DE1791148A1

DE1791148A1 - Temperaturstabilisierte Mikrowellenanordnung

Info

Publication number: DE1791148A1
Application number: DE19621791148
Authority: DE
Inventors: Rempel Robert C; Packard Martin E; Swartz Byron E; Rorden Robert J
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1961-08-07
Filing date: 1962-07-27
Publication date: 1972-03-16
Also published as: GB966126A; CH423901A; DE1296217B; DE1791148B2; DE1791148C3

Description

Dr. phü. G. B. HAGEN ' 1791 TA 8 Patentanwalt

8000 MÜNCHEN-SOLLN

Franz-Hals-Straße 21 ω.. _v -, - ^ "■« ^ ^ ,.«/>„ Telefon 7Qfi9iq ^iVJünclien, den 19. September 1968

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VA 2248 · ^Dr-H/K/HM

Aktenzeichen P 14 41 148.4 Tr. A.' II.
Varian Associates

Beschreibung

Temperaturstabilisierte Mikrowellenanordnung

Die Erfindung bezieht äich auf eine temperaturstabilisjficte Mikrowellenanordnung, bei der ein Hohlraumresonator und eine Strahlungsquelle angeordnet sind, wobei der Hohlraumresonator eine gasgefüllte Absorptionszelle enthält und die Strahlungsquelle eine einen optischen Pumpprozess in der Absorptionszelle bewirkende Strahlung aussendet und wobei eine Photozelle zur Registrierung der von der Absorptionszelle durchgelassenen Strahlung vorgesehen ist.

Derartige Mikrowellenanordnungen dienen zur !frequenzstabilisierung und sind im Prinzip bereits bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bereits geringe Schwankungen der Umgebungstemperatur bereits eine beträchtliche Verschiebung der hyperfeinstrukturellen Frequenz des Gases in der Absorptionszelle zur Folge haben kann. In gleicher Weise müssen Tempe-

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raturSchwankungen der Strahlungsquelle, die sich im allgemeinen auf einer anderen Temperatur als die Absorptionszelle befindet, möglichst vermieden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der sowohl die Strahlungsquelle als auch die Absorptionszelle auf eventuell voneinander verschiedenen Temperaturen mit großer Genauigkeit gehalten werden.

Eine temperatur stabilisierte Mikrowellenanordnung, bei der ein Hohlraumresonator und eine Strahlungsquelle angeordnet sind, wobei der Hohlraumresonator eine gasgefüllte Absorptionszelle enthält und die Strahlungsquelle eine einen optischen Pumpprozeß in der Absorptionszelle bewirkende Strahlung aussendet und wobei eine Photozelle zur Registrierung der von der Absorptionszelle durchgelassenen Strahlung vorgesehen ist, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß eine erste Heizvorrichtung die Strahlungsquelle auf einer ersten konstanten Temperatur hält, daß eine zweite Heizvorrichtung die Absorptionszelle auf einer zweiten konstanten Temperatur hält und daß eine dritte Heizvorrichtung die beiden erstgenannten Heizvorrichtungen umgibt und die unmittelbare Umgebung der beiden erstgenannten Heizvorrichtungen auf einer unterhalb der beiden ersten Temperaturen liegenden Temperatur hält.

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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß jede Heizvorrichtung eine zylindrische Ofenkammer und eine um die zylindrische Ofenkammer gewickelte Heizwicklung enthält und daß eine .Vakuumzelle zwischen der die Lichtquelle umgebenden Ofenkammer und-der die Absorptionszelle umgebenden Ofenkammer vorgesehen ist.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet . Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße

Mikrowellenanordnung mit den in Blockschaltbildform wiedergegebenen Versorgungskreisen;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines proportionalen Regelkreises zur Regelung der Temperatur.

Der in Figur 1 dargestellte frequenzstabiliaäerte Apparat f

besteht aus einer Rubidiumlampe 11, welche eine parallele Strahlung in Richtung der Achse der Rubidiumfilterzelle 13 und durch dieselbe hindurch leitet; dabei besteht das Rubidium zweckmäßigerweise aus dem Rubidiumisotop 85. Die Filterzelle 15 dient dem Zweck, die hyperfeinstrukturelle Komponente niedrigerer Energie aus jeder der Rubidium D Linien der Lampe 11 auszufiltern. Die hyperfeinstrukturellen Komponenten höherer Energie durchsetzen die das Licht absorbierende Zelle 14, welche das Rubidiumisotop 87 enthält. Das

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Rubidiumisotop 87 unterliegt einem optischen Pump-Prozeß und absorbiert einige der Lichtphotonen höherer Energie. Die relative Intensität des Lichtes, welches die Absorptionszelle 14 durchsetzt, wird von der Photozelle 16 gemessen.

Die Temperatur der Absorptionszelle H beeinfluß die hyperf einstrukturelle Irequenz des Alkali'dampfes. Zweckmäßigerweise wird die Absorptionszelle 14 daher auf einer Temperatur gehalten, die weniger als 1/¹O Grad schwankt,

wenn die Raumtemperatur Schwankungen von 30 C erfährt.

Die Mittel zur Regelung der Temperatur bestehen aus einer doppelten Ofenanordnung, wobei die äußere Ofenkammer 17 eine Lampenofenkammer 18 und eine Absorptionszellenofenkammer umschließt. Der äußere Ofen 17 hat ein vorzugsweise zylindrisches Aluminiumgehäuse 20 und Aluminiumplatten 21 und 22. Der innere Ofen 18 besteht aus einem Aluminiumrohr 24, welches W die Lampe 11 und die Filterzelle 13 umschließt. Das Rohr 24 ist in dem Ofen 18 durch Aluminiumringe 26 und 27 am Ofenende befestigt. Der Umfang des Ringes 26 liegt an der Innenfläche des rohr/förmigen Gehäuses 20 an, während der Ring 27 mit einem anderen Aluminiumring 28 vernietet ist, der mit seinem äußeren Umfang an der Innenfläche des Gehäuses 20 anliegt. Die Arbeitstemperatur des Ofens 18 wird durch ein elektrisches Widerstandselement 29 geheizt, das in Form einer Spule um das Rohr 24 gewickelt ist.

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Der innere Ofen 19 besteht im we sent Ii ο ilen aas einem Hohlraumresonator 31, zu dem ein kurzes Rohr 32 gehört, welches ein Innengewinde 33 am einen Ende, und zwei Seitenflächen 34 und 36 mit Öffnungen aufweist, Die die Öffnung aufweisende Wandfläche 34 ist hart verlötet und die eine Öffnung aufweisende Wandfläche 36 ist eingeschraubt, so daß die Absorptionszelle 14 zwischen beiden Flächen eingeschlossen ist. Der Hohlraumresonator 31 wird durch Aufschrauben der Wandfläche ™ 36 in das Rohr 32 hinein abgestimmt» wobei ein Distanzierring 37 zwischen der Zelle 14 und der Wandfläche 36 angeordnet ist und die ²elle 14 sicher in dem Resonator 31 lagert. Um das kurze Rohr 32 ist als Heizelement eine Spule 38 gewickelt. Der Hohlraumresonator 31 wird in dem G-eMu.se 20 durch die Ringe 39 und 41 gehaltene Der Ring 44 bildet einen Distanzierring zwischen dem Resonator 31 uad der Yakuumzelle 45 und ist zweckmäßigerweise fest eingepaßt. Die Eilige 28, · 27, 24 und 26 sind in geeigneter Weise miteinander und mit g dem Ring 44 verbunden, während die Ringe 39, 32_s und 41 in geeigneter Weise miteinander und mit dem Ring 44 verbunden sind*

Da das Heizelement 38 die Arbeltstemperatur der Absorptionszelle 14 auf einer niedrigeren Temperatur halten muß, als das Heizelement 29 die Temperatur der IiIterzeile 13 hält, ist eine evakuierte Zelle 45 an dem Ring 28 befestigt?dieselbe dient dem Zweck, zwischen den beiden öfen 18 und T9 den Tem-

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peraturunterecliied aufrecht zu erhalten. Eine Koppelschleife 46 am Ende einer Koaxialleitung 48 koppelt Hochfreq.uenzener.gie in den Hohlraumresonator 31_} zu dem Zwecke, daß derselbe eine Resonanz bei einer bestimmten Hochfrequenz zeigt.

Die äußere Ofenkammer 17 wird durch zwei elektrische Widerstandselemente in Form der Spulen 51 und 52 erwärmt, wobei die genannten Spulen um die Außenfläche des Gehäuses 20 ge-™ wickelt sind und in Nuten 53 und 54 in der Mantelfläche des Zylinders 20 gelagert sind. Ein magnetisches PeId bekannter Stärke wirkt parallel zur Achse der Lichtstrahlen und wird durch eine Magnetspule 56 erzeugt, die um einen Spulenkörper 58 gewickelt ist, der aus Kunststoff besteht und auf dem Aluminiumgehäuse 20 angeordnet ist. Um die Spule 56 herum befindet sich ein Eisenrohr 59? welches eine innere magnetische Abschirmung bildet und zur Bildung des Magnetfeldes vorgegebener Stärke beiträgt. Die äußere Ofenkammer 17» weife ehe die inneren Ofenkammern 18 und 19 enthält, ist von einer äußeren magnetischen Abschirmung 60 umgeben, welche die Absorptionszelle 14 gegenüber äußeren magnetischen Streufeldern abschirmt. Die Kammer 60, wie die meisten magnetischen Abschir ölvorrichtungen, hat drei konzentrische röhrenförmige Wandungen, nämlich eine aus Kupfer bestehende Wandung 61, die zwischen zwei aus Eisen bestehenden röhrenförmigen Wandungen 62 und 63 eingeschlossen ist; ferner sind die aus Eisen bestehenden; Deckelplatten 64, 66 an den Enden vorgesehen. Aus Kunststoff bestehende R±ngf:67 und 68 sind an jedem Ende der Ofenkammer vorgesehen und distanzieren die Kammer 18 von den'

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Wandungen der Kammer 60, so daß eine wirksame Wärmeisolation um den Ofen 18 entsteht, ohne daß die Kammer 60 oder der äußere Ofen 17 avakuiert sein müssen.

Die Heizspule 29 der Filterzeile 13 wird von einem Siromversorgungsgerät 72 mit Strom versorgt, wobei gleichzeitig eine Regelung der Temperatur der Fiiterzelle stattfindet. Das Heizelement 38 der Absorptionszelle 14 wird durch das Stromversorgungsgerät 73 mit Strom versorgt, wobei mit der Stromversorgung ebenfalls eine Regelung der Temperatur der Absorptionszelle verbunden ist. Die Temperatur des Ofens 17 wird durch ein Stromversorgungsgerät 74 geregelt, welches den Spulen 51 und 52 Heizstrom zuführt.

Ferner sind in der Figur nicht gezeigte Stromversorgungsgeräte für die Lampe 11 sowie für die Magnetspule 56 vorgesehen. Die Photozelle 16 weist eine Ausgangsleitung auf, auf der Ausgangssignale entsprechend der relativen Intensität | des von der Absorptionszelle 14 durchgelassenen Lichtes zwecks weiterer Verarbeitung entnommen werden.

Eine Änderung der Temperatur der Absorptionszelle 14 würde den Druck in derselben ändern und dadurch die hyperfeinstrukturelle Resonanzfrequenz beeinflussen. Bei der beschriebenen Anordnung kann die Temperatur der verschiedenen Baugruppen in sehr genauer Weise konstant gehalten werden.

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.Hex äußere Ofen 17 Mit die Außentemperatur der Baugruppen des Apparates ober hall) der Raumtemperatur, wodurch Abweichungen in der Raumtemperatur keinen besonderen Einfluß auf die Innentemperatur des Ofens.17 haben. Sowohl dielilterzjitfelle 13 als auch die Absorptionszelle 17 werden auf einer Temperatur gehalten, die größer als die Temperatur des Ofens '17 ist, so daß wiederum kleine Änderungen in&er Temperatur

des Ofens 17 nur einen geringen Einfluß auf die vorgenannten B)- Temperaturen haben. Da die Zellen 13 und H verschiedene Temperaturen haben müssen, wenn eine wirkungsvolle Arbeitsweise auftreten soll, haben die Heizspulen 29 und 38 getrennte Temperaturregelkreise.

Ein Temperaturregelkreis, welcher für konstante Temperaturen in der erfindungsgemäßen Anordnung sorgt, ist in !Figur 2 dargestellt. Die in Figur 2 gezeigte proportionale Temperaturregelvorrichtung umfaßt einen Thermistor 96> welcher sich in unmittelbarer Nähe des Apparateteiles befindet, dessen Temperatur geregelt werden soll, wobei zu beachten ist, daß der Widerstand eines Thermistors von der Temperatur abhängt. Der Thermistor 96 befindet sich z. B. an eins- geeigneten Stelle in der JKTähe des Körpers 32 des Hohlraumresonators 31, so daß der Thermistorwiderstand nur durch die Temperatur des Resonators 31 beeinflußt wird. Die Anordnung ist durch die punktierte Umrandung 97 dargestellt, in welcher das Heizelement 38 angeordnet ist. Der Thermistor 96 ist in Serie mit einem variablen Widerstand 98 und der Sekundärwicklung 99 eines Transformators

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geschaltet. Die Sekundärwicklung 99 i^s^ an einer Zwischenstelle geerdet, während, die Verbindungsstelle des Thermistors 96 mit dem Widerstand 98 mit einem geerdeten Verstärker 101 verbunden ist. Die Primärwicklung 102 des Transformators 100 ist an den Oszillator 103 angeschlossen. Der Oszillator 103 ist ferner an einen Phasendetektor 104 angeschlossen, mit welchem der Verstärker 101 verbunden ist. Das Heizelement 38 und seine Stromversorgung 73 sind in Serie mit der %

Emitter-Kollektor Strecke eines Transistors 105 geschaltet. Die Basiselektrode des Transistors 105 ist mit dem Phasendetektor 104 verbunden. ,

Die Wirkungsweise des Stromkreises ist wie folgt; Wenn das Heizelement 38 die Temperatur der mit 97 .bezeichneten Anordnung erwärmt, ändert sich der Widerstand des Thermistors 96 und dadurch der Strom des Verstärkers 101. Da der Thermistor · 96 ein solches Verhalten hat, daß sein Widerstand mit zunehmen- g der Temperatur abnimmt, ist die Phase des dem Verstärker 101 zugeführten Stromes abhängig durch die Windungszahl in der einen Hälfte der Sekundärwicklung 99, bis der Widerstand des Thermistors gleich dem Widerstand des Widerstandselementes 98 ist. Wenn der Widerstand des Thermistors weiter gesenkt wird, während die Temperatur des Thermistors 96 weiter ansteigt, ist der Strom, der dem Verstärker 101 zugeführt wird, bestimmt durch die andere Hälfte der Wicklung der Sekundärspule 99. Die Phase des dem Verstärker 101 zugeführten

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Stromes würde sich um 180° ändern, je nachdem welche Hälfte der Sekundärwicklung 99 die Richtung des Stromes /bestimmt. Der Phasendetektor 104 erzeugt ein Gleichstromsignal, dessen Spannung proportional der Amplitude des Stromes ist, welcher dem Verstärker 101 zugeführt wird und dessen Vorzeichen davon abhängt, ob der dem Verstärker 101 zugeführte Strom ±l Phase oder in Gegenphase zu der Oszillatorschwingung liegt. Dieses Gleichstromsignal wird der Basiselektrode des Transistors 105 zugeführt und der den Transistor durchfließende Strom ist dann proportional der Amplitude des vom Phasendetektor gelieferten Signales und proportional der Temperatur des Thermistors 96. Der Strom nimmt allmählich zu bzw. ab, je nachdem mehr Leistung oder weniger Leistung für das Heizelement benötigt wird, so da-3 eine sehr konstante Temperatur erzeugt wird.Wenn das als Temperaturfühler dienende Schaltelement die richtige Temperatur hat, so fließt duroh den Transistor 105 gerade so viel Strom, wie er zur Aufrechterhaltung der Temperatur erforderlich ist.

Die Temperatur des Sehaltelementes 97 wird durch Einstellung des Widerstandes 98 eingestellt. Es muß natürlich die Polarität des Transistors der Polarität der vom Phasendetektor gelieferten Spannung entsprechen. Wenn daher der Transistor vom P-N-P Typ ist, bewirkt eine negative Spannung an der Basiselektrode, daß der Transistor Strom führt. Eine positive Vorspannung oder die Vorspannung Null bewirkt eine Sperrung

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des Transistors. Da der Thermistor 96 in seinem Widerstand abnimmt, wenn er heißer wird, muß der in Phase liegende dem Verstärker zugeführte Strom eine negative G-leiehstromspannung im Phasendetektor bewirken. Wenn dann der Thermistor heißer wird, so nimmt die phasengleiehe Spannung in der Amplitude ab und die der Basiselektrode des Transistors zugeführte Spannung wird geringer, so daß der Strom durch den Transistor abnimmt.. Der beschriebene Stromkreis bewirkt eine proportionale Temperaturregelung und die Temperatur des Ofens 17 liegt oberhalb der Raumtemperatur; es besteht daher keine Wahrscheinlichkeit, daß die Öfen heißer werden als ihrer normalen Arbeitstemperatur entspricht und der Transistor wird stets hineichen Strom führen, so daß die. Öfen auf konstanter Temperatur gehalten werden.

Patentansprüche:

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Claims

München, den 19. September I968 Dr.H./K./HM Aktenzeichen P 14 41 148.4 Ir. A. Yarian Associates Patentansprüche

1. Temperaturstabilisierte Mikrowellenanordnung, bei der ein

Hohlraumresonator und eine Strahlungsquelle angeordnet sind, wobei der Hohlraumresonator eine gasgefüllte Absorptionszelle enthält und die Strahlungsquelle eine einen optischen Pumpprozeß in der Absorptionszelle bewirkende Strahlung aussendet und wobei eine Photozelle zur Registrierung der von der Absorptionszelle durchgelassenen Strahlung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Heizvorrichtung (18) die Strahlungsquelle (11, 13) auf einer ersten konstanten Temperatur hält, daß eine zweite Heizvorrichtung (I9) die Absorptionszelle (Η) auf einer zweiten konstanten Temperatur hält und daß eine dritte Heizvorrichtung (17) die beiden erstgenannten Heizvorrichtungen (18, 19) umgibt und die unmittelbare Umgebung der beiden erstgenannten Heizvorrichtungen (18, 19) auf einer unterhalb der beiden ersten Temperaturen liegenden Temperatur hält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i eh net, daß jede Heizvorrichtung (17; 18;I9)

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eine zylindrische Ofenkammer und eine um die.zylindrische Ofenkammer gewickelte Heizwicklung (51., .52; 29; 38) enthält und daß eine Yakuumzelle (45) zwischen der die lichtquelle (11, 13) umgebenden Ofenkammer und der die Absorptionszelle (14) umgebenden Ofenkammer vorgesehen ist. ■

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Heizvorrichtung (17; 18; 19) eine Stromversorgung (74; 72; 73) und. einen proportionalen Regelkreis (Figur 2) zur Regelung des Heizstromes enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß der proportionale Regelkreis einen Thermistor (96), der sich in der Nähe desjenigen Teiles befindet, dessen Temperatur geregelt werden soll, einen Transformator (100), dessen Sekundärwindung (99) zwischen ihren Endpunkten geerdet ist, einen an die Primärwindung des Transformators angeschlossenen Oszillator (103)» ä einen einstellbaren Widerstand (98), der zwischen den Endpunkten der Sekundärwindung des Transformatros in Serie mit dem Thermistor (96) geschaltet ist, und einen Phasendetektor (104) enthält, der die die Temperatur des Thermistors anzeigende Phase des Punktes zwischen dem Thermistor (96) und. dem einstellbaren Widerstand (98) abtastet, wobei der Ausgang des Phasendetektors die Energieversorgung für die jeweilige Heizvorrichtung steuert.

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