DE1491534A1 - Atomstrahlroehre - Google Patents

Description

PATINTANWALT DIPL.-INQ. H. KLAU8 BERNHARDT «1491534 MM MONCHIN 39 · MAINZIHtTIiB 71 p66 D

Dr. ExpL

VAHIAH ASSOCIATES Palo Alto / California V. St. v. Amerika

Atoaetrahlröhre

Priorität} 28. September I964 - V. St. ν. Amerika ÜS-Ser.Ho. 399,732

Die Erfindung betrifft Atomstrahlröhren und insbesondere eine Claium-Strahlröhre für Frequenznormale.

Atom-Frequenznormalβ oder -Uhren ait Cftsium-Strahlröhren sind beispielsweise in der älteren Anmeldung 724 712 7IIIc/21g und 727 6II 7IIIo/21g der Anmelderin beschrieben.

Grundsätzlich besteht ein Atom-Frequenznormal aus einem Atomresonator, der eine extrem präzise Besonanzfrequenz hat und der in einer Rück koppelungsschleife an einen Frimäroszillator gekoppelt ist. Der Osailla-

tor wird mit einer rorgeβohr!ebenen Frequenz moduliert und de» Resonator liefert ein Fehlersignal mit der Modulationsfrequenz. Dieses Fehlersi|nal "

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dient dazu, den Oszillator auf eine mit der Resonanzfrequenz ir. bestimmten Beziehung stehende Frequenz einzustellen und zu stabilisiuren.

In einer Ausführung3form einea Frequenznormalε oder einer Uhr wird ein Cäsium-Atomstrahl verwendet, in dem C'nsiuu-Atome einen gewünschten übergang mit der Resonanzfrequenz durchmachen. Die Konstruktion ist bei lioI-ohen bekannten Systemen so gewählt, daß die ueisten der den Detektor erreichenden Atome solohe sind, die den erwünschten Übergang mitgemacht haben, während diejenigen, die den übergang nioht mitgemacht haben, größtenteils den Detektor nioht erreichen können. Ein solches System wird als ^?lEinblend"-(flop-in)-Sy8teni bezeichnet. Statt deaaon kann man das oystem auch BO auslegen, daß diejenigen Atome, die den Detektor erreicht hätten, wenn sie keinen Übergang mitgemacht hätten, den Detektor nioht erreichen, wenn sie einen übergang mitmachen, fciin solahes System wird als "Ausblend"-(flop*-out)-3ysteM bezeichnet.

Daa Binblendprinzip hat ihm eigen« Torteile bei Atomstrahlsystenen, weil ein größerer Eauschabatand erhalten wird al3 bei einem Ausblendsystem.

In Atomstrahlröhren iat ea erwünaoht, mehrpolige Zuatandsaelektionsmagneten zu verwenden. Solch· Magnete, dia vierpolig oder seoaepolig aufgebaut sein können, liefern größere Ablenkkräfte als zweipolige Magneten bei gleichen οda» größeren Raumwinkeln. Wenn mahrpolige Zuatandaselaktiomamagneten in eine· Einblendayetem verwendet werden, iat ea jedoch notwendig, einen großfläehigen Detektor zu verwenden, insbesondere wenn eina übliche kleinfimohige oder Punktquelle für dl· Atome verwendet wird. Wenn ein groß- · ' fllehlger Detektor In eina» Atomatrahluhr warwendet wird, wird eine über-

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trieben hohe Energiernenne benötigt, und die Aufnahme der Ionen vom groß- · flächigen Detektor ist schwieriger ala von einem kleinflächigen Detektor.

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Atorastrahlröhre für Frequenznormal verfügbar gemacht werden. Weiter soll durch die Erfindung in einem Atomstrahl-Frequenznormal ein besserer Ilauechabstand erreicht werden.

ft Urfinouiv;s.-c:mäß weist eine Atometrahlröhre_f die in einem Frequenznormal verwendet werden kann, eine ringartige Atomquelle auf, die eine relativ t^roBe Apertur hat, einen kleinen Knopfdetektor und ein Einblend-Strahl· syetem, bei dem die Atome -bei ihrer Annäherung an den Detektor but optischen Achse der Röhre hin abgelenkt werften.

Atome, die einen erwünsohten Energieübergang bei einer Resonanzfrequeni mitmachen, die in einen Veehselwirkungsbereioh Bwisohen dem Strahl und einem Magnetfeld eingespeist wird, der »wischen dem ersteh und letzten Zustandsaelektionsmagneten liegt, werden abgelenkt und auf den kleinfläohigen Detektor fokussiert. ''-

Die auf den Detektor auftreffenden Atome werden ionisiert und dann mittels

■> eines Hassenspektrometere in einen Elektronenvervielfacher abgelenkt. D^r

Vervielfacher liefert ein Auagangeaignal, das dazu dient, einen Primär-

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oszillator zu stabilisieren, der in einer Eückkoppelungsschleife mit den Cäsium-Streiilreeonator gekoppelt ist»

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werdenf es zeigen!

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Pig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfincun'steine j.'e AtoustrehlroLj-o;

I'ig. 2 einen Schnitt läng« der Linie 2-'?. in Pig. 1 ;

Pig. ;; in our Atomratrahlröhro interessierende Jnergie-Wiveauü;

Fig. 4 einen Schnitt längs öer Linie j-4 in Pig· 1>

Pi₁.. 'j ein ülocküc/iultbild eine3 Atom-1'renuen..iiormf-lü mit oilier eriin-

Atomstrahlröhre» und
Fign. 6a-c verachiedene Strahlwe_Lie zur Erläuterung der Erfindung.

Gemäß Pi _ü·. 1 beateht eine Cäbium-Strahlrühre au α einem nicht ma Gefäß 1^, bcispielü„ei ^e aus rostfreiem Stahl, in dem ein niedriger Druck, "beispielsweise 10 πια Quecksilbersäule, mittels einer Yakuumpuinpe 12, etwa vom Typ Vaclon (eingetragenes 'Jarenr.eichen-' der Varian AssociatcK, lalo Alto, U.S.A., aufrechterhalten \,irü. An einem Ende des Gefäßes 1Ü wird metallisches Cäsium in einem kupferοfen I4 bei einer geeigneten Temperatur verdami^ft. Lie Gäsiumdarupf-Atome entweichen durch oinen Kollimator 16, uer an den Ofen I4 montiert ist, um einen Atomstrahl zu bile en; der Kollimator 16 ist so orientiert, daß der Strahl längs der optischen Achse oder Längsachse der Röhre 1^ gerichtet ist..

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der Kollimator 16, wie in Pig. 2 veranschaulicht ist, aus einer Vielzahl kurzer Zylinder 18 aus rostfreiem Stahl oder anderem geeigneten Werkstoff, beispielsweise Lionel, gebildet, die in einer ringartigen Form angeordnet sind und zwischen konzentrischen Wänden aus Nipfer oder einem anderen Vferkstoff gehalten werden, die einen Teil der Wand des Ofens I4 bilden. Die Zylinder 18 können quadratisch, dreieckig oder in beliebiger anderer Querschnittsform ausgebildet sein,

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ebenso wie kreisförmig, und es kann mehr als eine Schicht zwischen den Wänden 20a, b angeordnet sein. Die Längsachsen der Zylinder 18 sind im wesentlichen parallel zur Achse 24 der Rohre 10 ausgerichtet, oder leicht gegenüber, dieser geneigt, so daß die Atome in den Luftspalt des Zustand3selektionsmagneten 22 gerichtet werden. Die Mitte der kreisförmi^on './and 20b befindet sich auf der optischen Achse 2.\ der Röhre

Der Kollimator 16 dient dazu, einen Atom3tri„_til 21 au projizieren, dessen (Querschnitt wesentlich größer iat als mit kleinflächigen Punictquellen er^iolbar, wie sie biüher verwendeb wurden. Die Aton-Emission3-rabe vom Kollimator 16 wird also erheblich erhöht, und die Gleichfürmiij-ceit der Strahlforn wiro deutlich ve-rbessert. Die ^änge und der Durchmesser jedes Kollimatorröhrchens 1d ist vorzugsweise kleiner als die mittlere freie Y/eglänge der Cäsium-Atome. Der Durchmesser jeder Röhre 10 beträgt etwa 0,076 mm (0,003 Zoll), während der Durchmesser der Kupfer-./and 20b etwa gleich ist dem Durchmesser dea Luftspalts des mehrpoligen Zustandsselektionsmagneteh 22, der beispielsweise 5>1 ^mi» (0,2 Zoll) betragen kann. ·

Atome im flyperfeinatrukturzus band P- 3» M ■ O im Strahl werden mit einem ersten Zuatandsselektions- oder A-Magnet 22 ausgewählt und durch ein schwingendes Mikrowellen-Magnetfeld abgelenkt, das von einer mit einem Mikrowellengenerator 26 erregten Mikrowellenstruktur 24 erzeugt wird. Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung X3t der Selektionsjaa^net 22 ein vierpoliger oder sechspoliger Magnet, der ein stetiges. Feld von etwa 9000 Gauss liefert. Mit den mehrpoligen llagneten werden größere Ablenkkräfte erreicht als mit Dipolmagneten bei gleichem oder

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größeren Rauiawinkel, 30 daß die Anzahl der den detektor erreichundun Atome vergr ö ßert v/ird.

Jiin schwaches, ,jleichiörmi^es Polarisationafelä iL. v/ird in der U-egenwarb des Mikrowüllen-Ma^nbtfoldes mittels eine3 ^eeigneton riltiktx'oraa^neten an den Strahl angelegt, der als C-Feld-Harnet bezeichnet und aus einem länf-

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liehen U-förmigen Blech/20 gebildet v/ird. Das Mahnet eiern ent 2Θ besteht aus magnetisch permeablem Material, etwa :..üi;iötall und ist etwa 1,52 min (O,ObÜ Zoll) 3tark. Der C-Feld-Magnet wird mit einer iWeld-äpule 3O erregt, die in axialer dichtung u:.i den Steg des l-Profils gewickelt ist. Die C-Felci-Spule JO bestellt aus relativ wenigen Windungen und v/ird mit einen relativ schwachen Gleichstrom gesjjeist, um ein schv/aches, ;_,loichförmiges C-FeId von beispielsweise etwa 60 llilligauss zu erzeugen. Die Stärke des C-Feldes nuß auf y/i genau geregelt v/arden, um eine Frequenzgenauigkeit von 1 au 10 zu erreichen. Der C-Feld-Magnet ict vollständig von Abachirmelementen umgeben, so daß üie Stärke von in den C-Peld-Bereich hineinreichenden magnetischen Streufeldern auf ein ^inimum herabgesetzt wird, bo daß die Homogenität des C-Feldes aufrechterhalten wird. ·

Wenn di· Frequenz des schwingenden Mikrowellen-Magnetfelde» gleich de Atomreeonanzfröquenz ist, erfahren die ausgewählten Cäsium-Atome im C-Feld-Bereich, die sich im Zustand F - 3» U = O befinden, einen Teilen&rgieübergang im ersten Arm 32 der ^ikrowellenatruktur 24 und erfahren in einem zweiten Arm 24 einen endgültigen Übergang in den Zuetand F « 4» M-O, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Arme 32 und 34 sind an ßrenzfrequenz-Hohlleiter 36 bzw. 38 angekoppelt., durch die der 3trahl hindurchläuft, ao daß Energieverluste vermieden werden.

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Dib- Ätorau,, die sich im Hyperfeinstruktur^ustand F = 4 befinden, verden durch äoii ^iL₄G talluchirm vn einen zv/eiten "ustandsselclrtionsmagneten Odea· Ü-IPe la-Ha^n ^ ten 4^ geschickt, der ähnlich deia vielpoligen ersten Zustandssulektionsmagnoten 22 aufgetaut ist« Der B-^ustandsselektionsnif! ^iiot 40 lenkt nur Atome im Zustand P = 4 zur optischen Achse hin nach innen ab. Dadurch trifft eine optimale Anzahl ausgewählter Atome auf einen Knopfdetektor 42» der in Fig. 4 dargestellt ist. Auf der anderen üeite ν.-erUGn diejenigen Atome, die den Übergang nicht mitgemacht haben, abgestoßen oder aus der optischen Achse heraus abgelumct.

Die Atoue im Zustanc i¹ = 4» ^ = ^» äie am Detektor 42 ankommen, c.er &ine warme Wolfraui-Jdlektrode mit 20 Volt ge_öen jßrde sein. kaim_f v/erden ionisiert und durch ein llassencpektrometur 44 gerichtet, das aus einen C-I'iagm;ten mit keilförmigen, einander gegenüber liegenden Polschuhen bestehen kann. Das Spektrometer 44 liefert ein gleichförmiges Feld von etwa 25^0 Gauss und wählt diu schweren Cüsiuu-Ionen aus, während Verunrc-ini^ivcn, vie leichte Γalium-Atoue, abgestoßen werden. Die Cäsium-Ionen './ercen zur ersten Dynode eines Eloktronen-Vervielfachers 46 abgelenkt, die auf etwa -2000 YoIt gegen Erde liegt. Dadurch wird ein verstärktes Signal, dessen Stärke der Anzahl der vom Detektor 42 aufgenommenen ausgewählten lieBonanafrequenaatome entspricht, entwickelt. Das Ausgangssignal vom Vervielfacher .]6 wird dann einem Verbraucher zugeführt, der im Falle eines Atom-Frequenznormale aus einer Rückkoppelungsschleife besteht, die zwischen dem öäsium-St'TahlreBonator und einem Kristalloszillator liegt, wie in Fig. 5 dargestellt ist· .

In Fig. 5 ist in Form eines vereinfachten Blocksehaltbildes die Primärsehleife eines Atom-Frequenznormals dargestellt, mit dem die Frequenzen

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eines primären K-ristalloszillators <'|ü goregelt werten, tiin Prenutnulüoüulator 5^ verschiebt die Phasenlage des Ausgangssignals äes oszillators 48 in einem di'.geaahnmuüter, v/as äquivalent ist einei· eclvv/ellcn-rrGijiioMEi'-ot ulatiüii, ::d.t bin or Modulationsfrequenz von ütvra. 100 Hz. Eine Verviülfaohorkette 52 v/andelt den Ausgang des «'requomzmodulators 50 kohärent in die Frequenz der Cäsium-Hesonans um, incei: eine Frequenz-Multiplikation um den Pak bor 1B24 vorgenoratfien v/irci. l/er Cäsium-Strahlresonator 'J4t ^{c er 0}^¹¹ Äquivalent der Re&onatorröhrc nach Fig. 1 ist, liefert ein Fehlersi£;nal mit der kodulationsfrequenz, unö dieses Fehlersignal ist proportional der Prequenzatweichun^,' des von der Vervielfacherkette 52 aufgenommenen Ausgangssignals gegenüber der Cäsium-Kesonanzfrecuenz. iäinö 100 Hz -Verstärkerkette 56 isoliert und verstärkt das Fehlersi^ral, aas seinerseits in einem ebenfalls mit einem Bezugssignal vom Modulator $0 beaufschlagten Synchronüetektor 5& in ein GleichstromsiuTial umgewandelt wird. Mn Kompeneationsnetzvierk 60, das an den Detektor ^zjü angekoppelt ist, verstärkt das Fehlergleichstromsignal auf solche ¥erte, öaij es ausreicht, eine Varactor-Frequonzregelung 62 auszusteuern, die an den Eingang des Frimär-Kristalloszillators 48 angekoppelt ist. Die Frequenzregelung 62 stellt die Frequenz des Frimär-Oszillators 48 auf genau den i/i824-ten Teil der Frequenz der Cäsium-Resonanz.

Fig. 6 zeigt in Gegenüberstellung die Strahloptik oder die Atomwege von bekannten Systemen a und b, und das erfindungsgemäße Syston c. Bei einem kleinen punktförmigen Kollimator in einem Ausblendsysteia und einem kleinen punktförmigen Detektor, wie in Fig. 6a dargestellt ist, werden die Atome vom ersten ^ustandsselektionsmagneten nach im.on

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aui axe Achse zu abgelenkt, und wenn die Atome den erwünschten Ünergienive au-Übergang- durchmachen, werden sie vom swoiten Zustandsselekbor nach außen abgelenkt. Me Atome, die den Uοergang nicht mitmachen und daa ausgewählbe Energieniveau nicht erreichen, werden nach innen abgelenkt. Die Anzahl der Atome, die den erwünschten Übergang mitgemacht haben und deshalb vom Detektor weg abgelenkt werden, ist klein ftosgoniiber der ü-esaatzahl von den Detektor in einem Aus blend sys tem erreichenden Atomen, und deshalb ist der Kauachabstend des Fehleraignala relativ klein, so daß sich eine stärkere Frequenzinatabilität bei einem Frequenznormal einstellt. Beim Einblendsystem nach Fig. 6b, bei dem ein großer ringförmiger Detektor verwendet wird, werden die Atome, die den Übergang mitmachen, von der Achae nach außen abgelenkt. Bei dieser Anordnung ist ein großer Detektor erforderlich, der mehr Leistung braucht, um waru gehalten zu werden} von einem großen Detektor ist es auch schwierig, einen großen Teil der aeine Oberfläche verlassenden Ionen zu saumein, wenn die Atome durch ein. !.lasaenspektrometer laufen müssen. 3ei der in Fig. 6c skizzierten Anordnung, die die erfindungsgemäße Strahlenoptik schematiach darstellt, werden die Atome von der ringförmigen Quelle zunächst nach innen abgelenkt, so daß sie eine Bahn im Bereich cies C-Magneten durchlaufen, die im wesentlichen parallel zur Systemachse liegt. Die Atome, die den gewünschten Übergang mitnachen, werden im zweiten Zustandsaelektionsmagneten weiter nach innen zum kleinflächigen Detektor hin abgelenkt, der dazu dient, ein relativ kräftiges Signal zu erzeu&en. Die Strahlblenden in Fign. 6a, b und c_. werden dazu verwendet, unerwünschte Atome daran au hindern, den Detektor zu erreichen. ,

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Der kleinf lL'chige Detektor hat nicht "den Leistungabeoarf von großen ringförmigen Detektoren, und trotzdem wird mit deia erfincungs^jn^aen Üysten eine wirksame Aufnahme der ausgewählten Cäsiuu-Atome ai-i-eioht. Lie erfindunjsgemäße Vorrichtung· ermöglicht die Verwendung uea ^ünstigerdii rJinblendsysteius uit kleinf lächigem Detektor ebenso v/ie die Verwencun^, νο.·ι mehrpoligen Zustancssälektionsma riieten für bessere Aolunlriui.;.

Die beschriebene Abomstrahlröhre ist nicht auf die Verv/encuri-j von Cäüiuu Atoraen eingeschränkt. Gewisse Isotopen von einigen anderen Lletallaa, wie Thallium und Rubidium, können beispielsweise verwendet v.err'en. -Is -.ira in Betracht gezogen, äi-J jeder Molekül- oder Atomstralil wit geeieiie^en Übergangseigenschaften verwendet werden kann, und der hier benutzte Ausdruck "Atomstrahl" soll auch solche Strahlen umfas3en. Auch die u'erte, Parameter und Formen, beispielsweise die Konstruktion des '■-i^rowsllei.-hohlraums, kann abgev/andelt werden, ohne vora J!3rfinduni;3ä'-üanki.n ab^aweichen.

Fateutanspräche

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Claims (7)

1. PATENTANWALT DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT I H 5J 1 O O H

   ■1-ateuta η Sprüche ι

   /i7) AtonctrrAilronre, insbesondere für Prequenznormale, mit einer Quelle mit Kollimator, mit den ein otrahl von Atoinen län^s einer Achse pro- ' jiziert wird, einer Einrichtung, mit der ein Enerb'ieübergang der Atoniii "oei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz hervorgerufen wire, unc einca Detektor, von dem die Atome aufgenommen veruen, die den Eüsonanafroquciis-übergMiö mitgemacht haben, dadurch ü'ekennzeichnet, daß die Quelle nit Kollimator ringartig ausgebildet ist und der De- ;tektor ein an sich bekannter Knopfdetektor ist, so daß die BaIm der Atome zwischen der Quelle und dem Knopfdetektor ein Einblendsystem bildet.
2. 2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator aus konzentrisch um die Strahlachse angeordneten Zylindern besteht.
3. 3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser und die Län^e der Zylinder kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Atome.
4. 4« Röhre nach Anspruch 1,2 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Hervorrufung des Übergangs aus einer Mikrowellenquelle besteht, die Hochfrequenzenergie mit der Resonanzfrequenz liefert.

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5. 5· Röhre naoh einem der Aiißprüclie 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, (ujj zwischen der Quelle und dem Detektor eine Selektionseinrichtung angeordnet ißt, mit der Atome ausgewählt werden_f die auf die Resonanzfrequenz ansprechen.
6. 6. Röhre nach einem der Anspiniche 1 bis 5» dadurch ^ekennzc-iohnut, claii die Atome Cäsium-Atome sind und der bewirkte Übergang der i/bergani; zwischen dorn.Zustand F= 3» M=O um; dem Zustand F = 4i M = 0 ist.
7. 7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichn&t, dal.'-die Atome Thallium-Atome sind und der bewirkte Übergang der Üborgane zwischen dem Zustand F = 0, M = 0 und dem Zustand F = 1, II = ü iat.

   6. Röhre nach einem der Anspräche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, 'oft der Detektor auf der Strahlachse angeordnet ist und zwischen der Quelle und dem Detektor Zustandsselektionsmagneten angeordnet sinu, mit denen die Atome zur Achse hin abgelenkt werden.

   9· Röhre nach Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustand&- selektionsmagneten mehrpolige Magnete sind.

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