DE1905679A1

DE1905679A1 - Optische Resonanzzelle

Info

Publication number: DE1905679A1
Application number: DE19691905679
Authority: DE
Inventors: Henri Brun; Leon Malnar
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1968-02-05
Filing date: 1969-02-05
Publication date: 1970-01-08
Also published as: FR1567163A; GB1208714A; DE1905679B2; US3577069A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Häuser' Dipl.-Ing. Gottfried leiser

Patentanwalt·

TalcgramiMi tabyrinth MOnchtn

Telefon: S3 15 10 PottsdMcUcoatoi MOnchwi 11717·

1000 Manchen 60, Ernsbergerstra

1905679 «-» 5. Feb. 1969

unser Zeichen: C 263O

THOMSON-CSP
101, Boulevard Murat, Paris l6e/Prankreich

Optische Resonanzzelle

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von optischen Resonanzzellen, welche beispielsweise in Atomuhren oder in Magnetometern mit optischem Pumpen oder in irgendeiner anderen, die magnetische Resonanz anwendenden Vorrichtung verwendbar sind.

Bu/ku

Es

909882/1162

Es sind Zellen bekannt, welche nur bei sehr tiefen optimalen Temperaturen arbeiten können. Diese Zellen können nur bei einer optimalen Sättigungsdampfdichte arbeiten. Wenn diese Dichte in der Zelle zu gering ist, werden zu wenig Atome von der Erscheinung des optischen Pumpens und der Resonanz betroffen und das Resonanzsignal verschwindet.

Umgekehrt, wenn die Dampfdichte zu groß ist, wird das Resonanzsignal aufgrund von verschiedenen Erscheinungen zu schwach, entweder infolge einer zu starken Absorption der Pumplichtwelle, welche darauf beruht, daß die optische Absorption der Zelle oberhalb einer bestimmten Dampfdichte beträchtlich wird, oder infolge der Entstehung einer starken Entspannungswirkung, welche auf einer wesentlichen Erhöhung der Anzahl der Austauschstöße zwischen den Atomen des Dampfes beruhte

Die optimale Betriebstemperatur einer Resonanzzelle ist daher beispielsweise 35° C für den Dampf von Cäsium und Ί5⁰ C für den Dampf von Rubidium. Die Regelung der Temperatur solcher Zellen bei Umgebungstemperaturen, welche höher sein können, erfordert die Verwendung von Thermoelementen (wie den sogenannten "Frigatrons"), welche eine verhältnismäßig große Leistung verbrauchen.

Es wurde bereits eine Lösung vorgeschlagen, um die Verwendung solcher Elemente zu vermeiden. Man verwendet eine bestimmte Zusammensetzung aus Kohlenstoff und Alkalimetall, welche die Erzielung eines zweckmäßigen Alkalidampfdrucks gestattet, in^dem die Zusammensetzung auf eine Temperatur in der Größenordnung von 250° C oder mehr erhitzt wird.Aber diese Lösung hat den Nachteil, daß man einen Teil der Reso-

nanzzelle 909882/1162

nanzzelle auf 250° C erhitzen muß, was für die Stabilität der diese Zelle enthaltenden Anlage nachteilig sein kann, und zwar insbesondere im Fall von Uhren, wo dann ein Dichtegradient des Puffergases vorhanden ist, dessen Änderungen für die Prequenzstabilität der Uhr nachteilig sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der Nachteile der bisher verwendeten Zellen und die Schaffung einer Resonanzzelle, deren Temperaturregelung bei allen gewöhnlich vorkommenden Betriebsbedingungen ohne übermäßigen Leistungsverbrauch infolge einer verhältnismäßig hohen und im Zeitpunkt der Herstellung der Zelle leicht regelbaren optimalen Betriebstemperatur erleichtert ist.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine optische Resonanzzelle mit einem Gehäuse, welches den Dampf des Alkalimetalls enthält, welcher optisch gepumpt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf von einem Vorrat einer Legierung dieses Alkalimetalls mit einem anderen Metall geliefert wird.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle,

Figur 2 die Änderung der normalen Betriebstemperatur der Zelle als Funktion der verwendeten Legierung und

Figur 3 die Änderung des Resonanzsignals als Funktion der Temperatur der Zelle.

In Figur 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen

909882/1162 Zelle

Zelle dargestellt. Wie bei den bekannten Zellen weist diese einen Kolben 1 aus Glas auf, welcher den Dampf eines Alkalimetalls enthält, das dem optischen Pumpen unterworfen werden soll, wobei ein erstes Pumpröhrchen 2 und ein zweites Pumpröhrchen 3 als Vorratsbehälter dienen. Der Kolben besitzt zylindrische Form, man kann jedoch auch Kolben mit anderen Formen, beispielsweise sphärische Kolben, verwenden. Die Innenwand des Kolbens ist mit einer dünnen Schicht 5 aus Paraffin tiberzogen, welche in bekannter Weise die Vermeidung der Entorientierung der Dampfatome durch direktes Aufprallen auf das Glas der Wand ermöglicht.

Erfindungsgemäß enthält der Vorratsbehälter 3 einen Vorrat 4 einer Legierung des Alkalimetalls mit einem anderen Metall. Dies ermöglicht bei einer gegebenen Temperatur, daß man im Kolben 1 einen verminderten Dampfdruck des Alkalimetalls bezüglich des Dampfdrucks erzielt, welchen man erhalten würde, wenn der Vorrat 4 durch das reine Alkalimetall gebildet würde.

In Gegenwart der Legierung wird der für den Betrieb der Zelle geeignete Dampfdruck bei einer höheren Temperatur erreicht, als bei Verwendung des Alkalielements allein.

Bei Atomuhren ist das optische Pumpen des in der Resonanzzelle enthaltenen Alkalidampfes ein ftyperfeinpumpen. Daraus folgt, daß der Dampfdruck des mit dem Alkalimetall legierten Metalls, wenn er zu hoch ist, unter Umständen einen geringen Wirkungsgrad des optischen Pumpens hervorruft. Um eine Störung der gegenseitigen Ausrichtung der Elektronen- und Kernspins der Alkaliatome durch Austauschstöße mit den Atomen des legierten Metalls zu vermeiden, wird erfindungsgemäß als legiertes Metall ein Element verwendet, welches nicht durch Spinaustausch

stöße 909882/11*2

stoße das Alkaliatom stören kann, dessen Resonanzlinie festgestellt wird.

Beispielsweise kann man eine Legierung eines Alkalimetalls, wie des Rubidiums, mit einem Element verwenden, dessen Atom keinen Gesamtelektronenspin aufweist, wie beispielsweise das Quecksilber.

Falls das legierte Metall nicht die oben erwähnte Bedingung erfüllt, wird erfindungsgemäß die Verwendung eines legierten Metalls vorgesehen, dessen Dampfdruck und dessen Wirkungsquerschnitt für Austauschstöße mit den Alkaliatomen so gewählt sind, daß ihr Produkt kleiner ist als das Produkt des Wirkunpjsquerschnitts für Austauschstöße der Alkaliatome untereinander mit dem Dampfdruck des Alkalimetalls. Dadurch wird eine Verminderung des Einflusses von Spinaustauschstössen ermöglicht.

Ein I-ietall wie das Gold erfüllt diese Bedingungen. Jedoch kann eine beispielsweise eine Legierung aus Gold oder Rubidium enthaltende Zelle nicht unterhalb einer Temperatur von 150° C arbeiten, wobei diese Temperatur für die üblichen Anwendungen der Zellen als ziemlich hoch angesehen wird. Dies beruht auf der Tatsache, daß das Gold und das Rubidium nicht in jedem Verhältnis mischbar sind und daß man nicht die Legierung erzielen kann, welche das erforderliche Verhältnis für einen Betrieb bei der gewünschten Temperatur in einer Größenordnung von 70° C aufweist.

Zur einfachen Regelung des Legierungsverhältnisses wird erfindungsgemäß außerdem die Verwendung eines Metalls als legiertes Metall vorgesehen, welches einen Atomradius r_M be-

909882/11&2

sitzt, der an den Atomradius r. des verwendeten Alkali metalls durch die folgende Beziehung gebunden ist:

Dies ist die Bedingung für die vollständige Mischbarkeit der beiden Metalle. Insbesondere die Alkalimetalle, wie das Cäsium, das Rubidium und das Kalium erfüllen diese Bedingung gut.

Für eine Atomuhr mit Rubidiumdampf ist in Figur 2 die Veränderung der optimalen Betriebstemperatur der Zelle (mit paraffinverkleideter Wand) als Funktion des Legierungsverhältnisses der verwendeten Legierung von Rubidium und Kalium dargestellt, wobei dieses letztere Metall gegenüber Rubidium die erforderlichen Bedingungen gut erfüllt, d. i. geringer Dampfdruck und Mischbarkeit in allen Verhältnissen. Es wurde eine Betriebstemperatur von 68° C für eine Legierung erzielt, welche 2 mg Rubidium und 40 mg Kalium, d.i. 95,2 % Kalium, enthielt.

Wenn man darüber hinaus diese Zelle mit einem Puffergas (unter einem Druck von ungefähr 1 cm Hg), beispielsweise Argon, Neon oder Helium, füllt, so stellt man eine leichte Verschiebung der optimalen Betriebstemperatur zu einem höheren Wert fest. So erhält man mit einer Legierung von 2 mg Rubidium und 25 mg Kalium, d.i. 92,6 % Kalium, als Betriebstemperatur 70° C statt 63° C für den Fall, daß die Zelle kein Fremdgas enthält.

In dem Fall, daß die Zelle ein Fremdgas enthält, jedoch ihre

909882/1182

Wände nicht mit Paraffin überzogen sind, tritt eine neue Erscheinung auf.

Das Glas der Zellenwände reagiert stark mit dem Rubidium und absorbiert dauernd eine bestimmte Menge von Atomen. Andererseits verzögert die Anwesenheit des Fremdgases die Bewegung der Atome vom Vorratsbehälter bis zu den Wänden.

Es stellt sich daher ein dynamisches Druckgleichgewicht ein und zur Erzielung eines zweckmäßigen Alkalidampfdrucks in der Zelle muß man die Temperatur derselben erhöhen oder auch zum Betrieb bei einer Temperatur bei 70° C den Anteil des Kaliums in der Legierung vermindern. Um außerdem den Austausch zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase zu erleichtern,wird bevorzugt, die Legierung nicht mehr in dem Pumpröhrchen 3 sondern direkt im Kolben 1 anzuordnen. Man erhält so eine optimale Betriebstemperatur von 70° C mit einer Legierung von 2 mg Rubidium und 16 mg Kalium, d.i. 88,9 % Kalium.

In Figur 3 ist die Änderung des Resonanzsignals als Funktion der Temperatur zuerst für eine bekannte Zelle dargestellt, bei welcher reines Rubidium und eine Mischung von Argon und Neon bei einem Druck von 1 cm Hg verwendet wird ( gestrichelte Kurve), und sodann is-t diese Änderung für eine erfindungsgemäße Zelle dargestellt, wobei Rubidium als Resonanzelement und Kalium als legiertes Metall verwendet ist und welche ausserdem eine Mischung von Argon und Neon bei einem Druck von 1 cm Hg enthält (ausgezogene Kurve).

Alle oben beschriebenen Merkmale, welche eine in einer Atomuhr verwendete Rubidiumdampfzelle betreffen, sind natürlich auch auf eine in einem Magnetometer verwendete Zelle anwendbar. '

In 909882/1162

In einer solchen Zelle beeinflussen jedoch die Austauschstöße weniger die Entspannung und es ist klar, daß die für die Legierung des gewählten Metalls mit dem Alkalimetall angegebenen Bedingungen weniger entscheidend sind, mit Ausnahme der die vollständige Mischbarkeit betreffenden Bedingung, wenn man eine leicht regelbare Temperatur wünscht.

Patentansprüche 909882/1 162

Claims

Patentansprüche

1.) Optische Resonanzzelle mit einem durchsichtigen Gehäuse, in dessen Innerem der Alkalidampf eingeschlossen ist, welcher optisch gepumpt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle einen Vorrat einer Legierung dieses Alkalimetalls mit einem anderen Metall enthält.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrat in einem mit dem Gehäuse in Verbindung stehenden Pumpröhrchen angeordnet ist.

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Metall ein Metall ist, dessen Gesamtelektronenspin gleich Null ist.

k. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Metall Quecksilber ist.

5. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem anderen Metall das Produkt seines Dampfdrucks mit dem Wirkungsquerschnitt für Spinaustauschstöße mit Atomen des Alkalimetalls kleiner ist als das Produkt des Dampfdruck» des Alkalimetalls mit dem Wirkungsquerschnitt für Spinaustauschstoße der Atome des Alkalimetalls untereinander.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ande re Metall Gold ist.

909882/1111

7. Zelle nach Anspruch 2 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß das andere Metall einen Atomradius r_w hat, so daß gilt:

0,93 ^ -—-

wobei r. der Ätomradiu3 der Alkaiiatome Ist. · ·

8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet^ daß^;das andere Metall ein zweites Alkalimetall ist. f/'"'-A*-· *

9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Alkallmetall Rubidium und das zweite Alkalimetall Kalium ist.

10, Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse außerdem ein Puffergas enthält und daß der Vorrat direkt in dem Gehäuse angeordnet ist.

9QS882/1183

ORIGINAL INSPSCTED