9. atomic clock according to claim 1, characterized characterized in that the integrator circuit only has even harmonics, predominantly 2nd harmonic of the low frequency modulation signal, generated:

10. Atomic clock according to one of the preceding claims, characterized in that the high-frequency energy source contains a crystal-controlled oscillator (16), a frequency multiplier chain (17) and a generator and the frequency modulator (19) applies a low-frequency phase modulation to the low-frequency stage of the frequency multiplier chain. Publications considered: German Auslegeschriften Nr. 1143 453, 1174266.