DE1905679B2 - Optische Resonanzzelle - Google Patents

Description

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.

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 Atomt von der Erscheinung des optischen Pumpens und der Resonanz betroffen, und das Resonanzsignal verschwindet.

Umgekehrt, wenn die Dampfdichte zu groß ist, wird das Resonanzsignal auf Grund 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 beruht

Die optimale Betriebstemperatur einer Resonanzzelle ist daher beispielsweise 35° C für den Dampf von Cäsium und 45°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, indem die Zusammensetzung auf eine Temperatur in der Größenordnung von 250⁰C oder mehr erhitzt wird. Aber diese Lösung hat den Nachteil, daß man einen Teil der Resonanzzellc auf 250⁰C 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 Frequenzstabilität 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.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle,

F i g. 2 die Änderung der normalen Betriebstemperatur der Zelle als Funktion der verwendeten Legierung und

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

In F i g. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen 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 überzogen, 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 Alkaiielements allein.

Bei Atomuhren ist das optische Pumpen des in der Resonanzzelle enthaltenen Alkalidampfes ein Hyperfeinpumpen. Daraus folgt, daß d ;r Dampfdruck des mit dem Alkalimetall legierten Metalls, wenn er zu hoch ist, unter Umständen einen geringen Wirkungsgrad des optischen Pumpens hervorruft Um eine SCrung 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 Spinaustauschstöße das Alkaliatom stören kann, dessen Resonanzlinie festgestellt wird.

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

Fails das legierte Metall nicht die obenerwähnte 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 Wirkungsquerschnitts für Austauschstöße der Alkaliatome untereinander mit dem Dampfdruck des Alkalimetalls. Dadurch wird eine Verminderung des Einflusses von Spinaustauschstößen ermöglicht.

Ein Metall wie das Gold erfüllt diese Bedingungen. Jedoch kann eine beispielsweise eine Legierung aus Gold oder Rubidium enthaltende Zelle nicht unterhalb einer Temperatur von 150⁰C 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 γμ besitzt, der an den" Atomradius γα des verwendeten Alkalimetalls durch die folgende Beziehung gebunden ist:

0,93 <

■^A < 1.07.

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 F i g. 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 68⁰C für eine Legierung erzielt, welche 2 mg Rubidium und 40 mg Kalium, d. i. 95,2% Kalium, enthielt

Wenn man darüber hinaus Ciese Zelle mit einem ίο 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 ι j Kalium, d. i. 92,6% Kalium, als Betriebstemperatur 70⁰C statt 63° C für den Fall, daß die Zelle kein Fremdgas enthält

In dem Fall, daß die Zelle ein Fremdgas enthält, jedoch ihre 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 Anwensenheit 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 7O⁰C 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 Fig. 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 ist 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 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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, ι ο 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 NuU ist

4. 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 Dampfdrucks des Alkalimetalls mit dem Wirkungsquerschnitt für Spinaustauschstöße der Atome des Alkalimetalls untereinander.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das andere Metall Gold ist.

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

0,93 < —^A- < 1,07

wobei γα der Atomradius der Alkaliatome ist

8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Metall ein zweites Alkalimetall ist.

9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Alkalimetall 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.

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