DE1275626B - Atom-Resonanzvorrichtung, bei der das axial ausgerichtete Polarisationsfeld mittels einer innerhalb der Abschirmung angeordneten elektrischen Spule erzeugt wird - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H 03 b

Deutsche Kl.: 21 a4-8/02

Nummer: 1 275 626

Aktenzeichen: P 12 75 626.2-35 (V 28170)

Anmeldetag: 29. März 1965

Auslegetag: 22. August 1968

Die Erfindung betrifft allgemein Atom-Resonanzverfahren und -Vorrichtungen und insbesondere Vorrichtungen mit verbesserter Kontrolle der Magnetfeldhomogenität, so daß die Linienbreite der Atomresonanz in der Vorrichtung verkleinert und die Frequenzziehwirkungen von Inhomogenitäten des magnetischen Feldes in ihrer Größe herabgesetzt werden. Solche verbesserten Atom-Resonanzverfahren sind besonders beispielsweise als Frequenznormale brauchbar.

Es sind Atom-Resonanzvorrichtungen bekannt, in denen eine Ansammlung von Atomen veranlaßt wird, in Atomresonanz zu kommen, die aufgenommen wird und zur Frequenzregelung weiter behandelt oder als Frequenznormal benutzt wird. Eine solche Vorrichtung ist beschrieben von N. F. Ramsey und D. Kleppner in »Physical Review Letters«, 5, S. 361 (15. Oktober 1960).

Eine Charakteristik solcher Atom-Resonanzvorrichtungen besteht darin, daß eine Ansammlung von Atompartikeln, wie Atomen des gasförmigen Wasserstoffs, in einem Raumbereich vorhanden ist, den ein gleichförmiges Polarisations- oder Ausrichtmagnetfeld durchsetzt. Mit dem magnetischen Ausrichtfeld werden die Atompartikeln veranlaßt, in Atomresonanz zu kommen. Die Resonanz wird festgestellt und zur Frequenzregelung oder als Frequenznormal benutzt. Im Falle eines Wasserstoffmasers wird ein Hyperfeinstrukturresonanzübergang des Atoms verwendet, und das Polarisationsfeld hat eine Größe vorzugsweise in der Größenordnung von einigen hundert Mikrogauß, um Feldverschiebungen zweiter Ordnung im Hyperfeinstrukturübergang oder der Resonanzfrequenz herabzusetzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Wasserstoffmasers werden die Atomparti- kein im Resonanz-HF-Magnetfeld eines Hohlraumresonators mittels eines Prallraums größenordnungsmäßig 1 Sekunde lang gespeichert. Das Polarisationsmagnetfeld soll im Atomspeicherbereich sehr gleichförmig sein, sonst werden die Maserschwingungen der Atompartikeln unterdrückt, wodurch die Vorrichtung unbrauchbar würde.

Es ist eine Anzahl ineinandergeschachtelter, geschlossener zylindrischer Magnetschirme um den Prallraum und den Hohlraumresonator herum angeordnet worden, um das unerwünschte Erdfeld von etwa Va Gauß abzuschirmen. Das Polarisationsfeld (von 100 bis 1000 Mikrogauß) wurde mittels einer Zylinderspule erzeugt, die im Mittelbereich des innersten Magnetschirmes angeordnet war und sich in der Achsenrichtung derselben erstreckte (Electronics, Engineering Issue, 7.11.1958, S. 85). Bei dieser beAtom-Resonanzvorrichtung, bei der das axial
ausgerichtete Polarisationsfeld mittels einer
innerhalb der Abschirmung angeordneten
elektrischen Spule erzeugt wird

Anmelder:

Hewlett-Packard Company, Palo Alto, Calif.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dr. C. Reinländer

und Dipl.-Ing. K. Bernhardt, Patentanwälte,

8000 München 23, Mainzer Str. 5

Als Erfinder benannt:

Robert Frederick Charles Vessot,

Marblehead, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. Mai 1964 (366 493)-

kannten Abschirmung sind gewisse Gradienten in das Polarisationsmagnetfeld im Prallraumbereich eingeführt worden, so daß Inhomogenitäten im Polarisationsmagnetfeld auftraten, die von den zur Resonanz kommenden Atompartikeln »gesehen« werden, so daß die Resonanzlinienbreite vergrößert wurde und sogar die erwünschten Maserschwingungen unterdrückt wurden, wenn die Inhomogenitäten eine gewisse Größe überstiegen.

Durch die Erfindung soll eine Vorrichtung der eingangs genannten Art verfügbar gemacht werden, bei der das Polarisationsfeld besser homogen ist, so daß die unerwünschten Begleiterscheinungen und Inhomogenitäten nicht mehr auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einer Atom-Resonanzvorrichtung, bestehend aus einer zylindrischen Röhre mit einem axial ausgerichteten ]£lagnetfeld, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Ansammlung von Atompartikeln, die einem magnetischen Wechselfeld zur Hervorrufung einer Atomresonanz und dem axial ausgerichteten Magnetfeld als Polarisationsfeld zur Ausrichtung der in Resonanz befindlichen Partikeln unterworfen werden, und einer Abschirmung der Atompartikeln gegen externe Magnetfelder, bei der das axial ausgerichtete Polarisationsfeld mittels einer innerhalb

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der Abschirmung angeordneten elektrischen Spule erzeugt wird, und sie wird dadurch gelöst, daß die Abschirmung zwei einander gegenüberliegende magnetisch permeable Endwände aufweist und sich die Spule im wesentlichen über die ganze Länge des Raumes zwischen den Endwänden erstreckt und daß die elektrische Spule eine Zylinderspule ist, deren Endwindungen im wesentlichen an den Endwänden der Abschirmung anliegen. Dieser Lösung des Problems

mit etwa 1420 MHz, wobei eine kohärente spontane Strahlungsemission erfolgt, die in der Frequenz extrem stabil ist.

Ein sechspoliger Zustandsselektormagnet 4 ist am stromaufwärtigen Ende des Atomstrahlweges angeordnet, um aus dem Strahl die Wasserstoffatome herauszufokussieren, die sich nicht im erwünschten oberen Hyperfeinstrukturenergiezustand befinden.

reicht, wenn die Anordnung der Zylinderspule die Beziehung 5<C befriedigt, worin 5 der Abstand zwischen den Endwindungen und den Endwänden und I die axiale Länge der Spule ist.

Üblicherweise müssen in den Endwänden Durchbrechungen vorgesehen werden, beispielsweise um den Atomstrahl ein- und austreten zu lassen. Geringfügige Störungen des Feldes sind dadurch nicht ganz

schem Wasserstoff, im allgemeinen in Längsrichtung der Röhre. Ein Hohlraumresonator 2 ist am Abschlußende des Strahlweges angeordnet. Der Hohlraumresonator 2 enthält einen Speicherkolben 3 oder 5 einen Prallraum, beispielsweise aus Quarz, mit einer geeigneten Wandbeschichutng, beispielsweise Teflon, zur Speicherung der Wasserstoffatompartikeln für eine Dauer von größenordnungsmäßig einer Sekunde, ehe sie durch die Eingangsöffnung wieder aus dem

liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die magnetischen io Kolben 3 austreten. Im Kolben 3 erleiden die gespei-Feldlinien auf kürzestem Wege einer hochpermeablen cherten Partikeln einen Hyperfeinstrukturübergang Endwand zustreben, so daß die sonst bei Zylinderspulen auftretenden Inhomogenitäten an den Spulenenden weitgehend vermieden werden und unerwünschte Endeffektverzerrungen des Polarisations- 15
feldes herabgesetzt werden. Die hochpermeablen
Endwände wirken quasi als Spiegel für die Spule,
so daß das Magnetfeld etwa eine Form annimmt, die
bei einer wesentlich längeren Spule an dieser Stelle

auftreten würde. Eine Annäherung an den Feldver- 20 Ein längliches rohrförmiges Vakuumgefäß 5 umgibt lauf in einer unendlich langen Spule wird dabei er- den Hohlraum und den Strahlweg zwischen der

Quelle 1 und dem Hohlraum 2. Eine Vakuumpumpe 6 umgibt den Anfangsteil des Strahlweges und bildet ein kombiniertes Gefäß und Vakuumpumpen-25 gehäuse 6. Die Pumpe 6 ist eine Ionengetterpumpe, wie sie in der USA.-Patentschrift 2 983 433 beschrieben ist.

Ein Paar Magnetabschirmungen 7 und 8, beispielsweise aus 1,6 mm starkem Weicheisen und 1,6 mm

zu vermeiden, und um diese zu kompensieren, wird 30 starkem Mumetall, umgeben die Vakuumpumpe 6 gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die zur Abschirmung des Hohlraumes 2 gegen magneti-Polarisationsfeldspule in getrennt erregbare Ab- sehe Streufelder, die von den Permanentmagneten schnitte aufgeteilt, die relativ zueinander variabel der Pumpe 6 erzeugt werden.

erregt werden. Dadurch können die unerwünschten Der Speicherkolben 3 wird im Hohlraumresona-

Inhomogenitäten weitgehend beseitigt werden. Das 35 tor 2 mit einem dielektrischen Rohr 9 gehalten, desgelingt natürlich dann am besten, wenn jeweils ein sen axiale Bohrung mit dem Wasserstoffstrahlweg getrennt erregbarer Abschnitt ein Endabschnitt der axial ausgefluchtet ist, um den Strahl hindurchzulas-Zylinderspule ist. sen. Der Kolben 3 ist mit einer Öffnung 11 versehen,

In je mehr Abschnitte die Spule unterteilt wird, die axial mit der Röhre 9 ausgefluchtet ist. Ein Mehrum so genauer lassen sich natürlich Feldinhomogeni- ₄₀ lochkollimator 12 ist in einem engen Halsteil der täten ausgleichen, mit der Zahl der Abschnitte steigt Röhre 9 vorgesehen. Wasserstoffatomstrahlpartikeln aber auch der erforderliche Regelaufwand erheblich laufen durch die Röhre 9, den Kollimator 12, die an. Als optimaler Kompromiß zwischen guter Be- Öffnung 11 und in den Kolben 3. seitigung der Feldinhomogenitäten durch unvermeid- Im Kolben erleiden die Strahlpartikeln viele aufbare Störungen und kleinstem Regelaufwand hat sich 45 einanderfolgende Kollisionen an den Wänden, beieine Unterteilung der Zylinderspule in einen Mittel- spielsweise mehr als 10 000, ehe sie endgültig durch abschnitt, der den überwiegenden Teil der Länge ein- die Öffnung 11, den Kollimator 12 und die Röhre 9 nimmt, und zwei kürzere Endabschnitte an den bei- den Kolben verlassen. Ein dielektrischer Tragstab 13 den Enden gezeigt. ist fest am Kolben 3 befestigt und führt von Kolben 3

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung _5o in einer Richtung weg, die der Tragröhre 9 diametral ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Ver- entgegengesetzt ist. Die dielektrische Stange 13 wird

am freien Ende in einer federbelasteten Tasche 14 gehalten und hält zusammen mit der Röhre 9 den dielektrischen Speicherkolben 3 im Hohlraum 2. Eine ₅₅ Koppelschleife 15 ist aus dem Ende einer Koaxialleitung 16 gebildet und führt in den Hohlraum 2, ist an dessen Feld gekoppelt und dient dazu, das Ausgangssignal vom Maser herauszuziehen und es an einen nicht dargestellten geeigneten Verbraucher zu F i g. 4 ein Schema einer Strahlröhre mit einer 60 leiten,
alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Eine Anzahl ineinandergeschachtelter, voneinan-

Magnetfeldregelung und der entfernter zylindrischer Magnetabschirmungen

Fig. 5 eine schematische Darstellung des in 21, 22 und 23 (vgl. Fig, 2) umgibt den Hohlraum 2 F i g. 4 mit der Linie 5-5 umschlossenen Teils. und den oberen Teil des Vakuumgefäßes 5. Der

In F i g. 1 ist teilweise geschnitten ein erfindungs- 65 Magnetschirm dient dazu, den Prallraum 3 gegen gemäßer Wasserstoffmaser dargestellt. Die Vorrich- äußere Magnetfelder abzuschirmen, beispielsweise tung besteht aus einer Strahlerzeugungseinrichtung 1 gegen das magnetische Erdfeld. Die Schirme bestehen zur Formung und Projektion eines Strahls aus atomi- aus einem magnetisch hochpermeablen Material, wie

bindung mit der Zeichnung; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wasserstoffmaser als Atom-Resonanzvorrichtung mit Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch den in Fig. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teil,

F i g. 3 ein Schaltbild für die erfindungsgemäße Solenoid-Feldregelungsvorrichtung,

Mumetall oder Permalloy. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel haben die drei Schirme Durchmesser von 49,5, 57 und 63,5 cm und Längen von 108, 114 und 120 cm; die Schirme 21, 22 und 23 bestehen dann aus 0,63 mm starkem Permalloy. Die zylindrisehen Abschirmungen sind mit Endabschlußabdekkungen 21', 22' und 23' aus 0,63 mm starkem Permalloy abgeschlossen. Die unteren Abdeckungen 21", 22" und 23" sind bei 24 mit einer Mittelöffnung versehen, um den engen Halsteil des Vakuumgefäßes bei 5' durchzulassen, der etwa 14 cm Durchmesser hat.

Eine Polarisationsmagnetfeld-Zylinderspule 25 ist innerhalb des innersten Magnetschirmes 21 auf einen zylindrischen Spulenträger 26, der beispielsweise aus 1,02 mm starkem Aluminium besteht, aufgewickelt. Die Zylinderspule 25 besteht aus einer einfachen Schicht Windungen mit isoliertem Kupferdräht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Endwindungen des Solenoids 25 unmittelbar an den magnetischen Endabschlußabdeckungen 21' und 21" der inneren magnetischen Abschirmung 21 angeordnet, um unerwünschte Endeffekte der Zylinderspule herabzusetzen (Inhomogenitäten im Magnetfeld der Zylinderspule wegen der endlichen Länge der Spule). Durch Verlängerung der Endwindungen bis zu den Abdeckungen 21' und 21" erscheinen die magnetisch hochpermeablen Endabdeckungen als magnetische Spiegel, wie weiter unten näher erläutert wird. Auf diese Weise erzeugt die kontinuierliche Zylinderspule 25 mit reflektierenden Magnetspiegeln an den Enden ein Magnetfeld, das im wesentlichen frei von Endeffekten durch die endliche Länge der Spule 25 ist und in guter Näherung ein Feld ist, wie es durch ein unendlich langes Solenoid erzeugt wird.

In einem typischen Ausführungsbeispiel der Zylinderspule 25 enthält diese 665 Drahtwindungen und wird mit genügend Strom gespeist, um ein gleichförmiges axial gerichtetes Polarisationsmagnetfeld im Prallraum 3 mit einer Stärke in der Größenordnung von 10 Mikrogauß hervorzurufen.

Die Zylinderspule 25 ist in drei getrennt erregbare Sektionen (vgl. F i g. 3) aufgespalten, einen Mittelabschnit25a und zwei Endabschnitte 25 & und 25 c. Der Mittelteil 25 a stellt den überwiegenden Teil der Spulenwindungen, beispielsweise 90%, während die beiden Endwindungen jeweils etwa 5 % der Windungen der zusammengesetzten Spule 25 enthalten. Die Amperewindungen und die Richtung des Stromflusses in den Abschnitten 25 a, 25 b und 25 c und Zuleitungen 29 werden über Potentiometer 30 geregelt, die von einer Batterie 27 mit Mittelanzapfung über einen einstellbaren Widerstand 28 mit Strom versorgt werden. Die Leitungen 29 sind verdrillt, um die Erzeugung von unerwünschten Magnetfeldgradienten durch den zur Spule gelieferten Strom zu verhindern, und die Leitungen 29 werden durch kleine Löcher in den unteren Endabdeckungen der Abschirmungen an die Spule herangeführt und führen den Spulenträger 26 hinauf und durch diesen hindurch.

Die getrennte Regelung der verschiedenen Spulenabschnitte ermöglicht eine Kompensation und Korrektur kleiner Restendeffekte der Spule 25. Zusätzlich erlauben die Endabschnitte eine Korrektur von Feldstörungen oder -Verzerrungen auf Grund der ausgefluchteten öffnungen 24 in den unteren Abdeckungen 21", 22" und 23". Die relativ großen Öffnungen 24 lassen relativ starke externe Felder hindurch. Die Streufelder und lokalisierten Feldstörungen können durch geeignete Einstellung der Amperewindungen in den Abschnitten 25 b und 25 c gegenüber dem Hauptspulenteil 25 a ausgelöscht werden.

Die richtige Einstellung der relativen Amperewindungen der getrennten Abschnitte der Zylinderspule 25 wird auf folgende Weise erreicht: Der Maser wird in Betrieb genommen, solange nur der Hauptteil 25 a der Zylinderspule erregt ist (mit einem Polarisationsfeld von etwa 50 Milligauß), und die Ströme in den Abschnitten 25 Z? und 25 c sind auf Null herabgesetzt. Wenn der Maser in Betrieb ist, werden die Endabschnitte 25 δ und 25 c getrennt auf maximale Maserschwingungen oder maximale Resonanzamplitude abgestimmt. Wiederholte Nachstellungen im Hauptteil 25 a und dem unteren Endabschnitt 25 c erlauben eine Herabsetzung des Polarisationsmagnetfeldes auf weniger als 10 Mikrogauß mit sehr kleinem Gradienten.

Diese feine Regelung der Größe und Homogenität des Polarisationsmagnetfeldes erlaubt eine wesentliche Verbesserung der Stabilität des Masers und verringert die Korrektur, die an der Ausgangsfrequenz angebracht werden muß, um sie auf einen genormten Wert zu bringen.

Eine Anzahl Thermostate 31 und 32 umgeben die beiden inneren Magnetschirme und den Hohlraum 2, um den Hohlraum 2 auf einer konstanten Temperatur zu halten, so daß dieser gegen Temperaturfluktuationen in der Umgebung unempfindlich wird. Der innerste Thermostat 31 besteht aus einem isolierten, verdrillten bifilaren Heizdraht 33, beispielsweise Widerstandsdraht Nr. 30, mit einem Widerstand von 0,33 Ohm/m, der auf die Außenseite einer geschlossenen zylindrischen Büchse 34, beispielsweise aus 1,52 mm starkem Aluminium, aufgewickelt ist, damit die Wärme sich gleichmäßig über die Oberfläche der Büchse 34 ausbreiten kann, um eine isotherme Fläche zu bilden. Eine zweite, ähnliche isotherme Büchse 35 umgibt den zweiten Magnetschirm 22. Ein thermischer Isolator 36, beispielsweise mit Freon aufgeschäumter Kunststoff, füllt die Zwischenräume zwischen den isothermen Büchsen 34 und 35 und dem diese jeweils umfassenden Magnetschirm, um zu große Wärmeverluste von den Bereichen zu verhindern und eine thermische Verzögerung einzuführen. Der innerste Thermostat 31 wird mit nicht dargestellten Temperaturfühlern, beispielsweise Thermistoren, auf eine konstante Temperatur kontrolliert, die leicht oberhalb der Temperatur des äußeren Thermostaten 32 liegt. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel wird der innere Thermostat auf 45° C eingestellt, während der äußere Thermostat auf 40° C eingestellt wird. Der Raum zwischen dem Gefäß 5 und dem innersten Thermostat ist mit Glasfaserisolation gefüllt, um eine thermische Verzögerung zu bilden, so daß schnelle thermische Fluktuationen im Thermostat 31 in der Sicht vom Gefäß 5 aus gedämpft werden.

Ein geeigneter Schrank 37 umgibt den unteren Teil der Röhre und trägt die Röhre mit einem schweren Flansch 38, beispielsweise aus Aluminium, der fest am verjüngten Halsteil 5' des Vakuumgefäßes 5 befestigt ist.

Die magnetisch abgeschirmte Polarisationsmagnetfeld-Zylinderspule 25 ist im Detail in Verbindung mit

einem Wasserstoffatommaser beschrieben worden. Sie ist jedoch nicht auf Wasserstoffmaser beschränkt, sondern kann allgemein bei Atomstrahlröhren verwendet werden. Beispielsweise kann sie direkt bei anderen Atomresonanz-Strahlröhren, beispielsweise Caesium-Strahlröhren oder Thallium-Strahlröhren, verwendet werden. Bei Atomstrahlröhren dieser Art wird die abgeschirmte Zylinderspule 25 dafür verwendet, ein axial gerichtetes magnetisches Polarisationsgleichfeld gemäß F i g. 4 zu erzeugen.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 4 projiziert eine Strahlquelle 41, beispielsweise ein Caesium-Ofen, einen Atomstrahl über einen länglichen Strahlweg 42_; der axial in einem evakuierten Gefäß 43 verläuft. Ein geeigneter Zustandsselektormagnet 44, beispielsweise ein sechspoliger Magnet, lenkt Strahlpartikeln ab, die sich nicht im richtigen Quantenenergiezustand befinden. Ein in der Η-Ebene angeregter Hohlraumresonator 45 ist bei 46 am vorderen und hinteren Ende mit je einer öffnung versehen, durch die der Strahl hindurchtritt, so daß an zwei axial voneinander entfernten Bereichen 47 eine elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Strahl stattfinden kann.

Der Hohlraum 45 ist auf Resonanz bei der Atomresonanzfrequenz abgestimmt und wird bei dieser Frequenz durch Mikrowellenenergie erregt, die von einem Mikrowellengenerator 48 über eine Koaxialleitung 49 und eine Magnetkoppelschleife 51 eingespeist ist, die der Klarheit halber um 90° gedreht gezeichnet ist. Die HohlraumwechselfelderH₁ erregen eine Resonanz der Atome, und die Resonanz wird durch die kombinierte Wirkung eines zweiten Zustandsselektormagneten 52, der die in Resonanz befindlichen und nicht in Resonanz befindlichen Strahlpartikeln unterschiedlich ablenkt, und eines Strahldetektors 53 festgestellt, der beispielsweise ein Heißdraht-Ionisator und -Elektronenvervielfacher sein kann und ein Resonanzausgangssignal liefert. Das Ausgangssignal wird einem Oszillographen 54 zugeführt und dort als Funktion einer Modulationsfrequenz dargestellt, die von einem Modulator 55 geliefert wird, die den Mikrowellengenerator 48 frequenzmoduliert. Ein üblicher Servoregelmechanismus (nicht dargetsellt) wird üblicherweise verwendet, um die Frequenz des Mikrowellengenerators auf der Resonanz der Atomstrahlpartikeln zu halten, und ein Teil des Mikrowellengeneratorsignals wird in der üblichen Weise als Frequenznormal verwendet.

Das magnetische Polarisationsgleichfeld wird im Atomresonanzbereich des Strahls mit einer magnetisch abgeschirmten Zylinderspule 25 erzeugt, wie im vorangegangenen beschrieben, die vorzugsweise zwei getrennt erregbare Endabschnitte 25 b und 25 c enthält, mit denen Inhomogenitäten ausgelöscht werden können, die durch Endeffekte und öffnungen 56 im Schirm 21 für den Durchtritt des Strahles hervorgerufen werden.

Die Magnetspiegelwirkung der Endabschlußwände der zylindrischen Abschirmung und die Wirkung des Anschlusses der Spulenwindungen bis im wesentliehen an die Abschlußwand des Schirms ist in F i g. 5 dargestellt. Genauer bewirken die Endabschlußwände aus magnetisch hochpermeablen Werkstoffen, daß die magnetischen Feldlinien H der Spule 25 die Oberfläche des Schirms 21 und der Endabdeckung senkrecht durchsetzen. Auch der Spulenstrom wird in der dargestellten Weise im Magnetspiegel reflektiert. Wenn die Windungen der Spule sich bis zur Endwand erstrecken, wie in unterbrochenen Linien dargestellt ist, wird eine reflektierte Zylinderspule 25' mit gleicher Stromflußrichtung wie die tatsächliche Spule hervorgerufen, so daß die Spule 25 scheinbar im wesentlichen unendlich kontinuierlich ist. Wenn der Abstand S zwischen der letzten Windung und der Wand jedoch merkbar wird, dann hat die reflektierte unendliche Spule einen Spalt von 2 S, so daß die Magnetfeldlinien nach außen gebogen werden, wie durch die durchgezogenen Linien dargestellt, so daß Endeffekt-Magnetfeldverzerrungen durch die Spule 25 hervorgerufen werden.

Es wurde festgestellt, daß die Größe dieser Endeffektverzerrangen abhängig ist von der Zylinderspulenlänge I und dem Radius r und daß eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Spulen erreicht wird, wenn das Solenoid die Beziehung S<C —

befriedigt, wobei S der Abstand zwischen der Endwindung und dem reflektierenden Endschirm ist.

Die beschriebene Resonanzröhre ist nicht auf Caesium- oder Wasserstoffatome allein beschränkt. Gewisse andere Isotopen anderer Metalle, wie beispielsweise Thallium und Rubidium, können ebenfalls verwendet werden. Irgendein Elektronenreorientierungsübergang oder eine Resonanz in Atomen oder Molekülen, für die das Nettowinkelmoment / der Atome oder Moleküle in Quanteneinheiten der Planckschen Konstante h eine ganze Zahl ist, kann verwendet werden. Im allgemeinen wird angenommen, daß jeder Strahl oder jede Ansammlung aus Molekülen-oder Atomen, die geeignete Resonanzcharakteristiken haben, verwendet werden können. Der Ausdruck »Atom« oder »Atompartikel« soll deshalb in diesem Zusammenhang Moleküle ebensogut wie Atome bezeichnen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Atom-Resonanzvorrichtung, bestehend aus einer zylindrischen Röhre mit einem axial ausgerichteten Magnetfeld, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Ansammlung von Atompartikeln, die einem magnetischen Wechselfeld zur Hervorrufung einer Atomresonanz und dem axial ausgericheten Magnetfeld als Polarisationsfeld zur Ausrichtung der in Resonanz befindlichen Partikeln unterworfen werden, und einer Abschirmung der Atompartikeln gegen externe Magnetfelder, bei der das axial ausgerichtete Polarisationsfeld mittels einer innerhalb der Abschirmung angeordneten elektrischen Spule erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung zwei einander gegenüberliegende magnetisch permeable Endwände aufweist und sich die Spule im wesentlichen über die ganze Länge des Raumes zwischen den Endwänden erstreckt und daß die elektrische Spule eine Zylinderspule ist, deren Endwindungen im wesentlichen an den Endwänden der Abschirmung anliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet, daß die Anordnung der Zylinderspule die Beziehung S < =0 befriedigt, worin S der Abstand zwischen den Endwindungen und den Endwänden und I die axiale Länge der Spule ist.

3. Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsfeldspule in getrennt erregbare Abschnitte aufgeteilt ist, die relativ zueinander variabel erregt werden, um unerwünschte Inhomogenitäten auszulöschen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein getrennt erregbarer Abschnitt ein Endabschnitt der Zylinderspule ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderspule aus einem Mittelabschnitt, der den überwiegenden Teil der Länge einnimmt, und zwei kürzeren Endabschnitten an den beiden Enden besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Electronics«, Engineering issue, 7.11.1958, S. 85.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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