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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.
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Von einem unter Steuerung von atomaren übergängen in einer abgeschlossenen
Gaszelle stabilisierten Oszillator ein Frequenznormal abzuleiten, ist bekannt. Einrichtungen
hierfür werden auch »Atomuhren« genannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung bezieht sich auf die zuerst geschilderte Rückkopplungsmethode.
Daher soll diese zunächst noch näher diskutiert werden.
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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.
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Während man sich mit der Realisierung der ersten und dritten Forderung
bereits befaßt hat, dient die Erfindung einer verbesserten Erfüllung der zweiten
Forderung.
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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.
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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.
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Anders liegen die Dinge, wenn man um der Genauigkeit der Atomuhren
willen die Güte der Resonanzlinie um Größenordnungen zu erhöhen bemüht ist.
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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.
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Durch Wahl kleiner Frequenzhübe, mäßig hohen Gasdrucks und einer unterhalb
der Sättigung liegenden Mikrowellenenergie gelingt es, eine sehr schmale Resonanzlinie
bzw. Bandbreite zu erzeugen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenn dies realisiert ist, dann kann durch Rückkopplung des Oszillators
auf den atomaren Übergang eine Genauigkeit von 2:109 bis 2:1019 erzielt werden.
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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.
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Aus diesem Grund ist die Verwendung von extrem geringen Bandbreiten
bisher auf Schwierigketten gestoßen.
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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.
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Zuerst sei F i g. 1 betrachtet.
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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.
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Ein statisches Magnetfeld 3, dessen Feldlinien parallel zur Fortpflanzungsrichtung
des Lichtstrahls und parallel zum elektromagnetischen Wechselfeld der Mikrowellen
verlaufen, durchsetzt ebenfalls die Zelle 4.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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°.
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In der Phasenvergleichsstufe 7 wird die Ausgangsspannung der Fotozelle
mit der des Oszillators 8 verglichen.
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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.
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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.
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In Weiterbildung der Erfindung wird die Bandbreite einer atomaren
Resonanzkurve durch Veränderung der Leistung der auf die Zelle 4 einwirkenden Mikrowellen
verändert.
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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.
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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.
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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.