DE1278555B - Atomares Frequenznormal - Google Patents

Atomares Frequenznormal

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DE1278555B
DE1278555B DEJ18049A DEJ0018049A DE1278555B DE 1278555 B DE1278555 B DE 1278555B DE J18049 A DEJ18049 A DE J18049A DE J0018049 A DEJ0018049 A DE J0018049A DE 1278555 B DE1278555 B DE 1278555B
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DE
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frequency
cell
atomic
resonance
gas
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DEJ18049A
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Inventor
Maurice Arditi
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International Standard Electric Corp
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International Standard Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

  • Atomares Frequenznormal Die Erfindung bezieht sich auf frequenzselektive Verfahren der Art, bei der die Auswertung von hyperfeinen Mikrowellen-Übergängen in einer mit einem alkalischen Dampf gefüllten Zelle benutzt wird, und zwar auf ihre Anwendung als atomares Frequenznormal.
  • Von einem unter Steuerung von atomaren übergängen in einer abgeschlossenen Gaszelle stabilisierten Oszillator ein Frequenznormal abzuleiten, ist bekannt. Einrichtungen hierfür werden auch »Atomuhren« genannt.
  • Die Atomuhren mit Gaszelle weisen eine mit einem Alkalimetalldampf gefüllte Zelle auf, die mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird. Derartige Zellen sind für die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie empfindlich, und die Übertragung der Mikrowellenenergie durch die Zelle hindurch (oder ihre Absorption, je nach dem Zustand der Zelle) wird bei einer bestimmten Frequenz, der atomaren Resonanzfrequenz, maximal und nimmt auf beiden Seiten der atomaren Resonanzfrequenz gemäß der zugehörigen Resonanzkurve ab. Die Frequenz der Mikrowellenenergie beeinflußt nicht nur die Übertragung (oder Absorption) der Mikrowellenenergie, sondern sie beeinflußt auch die Lichtübertragungscharakteristik der Zelle derart, daß, wenn ein Lichtstrahl durch die Zelle geschickt und an einem gegebenen Punkt empfangen wird, die Intensität des den gegebenen Punkt erreichenden Lichtes gemäß der gleichen Resonanzkurve variiert, wie die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie von der atomaren Resonanzfrequenz abweicht.
  • Die Atomuhr macht von den Eigenschaften der Resonanzkurve einer solchen Zelle zu dem Zweck Gebrauch, einen stabilisierten Oszillator (gewöhnlich einen Kristall-Oszillator) zu steuern, der seinerseits die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie bestimmt. Diese Steuerung erfolgt durch Frequenzmodulation der Mikrowellenenergie durch niederfrequente Schwingungen um die Resonanzfrequenz herum. Dadurch erzeugt das durch die Gaszelle gesandte und von einer Fotozelle aufgenommene Licht ein Signal, das sich nach Größe und Richtung so ändert, wie sich die Mikrowellenenergie innerhalb der Resonanzkurve auf die eine oder andere Seite der Resonanzfrequenz verschiebt. Dieses Signal wird einem Phasenkomparator zugeführt, in dem die Phase des Fotozellen-Signals mit derjenigen der niederfrequenten Schwingungen verglichen wird.
  • Der Phasenkomparator erzeugt ein der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz und der Frequenz der Mikrowellen proportionales Fehlersignal, das an einen Frequenzsteuerkreis für den Oszillator zu dessen Justierung in solchem Sinn angelegt wird, daß die Frequenz der Mikrowellenenergie an die Resonanzfrequenz gebunden ist.
  • Bei dieser Rückkopplungsmethode benötigt man also einen Kristall-Oszillator, dessen Frequenz innerhalb des Bereichs der atomaren Resonanzkurve liegt. Es ist klar, daß sich hieraus Bedingungen hinsichtlich des Kristall-Oszillators und der Breite der Resonanzkurve ergeben. Hierauf wird später eingegangen werden.
  • Eine Alternative zur bisher beschriebenen Rückkopplungsmethode besteht darin, einen Oszillator vorzusehen, der über einen großen Bereich gewobbelt wird, bis er den Bereich innerhalb der atomaren Resonanz erreicht, woraufhin er festgehalten und die Wobbelung ausgesetzt wird. Diese Methode erfordert komplizierte elektronische Schaltungen und unterwirft zudem die Frequenz des Kristall-Oszillators einer Modulation. In einer Reihe von Systemen ist dies aber unerwünscht.
  • Die Erfindung bezieht sich auf die zuerst geschilderte Rückkopplungsmethode. Daher soll diese zunächst noch näher diskutiert werden.
  • Zur Sicherstellung der Genauigkeit und der Stabilität müssen Atomuhren mit Gaszellen mindestens drei wichte Forderungen erfüllen. Die erste dieser Forderungen besteht darin, daß die Mitten- oder Resonanzfrequenz der Gaszelle von der Veränderlichkeit äußerer Faktoren wie elektrische oder magnetische Felder, Temperatur, Druck usw. unabhängig sein soll. Zweitens soll die Breite der Resonanzkurve oder -linie, also die Bandbreite, so eng wie möglich sein. Drittens schließlich soll der Geräuschabstand des demodulierten Signals so groß wie möglich sein.
  • Während man sich mit der Realisierung der ersten und dritten Forderung bereits befaßt hat, dient die Erfindung einer verbesserten Erfüllung der zweiten Forderung.
  • Bisher begnügte man sich beim Bau von Atomuhren nach dem Rückkopplungsprinzip mit der Anwendung von atomaren oder molekularen Absorptionslinien mit einer Güte Q der Resonanzlinie in der Größenordnung von höchstens 3 - 105. Dies zeigen beispielshalber die französische Patentschrift 960 575 und die USA: Patentschrift 2 669 659. So beträgt bei 24 GHz die Bandbreite der Absorptionslinie dann 80 kHz. Kristalloszillatoren nach dem Stand der Technik lassen sich mit sehr kleinen Frequenzgängen von etwa 1:1019 pro Tag oder 2,4 Hz bei 24 GHz bauen. Wenn der Kristall altert, so dauert es mithin bei diesem Beispiel 80000/2,4=3300 Tage oder angenähert 10 Jahre, bis die Kristall-Oszillatorfrequenz aus dem Bereich der atomaren Resonanz herauskommt.
  • Solange man sich mit den oben angegebenen Guten (Q =3 - 105) begnügt, erwachsen also hinsichtlich der Rückkopplungsmethode, wie sie in den zitierten Patentschriften beschrieben ist, keine ernsthaften Schwierigkeiten.
  • Anders liegen die Dinge, wenn man um der Genauigkeit der Atomuhren willen die Güte der Resonanzlinie um Größenordnungen zu erhöhen bemüht ist.
  • Man weiß, daß die Bandbreite (d f) der atomaren Resonanzkurve durch verschiedene Faktoren beeinflußt wird; so durch das Ausmaß der bei der Modulation erzeugten Frequenzhübe, den Druck eines in der Zelle befindlichen Bremsgases und die Energie der die Zelle bestrahlenden Mikrowellen.
  • Durch Wahl kleiner Frequenzhübe, mäßig hohen Gasdrucks und einer unterhalb der Sättigung liegenden Mikrowellenenergie gelingt es, eine sehr schmale Resonanzlinie bzw. Bandbreite zu erzeugen.
  • So ist es bei Anwendung präzisester Apparaturen und Einstellung der Gasdrücke und Temperaturen auf exakte Werte beispielshalber möglich, eine Resonanzlinie von nur 10 Hz Breite bei 1771 MHz für Natrium und bei 9192 MHz für Caesium zu erhalten. Schmale Resonanzlinien erhält man ferner durch die Verwendung von nichtmagnetischen Bremsgasen wie Neon, Argon u. dgl. und durch die Anwendung von optischen Pumpen.
  • In Rb87 -Optischen Pumpen in einer Zelle mit Neon als Bremsgas erhält man bei 6834 MHz beispielshalber Bandbreiten, die ebenfalls unter 20 Hz liegen. Dies entspricht einer Güte Q in der Größenordnung von 400 Milionen oder 4 - 108.
  • Auf den ersten Blick erscheint es nun so, daß man bei Benutzung einer Zelle mit solch schmaler Resonanzlinie ohne weiteres zu einer extrem genauen Atomuhr kommen müsse. Es ergibt sich jedoch eine beträchtliche Schwierigkeit daraus, daß die vom Oszillator bestimmte Frequenz innerhalb der effektiven Bandbreite oder dem Pumpbereich der Resonanzlinie liegen muß, um ein brauchbares Fehlersignal zu erhalten, d. h. ein Signal, das genügenden Rauschabstand hat und ausreicht, um den Frequenzsteuerkreis zu betätigen.
  • Wenn die Bandbreite - um auf das letzte der oben geschilderten Beispiele zurückzugreifen - bei 6834 MHz nur 20 Hz beträgt, so wandert die Frequenz eines Oszillators mit einem Frequenzgang von 1:1019 pro Tag nicht erst nach rund 10 Jahren, sondern bereits nach weniger als 3 Tagen aus dem Bereich der atomaren Resonanz heraus.
  • Oder, mit einem anderen der oben angegebenen Zahlenbeispiele und anders ausgedrückt: wenn die Bandbreite bei 1771 MHz nur 10 Hz beträgt, dann müßte die Oszillatorfrequenz mit einer Genauigkeit von 2: 108 stehen.
  • Wenn dies realisiert ist, dann kann durch Rückkopplung des Oszillators auf den atomaren Übergang eine Genauigkeit von 2:109 bis 2:1019 erzielt werden.
  • Praktisch ist es jedoch extrem schwierig, Oszillatoren mit solcher Genauigkeit zu schaffen. Wenn ferner die durch einen solchen Oszillator gesteuerte Frequenz der Mikrowellenenergie - sei es von Anfang an oder durch Auswandern-- außerhalb des Pumpbereichs bzw. der Bandbreite einer dermaßen schmalen Resonanzkurve liegt, dann geht die Steuerung ganz verloren.
  • Aus diesem Grund ist die Verwendung von extrem geringen Bandbreiten bisher auf Schwierigketten gestoßen.
  • Die bisherigen Erörterungen zum Stand der Technik sollen nun nochmals am praktischen Beispiel und an Hand der F i g. 1 bis 4 erläutert werden.
  • Zuerst sei F i g. 1 betrachtet.
  • Ein stetiger monochromatischer Lichtstrahl, der in einer herkömmlichen Alkali-Gaslampe 1 erzeugt wird und durch ein Linsensystem 2 zusammengefaßt wird, gelangt auf eine Zelle 4, die mit gasförmigem Alkalimetall und einem oder mehreren Bremsgasen angefüllt ist. In der Lampe 1 und in der Zelle 4 soll dabei dasselbe Alkalimetall, beispielsweise Natrium, Caesium und Rubidium, verwendet werden. Ein nichtmagnetisches Bremsgas oder eine Mischung von verschiedenen Bremsgasen dient zur Erhöhung der Einfangzeit oder Atome des Alkaligases an den Wänden der Zelle und zur Verringerung des Doppeleffekts und einer daraus resultierenden Versteilerung der Resonanzlinie. Als Bremsgase eignen sich Wasserstoff, Stickstoff und die Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon. Durch ein bestimmtes Mischungsverhältnis der Bremsgase läßt sich, gemäß eines älteren Vorschlags, die atomarbedingte Resonanzfrequenz weitgehend von dem in der Zelle herrschenden Gasdruck unabhängig machen.
  • Ein statisches Magnetfeld 3, dessen Feldlinien parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtstrahls und parallel zum elektromagnetischen Wechselfeld der Mikrowellen verlaufen, durchsetzt ebenfalls die Zelle 4.
  • Das die Zelle 4 durchsetzende monochromatische Licht ist auf eine Fotozelle 5 gerichtet. Die Ausgangsspannung der Fotozelle wird in einem Verstärker 6 verstärkt und anschließend einer Phasenvergleichsstufe 7 zugeführt. Dort wird diese Spannung mit einem niederfrequenten, in einem Oszillator 8 erzeugten Bezugssignal verglichen. Das Ausgangssignal der Phasenvergleichsstufe 7, dessen Amplitude und Polarität gemäß den Frequenzabweichungen der auf die Gaszelle gerichteten Mikrowellenenergie in bezug auf die atomar bedingte Resonanzfrequenz schwankt, wird an das automatische Steuersystem 9 gelegt. Dieses treibt mechanisch ein Potentiometer 10 an und versorgt somit eine Blindröhre 11 mit einer Nachstimmspannung, die nur relativ kleine Frequenzä,nderungen in einem Quarzoszillator 12 hervorruft. Das Ausgangssignal des Quarzoszillators 12 wird an einen Phasendemodulator 13 geleitet, dem gleichfalls auch die aus dem Oszillator 8 stammende niederfrequente Modulationsfrequenz zugeführt wird. Das resultierende phasenmodulierte Signal wird im Vervielfacher 14 auf eine Mikrowellenenergie vervielfacht. Diese wird über einen geeigneten Wellenleiter einem Strahler 15 über eine Sonde zugeführt. Der Strahler 15 richtet die resultierende Mikrowellenenergie auf die Zelle 4 aus. Diese ist dabei im Strahler so angeordnet, daß der magnetische Vektor der Mikrowellen parallel zum statischen Magnetfeld 3 in der Zelle 4 liegt.
  • Die Temperatur des Alkaligases soll immer so hoch sein, daß genügend Atome angeregt werden, um einen möglichst großen Signalausgangspegel zu erhalten, aber sie soll andererseits nicht so hoch liegen, daß infolge von Zusammenstößen zwischen ,den Atomen die magnetischen Momente nicht mehr gleichmäßig ausgerichtet sein können. Für Natrium als Gasfüllung der Zelle liegt die günstigste Betriebstemperatur zwischen 120 und 130° C.
  • Aus diesem Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, daß der zusätzlichen Bestrahlung der Zelle 4 durch monochromatisches Licht eine doppelte Bedeutung zukommt. Auf der einen Seite gewinnt man nämlich durch eine zweckmäßige optische Demodulation des die Zelle durchdringenden Lichtes in einfacher Weise Aufschlüsse über den Energiezustand des Gases, und auf der anderen Seite erzielt man dadurch gleichzeitig die notwendige Erhöhung der Populationsdiferenz zwischen den Energiestufen, wodurch eine wesentlich höhere Signalausbeute erzielt werden kann. Den letzteren Vorgang kann man auch als »optisches Pumpen« bezeichnen.
  • Als einen brauchbaren Kompromiß zwischen der Wirkung des optischen Pumpens einerseits und einer wirksamen Herabsetzung des Dopplereffekts andererseits verwendet man Gasdrücke zwischen 1 und 5 mm Hg für das Gas in der Zelle 4. Wenn jedoch eine besonders scharfe Resonanzlinie erzeugt werden soll, kann man den Gasdruck bis auf 3 cm Hg heraufsetzen.
  • F i g. 2 zeigt die Ausgangsspannung der Fotozelle der Anordnung gemäß der F i g. 1 in Abhängigkeit von der Frequenz der in die Zelle eingestrahlten Mikrowellen. f. bedeutet dabei deren Resonanzfrequenz, und A f/2 ist der Frequenzabstand von der Resonanzfrequenz, bei dem die Ausgangsspannung der Fotozelle auf die Hälfte herabsinkt. A f stellt demnach die Bandbreite der atomaren Resonanzkurve dar. Wie sich Frequenzauslenkungen nach beiden Seiten von der Resonanzfrequenz auf die überlagerte Niederfrequenzspannung auswirken, ist aus den mit A und B bezeichneten Kurven zu ersehen. Dabei ergeben sich an der Fotozelle Ausgangsspannungen von der gleichen Frequenz wie die des Oszillators B. Ist jedoch die Frequenz des Quarzoszillators 12 gleich der Sollfrequenz, so entsteht an der Fotozelle eine minimale Ausgangsspannung mit doppelter Frequenz. Die beiden Spannungen A und B unterscheiden sich durch eine Phasendifferenz von 180°.
  • In der Phasenvergleichsstufe 7 wird die Ausgangsspannung der Fotozelle mit der des Oszillators 8 verglichen.
  • F i g. 3 veranschaulicht die aus der Phasenvergleichsstufe 7 gewonnene Nachstimmspannung, die den Nachstimmgliedern 9, 10 und 11 zugeführt wird und durch die der Quarzoszillator auf die Sollfrequenz nachgezogen wird. Jede Nachstimmung weist jedoch einen gewissen Restfehler auf, der um so größer ist, je stärker die Nachstimmspannung durch geräteeigenes Rauschen überdeckt wird. Dieser Restfehler wird in der F i g. 3 als de bezeichnet. Die Größe dieses Restfehlers ist offensichtlich ebenfalls von der Neigung der Nachstimmkurve im Nulldurchgang und somit von deren Bandbreite A f abhängig. Bei kleiner Bandbreite A f ergibt sich ein relativ geringer Restfehler de. Wie bereits erwähnt, ist dabei außerdem das Verhältnis von Signal zu Rauschen günstiger. Eine steile Resonanz, also eine geringe Bandbreite, bedingt aber andererseits den Nachteil eines relativ kleinen Nachstimmbereichs.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Atomuhr, bei der in einer Zelle befindliches gasförmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfeld, monochromatischem, zirkularpolarisiertem Licht und höchstfrequenten elektromagnetischen Schwingungen ausgesetzt ist und die atomarbedingten Übergänge zwischen den Energiezuständen des Alkaligases in der Weise zur Frequenzstabilisation der höchstfrequenten Schwingungen verwendet werden, daß das die Zelle durchsetzende Licht fotoelektrisch demoduliert wird und die daraus resultierende Ausgangsspannung mit einer die höchstfrequenten Schwingungen frequenzmodulierenden Niederfreqrenzspannung in einer Phasenvergleichsstufe verglichen wird, aus der eine Nachstimmspannung gewonnen wird, die einen die höchstfrequenten Schwingungen steuernden Oszillator nachregelt. Bei dieser Atomuhr besteht die Erfindung darin, daß mehrere in dieser Weise wirkende Gaszellen einschließlich ihrer zugehörigen Vorrichtungen zur fotoelektrischen Demodulation und zum Phasenvergleich mit einer gemeinsamen Niederfrequenzspannung, zueinander parallel geschaltet sind und daß die Gasdrücke, Temperaturen und Mischungsverhältnisse in den einzelnen Gaszellen so gewählt sind, daß ihre Resonanzfrequenzen gleich und ihre Bandbreiten verschieden sind und ihre aus ihrer Parallelschaltung resultierende Nachstimmkurve einen großen Fangbereich bei einer großen Regelsteilheit in der Umgebung der Resonanzfrequenz aufweist.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird die Bandbreite einer atomaren Resonanzkurve durch Veränderung der Leistung der auf die Zelle 4 einwirkenden Mikrowellen verändert.
  • In der F i g. 4 ist der Zusammenhang zwischen der Mikrowellenleistung und der resultierenden Bandbreite der Resonanzkurve qualitativ dargestellt. Mit zunehmender Mikrowellenleistung nimmt die Bandbreite zunächst nur wenig zu, während sie in dem Bereich der Linie c-d steiler ansteigt.
  • Außer dieser zweifellos vorteilhaften Methode der Bandbreitenregelung einer atomar bedingten Mikrowellenresonanz kann man die Bandbreite auch durch Veränderung des in der Zelle herrschenden Gasdruckes variieren. An Hand der F i g. 5 soll nun ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung erläutert werden. Bei dieser Anordnung wird zur Bandbreitenregulierung der Resonanzkurve die Leistung der in die Zelle eintretenden Mikrowellen verändert. Die Anordnung besteht aus mehreren in Kaskade geschalteten Gaszellen. Dabei sind alle Baustufen, die in ihrer Wirkung den in der F i g. 1 dargestellten Baustufen entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern wie diese bezeichnet und gegebenenfalls durch einen zusätzlichen Index a bzw. b kenntlich gemacht. Jede Stufe der Kaskadenanordnung weist eine Lichtquelle 1, ein Linsensystem 2, ein statisches Magnetfeld 3, eine Gaszelle 4, eine Fotozelle 5, einen Verstärker 6 und eine Phasenvergleichsstufe 7 auf. In jede Zelle fallen über die Hornstrahler 15 bzw. 15 a, 15 b Mikrowellen in die Gaszelle ein, deren Frequenz durch einen gemeinsamen Quarzoszillator 12 gesteuert wird. Jeder Phasenvergleichsstufe 7 bzw. 7 a oder 7 b wird außerdem die Spannung eines gemeinsamen Niederfrequenz-Oszillators 8 zum Phasenvergleich mit den aus den Fotozellen gewonnenen Spannungen zugeführt. Jeder Hornstrahler 15 erhält seine Mikrowellenenergie über ein ihm zugeordnetes Dämpfungsglied 16 bzw. 17 oder 18. Die Dämpfungsglieder werden so eingestellt, daß in jeder Zelle eine genau definierte Leistung der Mikrowellen entsprechend der gewünschten Bandbreite eintritt. Die gesamte Kaskadenanordnung entspricht somit einer Parallelschaltung mehrerer Frequenzdiskriminatoren mit verschiedenen Bandbreiten, wobei diese durch die Einstellung der jeweiligen Intensität der in die Gaszelle einfallenden Strahlung festgelegt werden kann.
  • Das in der F i g. 5 gezeigte Schaltbild gilt in gleicher Weise auch für eine Anordnung, bei der die Bandbreite der atomarbedingten Resonanzfrequenz durch Veränderung des Gasdruckes in den Zellen eingestellt wird. Dabei muß allerdings zunächst dafür gesorgt werden, daß die Resonanzfrequenz nicht durch die Änderung des Gasdruckes in der Zelle verschoben wird. Dies kann durch die Verwendung eines geeigneten Mischungsverhältnisses der Bremsgase vermieden werden, denn Bremsgase mit einem Atomgewicht, das größer oder gleich dem von Argon ist, bewirken eine Verminderung der Resonanzfrequenz bei steigendem Druck, während Bremsgase, deren Atomgewicht geringer ist als das des Argons, eine Erhöhung der Resonanzfrequenz bei steigendem Druck zur Folge haben. Durch ein geeignetes Mischungsverhältnis von leichteren und schwereren Bremsgasen in bezug zum Gewicht des Argons läßt sich daher eine Gasfüllung herstellen, bei der prakaisch keine Frequenzabweichung durch Gasdruckänderungen auftritt. Gemäß einem Vorschlag zeigt die Mischung in einer Caesiumzelle von 35 q/o Neon und 6511/o Argon oder 406/o Xenon und 60'6/o Helium als Bremsgase diese Frequenzkonstanz bezüglich Druckänderungen. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß zur Erzielung einer Frequenzunabhängigkeit vom Druck die Bremsgase in einem solchen Verhältnis zu mischen sind, daß ihre Partialdrücke sich ungefähr umgekehrt proportional zu dem Verhältnis ihrer durch sie bedingten Frequenzänderungen verhalten müssen. Daher sind an jeder Gaszelle Ventile 23 vorgesehen, durch die die Bremsgase in dem als optimal ermittelten Mischungsverhältnis in die Gaszelle einströmen und die zur Einstellung des für die jeweilige Bandbreite notwendigen Druckes in der Zelle dienen. In vielen Fällen ist es jedoch zweckmäßiger, den Gasdruck in den Zellen von vornherein bei einem richtigen Milschungsverhältnis der Bremsgase festzulegen und mit den Ventilen jeweils nur noch einen Feinabgleich für die erforderliche Bandbreite vorzunehmen. Im Ausführungsbeispiel wurde die größte Bandbreite der Zelle 4 mit d f =1 kHz gewählt, was eine Frequenzgenauigkeit von 1 - 10-s für den Quarzoszillator bedingt. Der dieser Bandbreite entsprechende Verlauf der Nachstimmspannung ist. in der F i g. 6 als Kurve G dargestellt. Die anderen Zellen 4 a und 4 b weisen dagegen gemäß den in der F i g. 6 gezeigten Kurven H und J kleinere Bandbreiten auf. Die aus der Parallelschaltung aller drei Nachstimmspannungen resultierende Nachstimmspannung ist mit J bezeichnet. Damit ergibt sich also eine Nachstimmung mit einem relativ großen Regelbereich und einer großen Regelsteilheit in der unmittelbaren Umgehung der Sollfrequenz, so daß der Restfehler de klein gehalten werden kann.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Atomares Frequenznormal, bei dem in einer Zelle befindliches gasförmiges Alkalimetall einem statischen Magnetfeld, monochromatischem, zirkular polarisiertem Licht und höchstfrequenten elektromagnetischen Schwingungen ausgesetzt ist und die atomarbedingten übergänge zwischen den Energiezuständen des Alkaligases in der Weise zur Frequenzstabilisation der höchstfrequenten Schwingungen verwendet werden, daß das die Zelle durchsetzende Licht fotoelektrisch demoduliert wird und die daraus resultierende Ausgangsspannung mit einer die höchstfrequenten Schwingungen frequenzmodulierenden Niederfrequenzspannung in einer Phasenvergleichsstufe verglichen wird, aus der eine Nachstimmspannung gewonnen wird, die einen die höchstfrequenten Schwingungen steuernden Oszillator nachregelt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in dieser Weise wirkende Gaszellen, einschließlich ihrer zugehörigen Vorrichtungen zur fotoelektrischen Demodulation und zum Phasenvergleich mit einer gemeinsamen Niederfrequenzspannung, zueinander parallel geschaltet sind und daß die Gasdrücke, Temperaturen und Mischungsverhältnisse in den einzelnen Gaszellen so gewählt sind, daß ihre Resonanzfrequenzen gleich und ihre Bandbreiten verschieden sind und ihre aus ihrer Parallelschaltung resultierende Nachstimmkurve einen großen Fangbereich bei einer großen Regelsteilheit in der Umgebung der Resonanzfrequenz aufweist.
  2. 2. Atomares Frequenznormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der atomarbedingten Resonanzkurve jeder Zelle einzeln durch Veränderung der Leistung der auf sie einwirkenden höchstfrequenten Schwingungen einstellbar ist.
  3. 3. Atomares Frequenznormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der atomarbedingten Resonanzkurve jeder Zelle einzeln durch Änderung des in der Zelle bestehenden Gasdruckes einstellbar ist, indem der Alkaligasfüllung der Zelle Bremsgase, vorzugsweise Edelgase, in einem solchen Mischungsverhältnis beigemengt werden, daß die erforderliche Druckänderung keinen Einfluß auf die Resonanzfrequenz ausübt. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 960 575; USA.-Patentschriften Nr. 2 669 659, 2 714 662; »Technische Rundschau«, Heft 14/1959, S. 63 bis 67; »Zeitschrift für angewandte Physik«, Heft 8/1953, S. 307 bis 317; »Journal of the Optical Society of America«, Juni 1957, S. 460 bis 465.
DEJ18049A 1959-05-01 1960-04-30 Atomares Frequenznormal Pending DE1278555B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3100218A1 (de) * 1980-01-11 1981-11-26 Ebauches S.A., 2001 Neuchâtel "optisch gepumptes atom-frequenznormal"

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR960575A (de) * 1947-04-26 1950-04-20
US2669659A (en) * 1948-02-13 1954-02-16 Rca Corp Stabilized generator
US2714662A (en) * 1950-05-29 1955-08-02 Rca Corp Frequency stabilization of microwave oscillations

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