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Die Erfindung bezieht sich auf eine durch hyperfein-strukturelle Übergänge
stabilisierte Mikrowellen-Generatorschaltung, bei der in einem von den Mikrowellen
erregten Mikrowellen-Hohlraumresonator eine dampfgefüllte Strahlungsabsorptionszelle
angeordnet ist, die durch ausgefilterte optische Resonanzstrahlung in einer die
Besetzung eines der hyperfeinstrukturellen Niveaus selektiv bevorzugenden Weise
erregt wird und hinter der ein Strahlungsdetektor angeordnet ist, unter Anwendung
von Mitteln zur Phasenmodulation der von einem Hochfrequenzgenerator, dessen Frequenz
zur Hohlraumresonatorfrequenz in einem rationalen Verhältnis steht, erzeugten Schwingungen,
welche nach erfolgter Phasenmodulation auf die Resonanzfrequenz des Mikrowellen-Hohlraumresonators
vervielfacht dem Hohlraumresonator zugeführt werden, und eines Phasendemodulators,
dem die von dem Strahlungsdetektor gelieferten Modulationsfrequentensignale zugeführt
werden, wobei dem Phasendemodulator die von dem für die Modulationsfrequenz maßgebenden
Generator erzeugten Schwingungen zusätzlich als Bezugsfrequenz zugeführt werden
und die Ausgangsschwingungen des Phasendemodulators eine Frequenzregelung des Hochfrequenzgenerators
bewirken.
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Bei einer bekannten Mikrowellen-Generatorschaltung dieser Art werden
die von dem für die Modulationsfrequenz maßgebenden Generator erzeugten Schwingungen
in Form von sinusförmigen Schwingungen sowohl dem Phasenmodulator als auch dem Phasendemodulator
zugeführt. Bei einer derartigen Anordnung ist es wichtig, daß der Hochfrequenzgenerator
mit einer in hohem Maße symmetrischen Modulationsfrequenz moduliert wird. Wenn nämlich
die Modulationsschwingungen Unsymmetrien enthalten, so sind in den von dem Strahlungsdetektor
gelieferten Signalen Schwingungskomponenten von der Modulationsfrequenz auch in
dem Fall enthalten, in welchem die dem Hohlraumresonator zugeführten Mikrowellen
in ihrer Frequenz genau auf die hyperfein-strukturelle Übergangsfrequenz abgestimmt
ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Generatorschaltung
zu schaffen, bei der Vorsorge dafür getroffen ist, daß bei genauer Abstimmung der
dem Hohlraumresonator zugeführten Mikrowellen auf die Frequenz der hyperfein-strukturellen
Übergänge kein Anteil von der Modulationsfrequenz in den von dem Strahlungsdetektor
gelieferten Signalen enthalten ist.
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Eine erfindungsgemäße Mikrowellen-Generatorschaltung kennzeichnet
sich dadurch, daß der für die Modulationsfrequenz maßgebende Generator Schwingurigen
mit einer nur aus ungeraden Harmonischen bestehenden symmetrischen Rechteckwellenform
erzeugt und daß aus dem Spektrum der symmetrischen Rechteckschwingungen über eine
Filteranordnung nur die Grundwelle der erzeugten Rechteckschwingungen dem Phasenmodulator
zugeführt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert: Die Zeichnung zeigt die optische
Vorrichtung und die Mikrowellen-Generatorschaltung in Form eines Blockschaltbildes.
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Die gezeigte Anordnung enthält eine Rubidiumlampe 11, welche eine
parallele Strahlung in Richtung der Achse der Rubidiumfilterzelle 13 und durch dieselbe
hindurchleitet; dabei besteht das Rubidium zweckmäßigerweise aus dem Rubidiumisotop
85. Die Filterzelle 13 dient dem Zweck, die hyperfein-strukturelle Komponente niedrigerer
Energie aus jeder der Rubidium-D-Linien der Lampe 11 auszufiltern. Die hyperfein-strukturellen
Komponenten höherer Energie durchsetzen die das Licht absorbierende Zelle 14, welche
das Rubidiumisotop 87 enthält und sich innerhalb eines Hohlraumresonators 31 befindet.
Das Rubidiumisotop 87 unterliegt einem optischen Pumpprozeß und absorbiert einige
der Lichtphotonen höherer Energie. Die relative Intensität des Lichtes, welche die
Absorptionszelle 14 durchsetzt, wird von der Photozelle 16 gemessen.
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Es sind ferner in der Zeichnung nicht gezeigte Anordnungen vorgesehen,
die sowohl die Filterzelle 13 als auch die Absorptionszelle 14 jeweils
auf einer bestimmten konstanten Temperatur halten. Durch eine ebenfalls nicht gezeigte
Magnetspule kann ein magnetisches Feld bekannter Stärke parallel zu der Achse der
Lichtstrahlen erzeugt werden.
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In den Hohlraumresonator 31 wird eine Frequenz eingekoppelt, welche
der hyperfein-resonanten Frequenz des Rubidiumisotops 87 entspricht. Für die Erzeugung
dieser Frequenz ist ein Oszillator 77 maßgebend, der bei einer Frequenz von 5 MHz
schwingt. Der Oszillator 77 hat einen besonderen der Temperaturregelung dienenden
Kreis 78, durch welchen der Oszillator 77 auf konstanter Frequenz gehalten wird.
Die von dem Oszillator 77 gelieferte Schwingung von 5 MHz wird von einer Frequenzsyntheseschaltung
auf den Frequenzwert der hyperfein-strukturellen Frequenz gebracht. Diese Schaltung
besteht aus einem regenerativen Frequenzteiler 79, welcher die 5-MHz-Schwingung
auf ein Signal einer Frequenz von 1 MHz bringt. Der regenerative Frequenzteiler
79 multipliziert dann die 1 MHz Frequenz auf das Sechsfache, wodurch ein 6-MHz-Signal
erhalten wird, welches in der regenerativen Frequenzteilerstufe 81 im Verhältnis
1 : 19 geteilt wird und ein Signal von der Frequenz 6/19 MHz liefert. Das 5-MHz-Signal
des Oszillators 77 wird ferner einer Frequenzverdopplerstufe und Phasenrnodulationsstufe
82 zugeführt, wo ein moduliertes 10-MHz-Signal erzeugt wird, welches wiederum in
einer Vervielfacherstufe 83 mit dem Faktor 12 multipliziert wird und auf diese Weise
ein moduliertes Bezugssignal von 120 MHz liefert. Das 120 MHz modulierte Bezugssignal
und ein 56/19-MHz-Bezugssignal, welch letzteres in einem nur ein Seitenband erzeugenden
Modulator 84 unter Zuführung des 5-MHz-Signals des Oszillators 77 und des 6/l9-MHz-Signals
des Teilers 81 erzeugt wurde, werden beide einer spannungsgesteuerten Diode (Varaktor)
85 zugeführt, wo das 120-MHz-Signal mit dem Faktor 57 multipliziert wird und so
eine Mikrowellenfrequenz 6840 MHz erhalten wird, von welcher das 56/19-MHz-Signal
subtrahiert wird und dadurch die untere Seitenbandfrequenz 6834 13/I9 MHz liefert.
Diese letztgenannte Frequenz wird dem Resonator 31 zugeführt.
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Die hyperfein-strukturelle Resonanzfrequenz von Rubidium 87 hängt
von der Stärke des Magnetfeldes ab, welches die Absorptionszelle 14 umgibt, und
auch von dem Druck des Puffergases in der Absorptionszelle 14. Die hyperfein-strukturelle
Frequenz von Rubidium 87 hat den Wert 6 834 682 614 Hz in bezug auf die sogenannte
»A.1 Zeit« des amerikanischen Bureau of Standards. Die hyperfein-strukturelle
Frequenz
wird durch Einstellung des Druckes in dem Puffergas der Zelle 14 so verschoben,
daß sie ungefähr bei 683413A9 MHz liegt. Dann wird der Strom in der Spule, welche
das gewünschte Magnetfeld liefert, so eingestellt, daß die hyperfein-strukturelle
Frequenz der Dampfmenge in der Zelle 14 genau 683413l19 oder 6834,684211 MHz beträgt.
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Die modulierende Schwingung soll einen Gehalt an geraden Harmonischen
von weniger als 10-4, bezogen auf den Gehalt an ungeraden Harmonischen haben. Für
die Erzeugung der Sinusschwingung ist ein Modulationsoszillator 86 maßgebend,
der 214mal pro Sekunde eine scharfe Impulsspitze liefert. Diese Schwingung ist das
Doppelte der Modulationsfrequenz von 107 Hz und steuert den bistabilen Multivibrator
87 und erzeugt dadurch eine symmetrische Rechteckwelle, welche eine Frequenz von
107 Hz hat. Die vom Multivibrator gelieferte Schwingung rechteckiger Wellenform
wird durch ein Filter 88
ausgesiebt, welches von der Rechteckwelle die höheren
Harmonischen aussondert und eine reine Sinuswelle der Grundfrequenz 107 Hz durchläßt.
Die ausgefilterte Sinuswelle wird über einen Verstärker 89
der Phasenmodulatorstufe
82 zugeführt, wobei das dort gebildete 10-MHz-Signal eine Phasenmodulation
über einen Winkel von etwa 0,1° erfährt. Dadurch, daß man diese kleine Phasenmodulation
in eine der ersten Stufen der Frequenzsyntheseschaltung einführt, wird die Notwendigkeit
komplizierter Schaltungen zur Erzielung einer linearen Phasenmodulation über einen
großen Winkel vermieden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die lineare Phasenmodulation
mit einem großen Modulationswinkel einfach dadurch erzielt, daß das modulierte 10-MHz-Signal
in der Frequenz multipliziert wird, so daß der Phasenwinkel ebenfalls multipliziert
wird. Das 10-MHz-Signal wird in der Vervielfacherstufe 83 multipliziert,
und das gleiche geschieht in der Varactor-Diode 85, so daß eine 6840-MHz-Schwingung
erzeugt wird, die in der Phase mit einem Winkel von ungefähr 114° moduliert ist.
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Die Wirkungsweise der Frequenzstabilisierungsanordnung kann wie folgt
beschrieben werden. Das Licht der Lichtquelle 11, welches im wesentlichen
aus Photonen besteht, die nur zwei Energiekomponenten haben, wird hinsichtlich der
Photonen niedrigerer Energie in der Filterzelle 13 gefiltert. Die Photonen höherer
Energie treten in die Absorptionszelle 14 ein, wo einige Photonen durch Rubidium
87
absorbiert werden, so daß das Rubidium 87 einem optischen Pumpvorgang unterliegt.
Da in der Zelle 14 weniger Licht absorbiert wird, wenn der Dampf zu höheren
Energieniveaus gepumpt wird, registriert die Photozelle 16 eine Zunahme der Lichtintensität.
Die Zelle 14 hat die höchste Durchlässigkeit, wenn sämtliche Rubidium
87 Atome in ihren höheren Energiezustand gepumpt sind. Wenn der Hohlraumresonator
31 bei der hyperfein-strukturellen Frequenz erregt wird, fallen die Atome des höheren
Energieniveaus in das niedrigere Energieniveau zurück, wodurch die Durchsichtigkeit
der Zelle 14 geringer wird. Diese Änderung der Lichtintensität wird wiederum
durch die Photozelle 16 registriert. Wenn die phasenmodulierte Frequenz, welche
in den Resonator 31 eingekoppelt wird, gleich der hyperfeinstrukturellen
Frequenz ist, so registriert die Photozelle 16 eine pulsierende Lichtintensität
bei einer Frequenz, welche die doppelte Frequenz (zweite Harmonische) der Modulationsfrequenz
ist. Wenn die phasenmodulierte Frequenz entweder höher oder niedriger als die hyperfein-strukturelle
Frequenz ist, so ist das Signal, welches von der Photozelle 16 registriert wird,
ein pulsierendes Signal, das die Frequenz der Modulationsfrequenz hat. Das pulsierende
Signal der Zelle 16 wird durch einen selektiven Verstärker 91 ausgefiltert,
und nur die Frequenz, welche der Modulationsfrequenz entspricht, wird verstärkt
und dann einem Phasendetektor 92 zugeführt, wo die Phase diese Signals mit der Phase
eines von der Multivibratorschaltung 87 abgeleiteten Signals verglichen wird,
so daß eine positive oder eine negative Spannung geliefert wird, je nachdem ob die
Phase in bezug auf das direkt von dem bistabilen Multivibrator 87 erhaltene Signal
voreilend oder verzögert ist. Die Spannung wird in einem Verstärker 93 verstärkt
und dazu benutzt, die Frequenz des Oszillators 77 genau auf 5 MHz zu halten.
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Wenn die modulierende Sinuswelle keine streng symmetrische Form hätte,
so würden auch dann, wenn das Mikrowellensignal genau auf Resonanz abgestimmt ist,
am Ausgang der Photozelle Komponenten mit der Frequenz der modulierenden Welle registriert.
Das Ergebnis wäre, daß der Servomechanismus den Oszillator 77 auf eine von 5 MHz
unterschiedliche Frequenz abstimmen würde. Bei der hier vorliegenden Schaltung sind
sämtliche geraden Harmonischen aus der vom Filter 88 gelieferten Sinuswelle entfernt
oder so klein als möglich gemacht worden, so daß eine größere Genauigkeit der Abstimmung
erreicht wird.