DE1933652A1 - Mit einem Strahl von Atomen,insbesondere Alkaliatomen,arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal - Google Patents

Description

Patentanwälte 1 O A Π C Dipl. Ing. C.Wallach 1 £ U 9 6 Dipl. Ing. G. Koch Dr. T Haibach 1 Q1 ^ fi ς ? 2, Juli 1969

β München 2 I a O J D O ^

Kaufingerstf. 8, Tel. 24027S

3243-69

AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (ANVAR),
5, rue Bellini (92 Futeaux, Prankreich)

Mit einem Strahl von Atomen, inabesondere Alkaliatomen,
arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal.

Die Erfindung betrifft die mit Atomstrahlen arbeitenden Atomuhren oder -frequenznormale, insbesondere die mit einem Strahl von alkalischen Atomen, im besonderen
Rubidiumatomen, arbeitenden.

Sie bezweckt insbesondere die Herstellung

eines lormals oder einer Uhr mit einer sehr grossen Prequenzstabilität, insbesondere auf lange Sicht, welche ein primäres oder absolutes Frequenznormal bildet, dessen Resonanzfrequenz in grosses» Nähe de? Bohrschen Frequenz des freien Atoms liegt.

Gegenstand der Erfindung ist eine einen Strahl von Atomen, insbesondere alkalischen Atomen, im beson&e-

90988A/U93

BAD ORIGINAL

- 2 ~ 3243-69

ren Rubidiumatomen, verwendende Uhr oder Frequenznormal mit wenigstens drei stetig zunehmenden Energiepegeln, nämlich awei Pegeln E^ und E« in dem Grundzustand und einem Pegel E, in dem angeregten Zustand, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Atomstrahl nacheinander im Vakuum durch eine optische Zone, in v/elcher er von einer Quelle von nicht polarisierten Strahlungen mit einer dem Pegelunterschied zwischen einem der Grundpegel E^ oder E„ und dem angeregten Zustand E, entsprechenden Frequenz bestrahlt wird, einen Radiofrequenzhohlraum, in welchem er einem Magnetfeld ausgesetzt wird, dessen Frequenz dem Energieunterschied zwischen den Pegeln E.. und E« des Grundzustands entspricht, und eine Zone zur optischen Detektion, in welcher er durch eine Quelle von nicht polarisierten Strahlen mit einer dem Energieunterschied zwischen dem anderen der Pegel des Grundzustands E- oder E« und dem angeregten Pegel E, entsprechendenFrequenz bestrahlt wird, tritt.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungs-

gemässes mit einem Rubidiumstrahl arbeitendes Frequenznormal oder Atomuhr.

Fig. 2 ist ein axialer Längsschnitt des Rubidiumofens der Uhr der Fig. 1.

Fig. 3 und 4 sind Schnitte längs der Linien III-III bzw. IV-IV der Fig. 2.

Fig. 5 stellt die Energiepegel des Atoms von Rubidium 87 dar.

Fig. 6 zeigt die Linien (oder Übergänge)

der Atome von Rubidium 85 und Rubidium 87 zwischen den beiden Pegeln des Grundzustands und einem Pegel des angeregten Zustands.

Fig. 7 zeigt die in den Rubidiumuhren der früheren Technik benutzten Linien (oder übergänge).

Fig. 8 zeigt die in der Rubidiumuhr der Fig. 1 ausgenutzten Linien (oder übergänge).

Fig. 9 bis 11 zeigen die Linien (oder

Übergänge), welche in drei erfindungsgemasaen Ausfiihrungsabwandlungen der Uhr der Fig. 1 benutzt werden können.

Fig. 12 zeigt das abgeleitete Signal, welches bei Versuchen in der Uhr gemäss Fig. 1 mit zwei getrennten

909SS4/U93

- 3 - . 3243-69

Radiofrequenzhohlräumen oder einem einzigen Radiofrequenzhohl·? raum erhalten wurde.

Vor einem Eingehen auf eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Atomuhr sei an zwei bekannte Typen von alkalische Atome benutzenden Atomuhren, nämlich die mit einem Zäsiumstrahl arbeitende Atomuhr von Rabi und die mit Dampf von Rubidium 87 arbeitende Uhr sowie an die physikalischen Grundsätze, auf welchen diese bekannten Atomuhren sowie die erfindungsgemässen Atomuhren beruhen, erinnert.

Bekanntlich besitzt ein Atom, insbesondere

ein alkalisches Atom, einen Grundzustand S und angeregte Zustände P, D ... zunehmender Energie. Für die alkalischen Atome wird der Pegel des Grundzustands von den Fachleuten Pegel Sw« genannt, und _sder erste angeregte Zustand umfasst zwei Pegel Pw₂ und P,/₂ infolge der Feinstruktur, welche die Doppellinien der alkalischen Atome erklärt (z.B. die Doppellinie des Natriums, welche den Übergängen zwischen den Pegeln Pw2 ^Ufld -^3/2 einerseits und dem Pegel Sw« andererseits entspricht). Ausserdem teilen sich infolge des Kernmoments I der Atome der Pegel Sw* des Grundzustands und der Pegel P₁/« je in zwei Hyperfeinstrukturpegel F=I--^ und F = I + g-, während sich der Pegel P3/2

Ί I - i, I- i, I * i, I +· \ unterin vier Hyperfeinstrukturpegel I - ■£, I - ·* teilt. Schliesslich unterteilen sich in einem magnetischen Gleichfeld If mit konstanter Stärke H_Q die verschiedenen Energiepegel in Zeeman-Unterpegel, deren Abstand in einem schwachen Feld zu H proportional ist.

In Fig. 5 sind die Energiepegel des Rubi-

R7

dium 87(Rb ') dargestellt· Diese umfassen«

- den Grundzustand Sw₂, welcher in diesem

Fall ein Zustand 5 S₁/« mit seinen beiden Pegeln F=I und F -

' 87 3 2 ist, da das Kernmoment I von Rb gleich * ist;

- die beiden ersten angeregten Pegel 2 2

5 Pf/2 ^xai^ 5 ^3/2» ^welcne sich in zwei Pegel F = 2 bzw. F = 1 und in vier Pegel F « 0, F = 1, F =2, F= 3 unterteilen!

- die Doppellinie 7800 Ä, 7947,6 Ä ZWi-

2 2

sehen den Pegeln 5 P3/2 ¹^ 5 Sw« einerseits und zwischen

den Pegeln 5 ^1/2 ¹^ 5 Sw₂ andererseits;

- den der Frequenz von 6834,6 MEz entspre*

909884/1493

______„____ __ -4- 3243-69

chenden Hyperfeinabstand zwischen den kegeln F = 2 und F = 1 des Grundzustands;

- und schliesslich rechts von den lotrechten unterbrochenen Strichen die Trennung in Zeeman-Unterpegel m-r, bei Anlegung eines Magnetfeldes ff. mit einer von null verschiedenen Stärke H_Q zur Aufhebung der Degenerierung.

Bekanntlich sind im Gleichgewichtszustand

die verschiedenen Energiepegel gemäss einer Boltzman-Verteilung besetzt, wobei die Besetzung der verschiedenen Pegel stetig nach Maßgabe der Zunahme ihrer Energie abnimmt. Bei den gewöhnlichen Temperaturen nimmt jedoch die Besetzung von einem Pegel zu dem nächst höheren Pegel nur sehr langsam ab.

Ferner ist bekanntlich ein System von

Atomen fähig, Energie mit einer Frequenz f = (E₈ - E^)/h zu absorbieren oder auszusenden, wobei E_a und E. ein höherer bzw. ein niedrigerer Pegel sind, zwischen welchen ein übergang erlaubt ist (bei einem erlaubten übergang ändern sich die azimutale Quantenzahl und die magnetische Quantenzahl um eine Einheit, während die Hauptquantenzahlen und der Spin unverändert bleiben)/, während h die Plancksche Konstante ist. Im Gleichgewichtszustand ist nur die Absorption möglich, welche mehr Atome aus dem Zustand E₄ in den Zustand E_a als Atome aus dem Zustand E_e in den Zustand E. bringt. Einstein hat nachgewiesen, dass die Energieabsorption durch zwei Emissionstypen auegeglichen wird, nämlich die spontane Emission, bei welcher eine unzusammenhängende Strahlung durch Zurückfallen von Atomen nach einer kennzeichnenden Verweildauer in dem oberen angeregten Zustand ausgesandt wird, und die stimulierte Emission, bei welcher eine zusammenhängende Strahlung durch Zurückfallen von Atomen unter der Wirkung einer Bestrahlung mit Energie von der Frequenz f ausgesandt wird, und auf dieser stimulierten Emission beruht das Arbeiten der Maser und Laser. .

Bei den mit einem Alkalimetall arbeitenden

Atomuhren der früheren Technik und der Erfindung wird zur Herstellung eines Frequenznormals der magnetische übergang zwischen den beiden Pegeln F = S- und F = 1 des Srundzustands für mp = 0 ausgenutzt, da dieser übergang fur die Wirkungen des Hagnetfeldes sehr wenig empfindlich ist*

909884/1493

So wir^d bei den^mif^ubTdlLumdampf arbeitenden bekannten Uhren, an deren Prinzip nachstehend erinnert wird, als Frequenznormal die Frequenz des magnetischen Übergangs zwischen den beiden nachstehenden Pegeln des Rubidiums benutzt:

5 ²S_1/2, F =2, m_p = 0

5 S₁ /p, F = 1 , m-n = 0

dessen Frequenz f = f_Q + 573 H (in Hz) ist, worin f_Q (Frequenz im Magnetfeld null) gleich 6.834.682.614 Hz und H der Mittelwert des Magnetfeldes in Gauss ist.

Ebenso wird in den bekannten mit einem

Zäsiumstrahl arbeitenden Uhren der magnetische übergang zwischen den Energiepegeln F = 4, m-n = 0 und F= 3, m-r, = 0 des Grundzu-

J. J? η

Stands benutzt, dessen Frequenz F durch F = F_Q + 427 H (in Hz) mit F₀ = 9.192.631»770 Hz gegeben ist.

Nachstehend sind für ein Alkaliatom genannt:

- E₁ der untere Pegel des Grundzustands sowie die Energie desselben,

- Ep der obere Pegel des Grundzustands sowie die Energie desselben (Eg > E₁),

- E, ein angeregter Pegel sowie die Energie desselben, wobei der Pegel E, praktisch durch die Gesamtheit der Pegel P*/_o» 3?i/o gebildet wird.

Bei Rubidium 87 betragt E_g - E₁ = 6834,6

MHz,und E, - Ep oder E, - E₁^ E₂ - E₁ betragt grössenordnungsmässig 7800 - 7950 Ä.

Nach einem Einsteinschen Gesetz ist die

Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Atom von einem höheren Bnergiepegel, z.B. Ep, auf einen tieferen Energiepegel, ZoB. E₁, übergeht, gleich der Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Atom aus dem Niveau E₁ auf das Niveau Ep übergeht. Um eine merkliche Eaergieabsorption oder -emission zwischen zwei Pegeln E₁ und Ig herstellen zu können, muss daher eine Ungleichheit der Besetzung arischen diesen beiden Pegeln hergestellt v/erden, welche grosser als die statistische Boltzmansche Ungleichheit bei Raumtemperatur 1.8t. Der untere Pegel muss daher gegenüber dem oberen Begei stärker besetzt werden, oder es muss eine

900384/1493

BAD ORIGINAL

_ - 6 - 3243-69

wirkliche Umkehrung der Besetzung erzeugt werden,, indem, der obere Pegel gegenüber dem unteren Pegel überbesetzt wird. Es werden daher verschiedene Kunstgriffe benutzt, um diesen merklichen Unterschied der Besetzung zwischen den Energiepegeln E₁ und E₂ zu erzeugen.

Bei einer-Atomuhr der bekannten Bauart von

Rabi mit einem Strahl von Zäsium 133 (und auch bei einer jüngeren Bauart mit Thalliumstrahl) wird z.B. ein erster Magnet (von Stern-Gerlach) benutzt, um die Atome des Pegels F = 4 und des Pegels F = 3 (deren magnetische Momenta entgegengesetzte Zeichen haben) von einem aus einem Ofen kommenden Atomstrahl von Zäsium 133 zu trennen. Die Atome des Pegels P = 3 werden abgelenkt, während sich die Atome des Pegels F ■ 4 der Achse nähern und durch einen Hohlraum oder vielmehr ein Paar von Hohlräumen treten, in welchen sie einen HyperfeinÜbergang zwischen den Pegeln F^ und P, erfahren, wobei eine gewisse Zahl von Atomen auf den Pegel P, zurückfällt.Nach diesem Hyperfeinübergang werden die Atome in den beiden Zuständen F=3 und P=4 dem Einfluss eines zweiten Magneten ausgesetzt,welcher die Teilchen in einem der Zustände auf einen mit Oberflächenionisierung arbeitenden Detektor fokussiert,welcher durch einen auf 1000° K erhitzten Wolframdraht gebildet wird,wobei der Ausgangsstrom dieses Detektors eine Punktion der Erregungsfrequenz des Hohlraums mit einem Extremwert bei der Hyperfeinresonanz des Zäsiums ist.

Bei einer Uhr mit Rubidiumdampf wird in

einer Zelle Rubidium 8? untergebracht, und diese Zelle ist in einem Hyperfrequenzhohlraum angeordnet. Es werden drei Pegel benutzt, wie in Pig. 7 dargestellt, nämlich ein Pegel-E-,welcher der Pegel P ^ 1 des Grundzustands der Pig. 5 ist, ein Pegel Eg,welcher der Pegel P = 2 des Grundzustands der Pig.5 ist, und schliesslich ein dritter Pegel E^, welcher die Gesamtheit des angeregten Zustande Pw₂ ^und ^?3/2 ^{der 5}^S* 5 darstellt»

Zur Herstellung einer genügend verschiedenen Besetzung zwischen den Pegeln Eg und E^ wird die Methode des optischen Pumpens einer der Erfinder, nämlich von Alfred KASTIiER, zwischen den Pegeln E- und E, benutzt. Es muss daher der Dampf von Rubidium 87 der Zelle mit einer Strahlung mit der Frequenz f-., = (E, - E-)/h bestrahlt werden. Nun liegt ,aber die

909684/1*63-

- 7 - ____1_---^'"⁵²*^⁹ Frequenz f-, der Frequenz f«^ = (E, - Eg)/h sehr nahe· Es ist daher schwierig, wenn nicht überhaupt unmöglich, die Linie f₁₅ und f₂« mittels gewöhnlicher Interferenzfilter zu trennen. Es ist daher vorgeschlagen worden, die natürliche Koinzidenz zwischen den optischen Linien f«·* der beiden Isotope Rubidium 85 und Rubidium 87 auszunutzen (während die Linien f^, dieser beiden Isotope verschieden sind). Hierfür wird das Rubidium 87

87
der Zelle mittels einer Rb '-Resonanzlichtquelle durch ein Filter belichtet, welches durcli ein Rb⁰-* enthaltendes Gefäss gebildet wird, welches nur die Frequenz f.., hindurchlässt. Der Pegel E^ wird also unter Anreicherung des Pegels E, gemäss dem Pfeil f-j, der Fig. 7 verarmt. Durch spontane Emission fallen Atome von dem Pegel E, auf die Pegel E„ und E-. zurück (Pfeile f,^ und Ϊ30)· Dies hat eine Anreicherung des Pegels Eg gegenüber dem Pegel E- zur Folge, d.h. des oberen Energiepegels F = 2 auf Kosten der Atombesetzung des unteren Pegels F = 1 * Wenn die Frequenz des Oszillators, welcher den Hohlraum erregt, in welchem sich die Zelle mit Rb ' befindet, der Hyperfeinfre-R7

quenz des Rb ' (6834,6 MHz) entspricht, hat die Hyperfrequenzbestrahlung die Herstellung der Gleichheit der Besetzungen der Pegil E-j und E^ (Pfeil f^ ) zur Folge, was sich in einer Absorption des durch die Zelle tretenden Lichts und einer Verringerung des austretenden Lichts, welches von einem photoelektrischen Detektor zur Anzeige der Resonanz empfangen wird, äussert.

Obwohl diese bekannten Ohren in zahlreichen

Exemplaren hergestellt wurden und unter verhältnismassig befriedigenden Bedingungen arbeiten, wobei die Uhr mit Zasiumstrahl sogar als primäres Frequenznormal zur Definition des "Zeit TAt" genannten Atomzeitmaßstabs gedient hat, weisen diese immerhin eine gewisse Zahl von Nachteilen auf.

Insbesondere müssen in einer Uhr mit Za-

siumstrahl Dauermagnete mit einem verhältnismassig kleinen Luftspalt benutzt werden, um genügend starke Magnetfelder (von 4000 bis 8000 Gauss) zur Ablenkung der Atome zu erzeugen* Hierdurch wird der wirksame Querschnitt der benutzbaren Atomstrahlen verringert, wodurch das Verhältnis Signal/Gerauseh bei der Detektion herabgesetzt wird, was eine weniger genaue Einstellung auf die Resonanzfrequenz zur Folge hat (da die

9 0 9 8 8 U U 9 3

- 8 - 3243-69

Schärfe der Spitze einer Resonanzlinie zu dem Verhältnis Signal/Geräusch proportional ist, mit welchem die Linie beobachtet wird).. '■

Ferner muss in der Zone der Hyperfrequenz-

wechselwirkung ein gleichförmiges magnetisches Gleichfeld von z.B. grössenordnungsmassig 50 MilligauBS hergestellt werden, um die Degenerierung aufzuheben, was eine sehr wirksame Abschirmung der Magnete zur Verhinderung zu grosser Streufelder erfordert. Diese Abschirmungen und die sich hieraus ergebenden Störmagnetisierungen sind nun eine Fehlerquelle bei der Bestimmung der absoluten Frequenz des Zäsiumatoms.

Ein anderer zu der Genauigkeit des Apparats beitragender Faktor ist an die Breite der Resonanzlinie gebunden. In dem oben beschriebenen Apparat wird die Methode der getrennten Felder von Ramsey benutzt (man sieht nicht einen einzigen Hohlraum sondern zwei Hohlräume vor, welche durch einen gewissen Abstand getrennt sind und in Phase gespeist werden). Die Breite der Rcsonahzlinie ist dann angenähert durch v/L gegeben, worin ν die mittlere Geschwindigkeit der Atome in dem Strahl und L der Abstand zwischen den Hyperfrequenzhahlräumen ist.

In einem Atomstrahl ist ν durch eine

Maxwellsche Verteilung bedingt. Damit nicht zu groese Längen L genommen werden müssen, müssen Atome mit langsamen Geschwindigkeiten gewählt werden. Diese Geschwindigkeitswahl erfolgt durch Verschiebung der Strahlenquelle und des Detektors gegenüber der Achse der Uhr. Leider wird hierdurch der Raumwinkel der in die Magnete eintretenden Atome verringert, wodurch das Verhältnis Signal/Geräusch bei der Detektion herabgesetzt wird. Es muss daher ein Kompromiss bei der Wahl von ν und L angenommen werden, wodurch die Leistungen des Apparate herabgesetzt werden«

Bei einer eine Rubidiumdampfzelle benutzenden Uhr verringert man die Breite der Resonanzlinie und erhöht die Wirksamkeit des optischen Pumpene, indem man in die Zelle ausser dem Rubidium 87 ein Edelgas einfuhrt, wie Heliua, Stickstoff, Neon oder Argon. Die ZusammenstosBe der Atone/von Rb * mit den Molekülen des Puffergaeee erzeugen jedoch eine erheb-

909804/1493

liehe Prequenzverachiebung, welche von der Art und dem Druck des Puffergases sowie von der Temperatur und auch der Stärke des Lichts abhangt. Dies hat zur Folge, dass die Resonanzfrequenz der Zelle durch eine Eichung bestimmt werden muss. Der Apparat kann also nur als sekundäres Frequenznormal dienen.

Nach diesen Ausführungen über die Atomuhren mit Alkalimetallen der früheren Technik sollen jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4· die Ausbildung und auf Fig. 5, 8 und 12 die Arbeitsweise einer bevorzugten Ausfuhrungsform einer Atomuhr mit Rubidiumstrahl beschrieben werden.

Die Uhr enthält im wesentlichen (Fig.1):

- eine längliche Vakuumkammer 1 }

- einen weiter unten unter Bezugnahme auf

Fig. 2 bis 4 näher beschriebenen Ofen 2, welcher in dem unteren Teil dieser Kammer angeordnet ist und naturliches Rubidium (mit 75$ Atomen von Rb⁸^ und 25$ Atomen von Eb⁸') enthält, wobei dieser Ofen einen Atomstrahl 3 Mit einem Anteil von 75$ Rb ·* und 25% Rb ' erzeugt. An dem Ausgang des Ofens besteht für die Atome des Rb etwa eine gleiche Besetzung in den beiden Pegeln Ps 1 und F = 2 des Grundzustands, d.h· eine Gleichheit der Energiepegel B₁ und E_g (in Wirklichkeit sind in dem unteren Pegel F = 1 eine ganz geringe Menge Atome mehr als in dem oberen Pegel F » 2 vorhanden )§

- Mittel zum optischen Pumpen, welche durch eine ringförmige oder zwei Rb -Resonanzlampe!! 4 und linsen 5 gebildet werden, wobei disa® weiter unten genauer erläuterte Pumpen die Wirkung hat, den Energiepegel S^ ( F = 1) gegenüber

dem Energiepegel S₀ (P « 2) anzureichern, insbesondere für die

87
Atome von Rb mit den langsamsten Geschwindigkeiten, da die Wirksamkeit des optischen Pumpens für die langsamen Atome grosser ist, welche langer in der von der Lampe 4 belichteten Zone verbleiben, als für die schnellen Atome $

- eine Zone 6, in welcher die Atome des

Rubidiumstrahls nach dem optischen Pumpen einer dem Hyperfeinunterschied zwischen den Energiepegeln E^ und E₂, nämlioh 6834,6 MHz, entsprechenden Radio- oder Hyperfre^uenzbestrahlung mittels eines U-förmigen Hohlraums 7 tinterwo-rilen werden, durch dessen beide ' Schenkel 7a und 7b der Qtrahl 3 tritt. Diese

909884/1403

- 10 - 3243-69

Zone ist einem magnetischen Gleichfeld ft geringer konstanter Stärke H (von einigen 50 Milligauss) ausgesetzt, welches die Degenerierung der Pegel F = 1 und F = 2 aufhebt. Eine magnetische Abschirmung 8 isoliert diese Zone 6 von den äusseren Magnetfeldern. Dieses Gleichfeld U₀ ist zu der Richtung des magnetischen Hyperfrequenzfeldes parallel und zu der Richtung des Atomstrahls senkrecht, um eine Verbreiterung der Resonanzlinien infolge des Dopplereffekts zu vermeiden· Das Feld H wird durch vier von einem Gleichstrom konstanter Stärke durchflossene Längsdrahten 34 erzeugt;

87

- Detektormittel mit einer Rb -Resonanz-

lampe (oder des natürlichen Rubidiums) 9» einem Rb und ein Edelgas unter Druck ( z.B. Neon unter 50 Torr) enthaltenden Gefäss 10, welches die Frequenzkomponente f_ox zurückhalten aber die Frequenz f-, des Rb durchlassen soll (wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf Pig· 6 genauer erläutert ist), einer Kollimatorlinse 11, einer Sammellinse \2 für das nicht von dem Atomstrahl absorbierte Eicht und einem Detektor13t welcher zweokmassig durch einen Shotovervielfacher gebildet wird, auf welchen das durch den Strahl getretene licht durch die Linse 12 konzentriert wirdj

- eine der eigentlichen Atomuhr zugeordnete elektronische Anordnung 14 mit einem mit der Uhr gekoppelten Quarzoszillator. Diese Anordnung ist weiter unten genauer beschrieben.

Der Aufbau und die Arbeitsweise der verschiedenen Teile der eigentlichen uhr und der elektronischen Anordnung sollen jetzt genauer beschrieben werden.

Der Ofen 2 (Fig. 2, 3_f 4) besitzt einen

durch eine isolierende Steatitscheibe gebildeten Sockel 15» einen Korper 16 mit einem an der Scheibe befestigten Puss 17, einen von dem Hals 19 des Korpers 16 getragenen Ejektor 18 und eine auf den Hals 19 aufgeschraubte Muffe 20. Der Korper 16 enthält eine axiale Blindbohrung 21 für das Rubidium und Umfangskanäle 22, in welchen nicht dargestellte Heizwiderstäii- ^: de untergebracht sind. Der Ejektor 18 enthält eine Reihe von Längskanälen, welche durch Niekelrohre 23 mit einem Querschnitt von grössenordnungsmässig einem Quadratmillimeter

909884/1493

- 11 - 3243-69

gebildet werden. In die mittlere Bohrung 21 wird natürliches Rubidium eingefüllt und mit Oktan überdeckt. Wenn die Widerstände in den Kanälen 22 von Strom durchflossen werden, verdampft das Oktan und hierauf das Rubidium, wobei die Temperatur grössenordnungsmässig 180 C betragt« Die Atome vou Rb und

Rb ' strömen durch die Bohre 23 des jüjektors 18 und bilden daher am Ausgang derselben einen richtigen Strahl 3.

In diesem Strahl findet man, wie oben ange-

8*5 R7

geben, 75$ Atome von Bb und 25$ Atome von Rb . Nachstehend

sind nur noch die Atome von Eb in dem Strahl der bevorzugten Ausführungsform betrachtet, welcher die längliche Kammer

R7

von unten nach oben durchströmt. Ton diesen Atomen von Rb des aus dem Ofen austretenden Strahls 3 befindet sich, wie oben ausgeführt, praktisch die gleiche Atomsahl in dem Zustand E^ (5 ²S₁ /£, Ϊ« 1, ipsQ) wie in dem Zustand'Eg (5 ²Sw₂, F = 2, )

m^ = O), welche in Pig- 5 und 8 dargestellt sind.

Die Vornahme des optischen Pumpens ist

nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 erläutert. In

Θ7 Fig. 5 sind die tiefsten Energiepegel des Rb im einzelnen dargestellt. Die optische Besonanzlinie ist eine Doppellinie IL, D„ mit den beiden Peinstro,kturkomponenten D₁ (5 ^si/p ""

5 ²^₁Z₂) ^{und D}2 ^^{5 2s}i/2 " ^{5 2p}3/2^ »gezeigt durch die Doppelpfeile fur 7947,6 2 bzw« 7800 1 . Die Hyperfeinstrukturen des

2
ersten angeregten Zustande 5 P sind im allgemeinen kleiner als die Dopplerbreite uM werden daher vernachlässigt, ebenso wie die Differenz zwischen D* sand D„ _f während die Hyperfeinstruktur des Grundzustands 5 ^«3/2 ^^m allgemeinen grosser als die Dopplerbreite ist« Die Mnien D^ und Dg trennen sich daher je in zwei von der Struktur des Grundzustands^ierruhrende Hyperfeinkomponenten. Im allgemeinen addieren sich in der hier benutzten Art des optischen Pumpens die Effekte der Linien D^ und D„ _β Wenn daher nur die eine oder die andere der linien D₁ und D₀ betrachtet wirä, enthalten die Resonanzlinien des Atomgemischs von Rb ■ and Hb vier Hauptkomponenten A und B für das Rb ^ und a und. b für das Rb . Wie aus Fig. 6 hervorgeht, fallen die optischen Linien-Λ von Rb· und a von Rb ' praktisch zusammen, wahrend, die optischen Linien B von Rb und b von Rb ' verschieden SiM₉ und zwar sowohl für D<. als

90988^/1493

- 12 - 5243-69

auch fur

Diese Tatsache wird zur Vornahme des optischen Pumpens von dem Pegel Eg (5 S₁ /g, F » 2, m_p = 0) auf den Pegel E- (erster angeregter Zustand P) ausgenutzt,

S QfJP QC

indem die Atome von Rb ' des Atomstrahls/3 mit einer Hb -Resonanzlampe 4 bestrahlt werden. Infolgedessen hat nur die Komponente A des Rb , welche die gleiche Frequenz wie die

87

Komponente a des Rb ' hat, eine Wirkung. Sie regt im besonderen die Atome des Pegels E₀ (P -2) an, indem sie diese auf den angeregten Pegel P (Pfeil fg, der Pig. 8) bringt. Die Atome bleiben auf diesem Pegel wahrend einer mittleren Zeit, welche gleich der lebensdauer dieses angeregten Zustande ist (grössenordnungsmässig 10 Sekunden), worauf sie in den Grundzustand zurückfallen, indem sie sich auf die beiden Pegel E^ (F = 1) und Eg ( P = 2) aufteilen, wie dies durch die gestrichelten Pfeile .f-| und f,g dargestellt ist. Schliesslieh hat -■ das optische Pumpen die Wirkung, einen Teil der Atome von dem Pegel Eg auf den Pegel E.. zu überführen, so dass also dieser letztere Pegel angereichert und der Pegel E« verarmt wird.

Bei Fehlen eines Hyperfrequenzfeldea in

der Zone 6 gelangt der Strahl in die Detektorzone 25 (vor seiner Kondensierung bei 24) mit einem gegenüber dem Pegel Eg angereicherten Peg^el E₁. Die Resonanzlampe 9 für natürliches

87
Rb oder Rb sendet die vier Komponenten A, B, a, b aus. Das Gefäss 10 mit Rb ■** lasst nur die Komponenten B und b durch, es ist jedoch nur die Komponente b wirksam, welche gerade die Frequenz(E^ - Ej/h. hat, und daher von den Atomen des Rb ' des Strahls absorbiert werden kann, welche sich auf dem Pegel Ej (Pfeil f.j- der Fig. 8) befinden. Das Ergebnis dieser Absorption ist schliesslich eine Neubesetzung des Pegels E« durch Zurückfallen von dem angeregten Pegel E, auf die Pegel Eg und Ej des örundzustands (gestrichelte Pfeile f~«und f»- der Fig. 8). Das optische Pumpen in dem unteren Teil des Strahle 3, welches den Pegel Ej anreichert, bewirkt eine Erhöhung der Absorption der Komponente b in dem oberen Teil des Strahle (Zone 25) und somit eine Herabsetzung des von dem Detektor 13 empfangenen Lichts.

Wenn jetzt an den Hohlraum 7 eine Spannung

909884/1493

- 13 - 3243-69

mit der Frequenz (E₂ - E₁)Zh = 6834,6 MHz angelegt wird, um in der Zone 6 ein Hyperfrequenzfeld mit 6834,6 MHz zu erzeugen, bewirkt man die Sättigung des Übergangs E₁** E₀ der

87 -

Atome des Rb ' des Strahls, d.h. die Gleichheit der Besetzung der Pegel E₁ und E₀, indem eine ge-wisse Zahl von Atomen des

87
Rb ' von dem Pegel E₁ auf den Pegel E₂ gehoben wird (Pfeil f*o)» wodurch die Wirkung des vorherigen optischen Pumpens aufgehoben wird. Der Rubidiumstrahl gelangt also in die Zone

87
25 mit ebensovielen Atomen des Rb ' auf dem Pegel Eg wie auf dem Pegel E₁ und absorbiert daher weniger von der Komponente b in dem System 9, 10, als wenn die Sättigung durch das Hyperfrequenzfeld nioht stattgefunden hätte. Infolgedessen wird der von dem Detektor 13 gelieferte Strom. vergrSsaert, wenn das Hyperfrequenzfeld angelegt wird. Genau ausgedrückt, der von dem Detektor 13 gelieferte Strom durchläuft ein Maximum, wenn die Frequenz des von-dem Doppelhohlraum 7 erzeugten Feldes den Wert 6834,6 MHz-erreicht.

Die elektronische Anordnung 14 enthält

einen die Ausgangsgroes© desjPhotovervielfaohers 13 verstärkenden Audiofrequexizver starker 26, einen Quarzoszillator 27, ein Steuersystem 28 zur automatischen Einstellung der Frequenz des Oszillators 27 auf die Atomresonanzfrequenz von 6834,6 MHz und eine Vorrichtung 29 zur Frequenzsynthese, welche gestattet, von der Frequenz des Oszillators,(welche eine Teilfrequenz von 6.834.682.614 Hz ist) auf eine Frequenz in runden Zahlen überzugehen, z.B. 5 MHz, sowie auf die üblichen Frequenzen von 1 und 0,1 MHz.

Das Steuersystem 28 enthält ϊ

- einen Frequenzvervielfacher 30, welcher

die Frequenz des Oszillators 27 (von grosaenordnungsmassig 5 MHz) mit einer solchen Zahl multipliziert, dass die vervielfachte Frequenz 6834,6 MHz ist $

- einen Modulator 51 mit sehr niedriger Frequenz (z.B. 30 Hz), welcher die Ausgangsgrosse des Yervielfachers 30 frequenzmoduliert, um in dem Hohlraum 7 die Resonanzlinie zu bestreichen, was eine Amplitudenmodulation mit der gleichen sehr niedrigen Frequenz des auf den Detektor 13 fallenden Lichtb'undels und somit des aus dem Verstärker 26 aus-

90 98 847U93

- 14 - ■ 3243-69

tretenden Stroms I zur Folge hat (auf diesen Punkt wird noch. unter Bezugnahme auf/Πι eingegangen werden);

- einen Phasendetektor 32, welcher die

Phasendifferenz zwischen der angelegten Modulation (mit 30 MHz) und der wiedergegebenen Modulation (des Stroms I) bestimmt und das Fehlersignal bildet, welches die Frequenz des Quarzoszillators 27 mittels der Frequenzsteuervorrichtung 33 steuert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12 soll nun

einerseits die Bedeutung der Verwendung eines doppelten U-förmigen Hyperfrequenzhohlraums 7 mit zwei Schenkeln 7a und 7b und andererseits die Herstellung eines Fehlersignals mittels der Niederfrequenzmodulation erläutert werden.

Die Kurven I« und I₂ zeigen die Änderung

der Amplitude der Stromstärke I in Funktion der Frequenz des an den Hohlraum 7 angelegten Signals fur den Fall, das3 dieser Hohlraum ein einfacher Hohlraum (mit einer lange gleich der von dem Atomstrahl in einem einzigen Schenkel durchlaufenen Länge) bzw. ein U-formiger Hohlraum (wie dargestellt) ist. Wie man sieht, ist die Breite der Resonanzlinie in dem zweiten Fall erheblich kleiner. Tatsächlich ist diese Breite zu der Gesamtlänge des einfachen Hohlraums in dem ersteren Fall oder des Abstands zwischen den Hohlräumen in dem zweiten Fall umgekehrt proportional (ein einfacher Hohlraum grosser Lange kann nicht benutzt werden, da infolge der Abmessungen der der Frequenz von 6834,6 MHz entsprechenden Wellenlänge nicht die gleiche Phase auf der ganzen Länge eines derartigen Hohlraums vorhanden sein kann). Die Breite der Resonanzlinie ist in Wirklichkeit gleich y/L. Durch die Anwendung der Erfindung werden die langsamen Atome begünstigt, wodurch also die Resonanzlinie noch verkleinert wird.

Die Modulation der Phase des Oszillators

mit sehr niedriger Frequenz und die Benutzung einer synchronen Detektion (Phasendetektion) des aus dem Detektor 13 austretenden Signals mit sehr niedriger Frequenz ermöglichen, die abgeleitete Kurve 1'^ von I^ bzw. I'₂ von I« zu- erhalten. Die Steigung von I'₂ ist in der flahe von 6834»6 MHz erheb] ^oh grosser als die von I'-j· Das Fehlersignal, welches zu dieser Steigung proportional ist, ist also in dem Fall eines Doppelhohl-

909984/1493

- 15 - 3243-69

raums grosser. Pur eine Frequenzänderung von df beträgt das Fehlersignal di. Man erhält so ein positives oder negatives Fehlersignal, je nachdem, ob man sich auf der einen oder der anderen Seite der Resonanzfrequenz befindet. Dieses Fehlersignal dient in dem Steuersystem zur Festlegung der Frequenz des Quarzoszillators auf die Frequenz der Hyperfeinresonanz des Rb⁸⁷ (6834,6 MHz).

Zur Vergrösserung des Ausgangssignals des

Photovervielfachers 13 kann man das von dem System 9, 10, 11 erzeugte Detektorlicht mehrere Wege uurch den Strahl durchlaufen lassen, z.B. mit Hilfe von Spiegeln. Es muss jedoch eine zu grosse Menge an Detektorlicht vermieden werden, da ein ubermässiges derartiges Licht den Pegel E^ schneller entleeVen kann, als das Pumpen durch das System 4, 5 diesen Pegel besetzen kann, so dass ein scharfes Strommaximum I bei der Resonanz verschwindet, wodurch das Verhältnis Signal/Geräusch verringert wird.

Die oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis

6, 8 und 12 beschriebene Atomuhr mit Rubidiumstrahl besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber den Uhren mit Zäsiumstrahl oder den Uhren mit Rubidiumdampf der früheren Technik, deren Prinzipien oben erläutert wurden.

1.) Die erfindungsgemässe Uhr ermöglicht

die Herstellung eines primären oder absoluten Frequenznormals in dem Sinn, dass die Frequenz der Resonanz in sehr grosser Nähe der Bohrschen Frequenz des freien Atoms liegt. Da sich insbesondere die Rb-Atome im Vakuum bewegen, treten keine Frequenzverschiebungen infolge von Zusammenstössen der Eb-Atome mit den Molekülen des Puffergases auf, wie bei den Uhren mit Alkalidampfzellen. Aus dem gleichen Grunde wird der Temperatureffekt minimal gemacht.

Ferner sind in dem Rb-Strahl die Zonen des

optischen Pumpens und der optischen Detektion scharf von den Wechselwirkungszonen der Hyperfrequenzfeider getrennt, wodurch die Frequenzverschiebungen vermieden werden, welche von den durch aas Pumplicht erzeugten virtuellen übergängen herrühren. Dieser Effekt ist bei Uhren mit Alkalidampfzellen besonders störend und schwer zu beseitigen. Bei der erfindungsgemässen

9 03884/ U93 bad original

-16- 3243-69

Ausführung ist es dagegen durch einen sorgfältigen Aufbau möglich, eine Streuung des Pump- oder Detektorlichts in die Wechselwirkungszone der Hochfrequenzfelder zu vermeiden.

. 2.) Da keine Magnete zur Fokussierung oder Ablenkung benutzt werden, kann der Apparat leicht magnetisch abgeschirmt werden, wodurch die Effekte der von dem Magnetfeld herrührenden Frequenzverschiebungen verringert werden.

3.) Da der öffnungswinkel des Atomstrahls

nicht mehr durch die Luftspalte der Magnete zur Fokussierung oder Ablenkung begrenzt wird, können vernaltnismäaaig kräftige Atomstrahlen benutzt werden, wodurch das Verhältnis Signal/ Geräusch bei der Detektion beträchtlich vergrössert wird.

4·) Die optische Detektion ist verhältnis-

mässig einfach gegenüber der Detektion durch Oberflächenionisierung, welche bei den Uhren des Typs Rabi verwendet wird und häufig die Benutzung eines Massenspektrographen erfordert.

5.) Die optischen Techniken zum Pumpen

und zur Detektion begünstigen die langsamen Atome des Strahls· Wenn man nämlich in der Zone arbeitet, in welcher die optischen Effekte linear.sind, was praktisch bei den Stärken der verfügbaren Lichtquellen der Fall ist, sind die Wirksamkeit des optischen Pumpens und die Grosse des Detektorsignale beide zu der Verweilzelt der Atome in der bestrahlten Zone proportional,

d —

d.ho zu t = —, worin d die Lange des bestrahlten Weges und ν die Geschwindigkeit des Atoms ist. Da das Verteilungegesetz der Geschwindigkeiten ein Gesetz nach ν .e~^av mit a «= Tyjjj· ist, geht ein Faktor — in das Hochfrequenzresonanzsignal ein, wenn man sich in der linearen Zone weit von der Sättigung befindet·

Bei den Methoden zur magnetischen Ablenkung des Typs Rabi ist dann die effektive mittlere Geschwindigkeit durch folgende Formel gegeben:

( C 3 -a²

- Jv dN _? J ν ..e dv

Bei dem Pumpen und der optischen Detektion gemäss der Erfindung tritt ein zusätzlicher Faktor ^r für das Pumpen und ein Faktor ~ für die Detektion auf, d.h. ein

Λ ' ' V

Faktor -^r ι

9098 84/U93

2-x
ν

- 17 - 3243-69

-^Jv dJL _ Jv.e^rair dv

/e-^av dv ^π r * *' ^m

Man gewinnt also einen Faktor^ in der Grössenordnung von 2 für die Linienfeinheit gegenüber den Methoden mit magnetischer Ablenkung.

Die Atomuhr der in Pig. 1 bis 4 dargestellten Bauart kann jedoch mehr Alkalimetallatome verbrauchen, als eine Uhr des Typs Rabi. Zur Verringerung des Verbrauchs kann eine Rückführung des Rubidiums in den Kreislauf vorgesehen werden» Das System ist nämlich in physikalischer Hinsicht symmetrisch. Dier kondensierte Rubidiumstrahl kann in dem anderen Sinn zurückgeschickt werden, wenn man einen Rubidiumofen in der Zone 24 anordnet, in. welcher sich das Rubidium niederschlägt, und das Rubidium an der Stelle zurückgewinnt, an welcher sich der Ofen 2 in Pig. 1 befindet. Ausserdem wurde dann der Detektor 13 der Lampe 4 mit Rb gegenüber angeordnet werden. Die Uhr wurde dann in der in Pig. 9 dargestellten Weise arbeiten, wobei das Licht des Systems 9» 10, 11 mit seiner

ft7

Komponente b die Atome von Rb des Strahls von dem Pegel E. auf den Pegel E, (Pfeil f**) pumpt, von wo sie wieder auf die Pegel E^ und Eg (Pfeile f,.j und f~g) herunterfallen wurden, was eine Anreicherung des Pegels E₀ gegenüber dem Pegel E₁ zur

87 Polge hat· Auf diesem Pegel Eg sind die Atome von Rb ' in der Lage, vorzugsweise die Komponente A der Lampe 4 mit Rubidium zu absorbieren (Pfeil fg,), während der Hohlraumresonator 7 wie in dem ersten Pail den Ausgleich der Besetzungen der beiden Pegel E₁ und Eg bewirkt.

VIe man sieht, sind die beiden Schemata der Pig. 8 und 9 für die Atome von Rb geeignet.

Der Apparat der Pig. 1 bis 4 konnte auch

QC ■

bei Benutzung der Atome von Rb ^ des Strahls arbeiten, wobei dann das optische Pumpen an dem Pusa durch eine durch ein Gefäss mit Rb ' gefilterte Lampe mit Rb * erfolgt, während die optische Detektion oben an dem Strahl durch eine ungefilterte

07 „

Lampe mit Rb erfolgt, wobei die Erregerfreq.uenz d,es U-foj gen Hyperfrequenzhohlrauns jetzt 3036 MHz betragt, was dem

9 098 84/1k93

- 18 - 3243-69

Hyper feinabstand zwischen den Pegeln E„ (T? = 3) und E:. (P = 2) des Grundzustands des Rb. entspricht, wie dies aus Pig. 6 hervorgeht.

In Fig. 10 ist die Anwendung eines derartigen optischen Pumpens und einer derartigen optischen Detektion für die Atome von Rubidium 85 dargestellt. Das Pumpen am Puss durch die durch das Rb gefilterte Rb -Lampe hat

zur Folge, dass die Atome von Rb ^J von dem Pegel E,j auf den angeregten Pegel E~ (Pfeil f-j*) übergehen, von wo sie wieder auf die Pegel Eg und E₁ (Pfeile f ,g und f^ ) zurückfallen. Hierdurch wird der Pegel E„ gegenüber dem Pegel E^ angereichert. Die optische Detektion bewirkt den übergang der Atome von Rb ° von dem Pegel E« auf den Pegel E, (Pfeil fp-z). Die Sättigung der Resonanzlinie (E₂ - E^/h bei 3036 mliz durch den Hyperfrequenzhohlraum bewirkt die Gleichheit der Besetzung der Pegel E- und E„ und somit die Verringerung der durch das optische Pumpen hergestellten Oberbesetzung von E₉,

87

was eine Verringerung des Lichts der Rb -Detektorlampe beim Durchgang durch den Strahl zur Folge hat. Man erhalt also ein Maximum des von dem der Rb -Detektorlampe gegenüber angeordneten Detektor gelieferten Stroms beim Durchgang durch die Resonanz.

Man kann übrigens bei der Benutzung der

Atome von Rb ³ eines Strahls die in Fig. 11 dargestellte Ausführungsabwandlung verwenden, bei welcher das Pumpen gemäss dem Pfeil f23 zwischen den Pegeln E« und E, durch eine ungefilterte Rt⁸'-lampe erfolgt, wahrend die Detektion gemäss dem Pfeil f.«, durch eine durch ein Gefäss mit Rb ' gefilterte

85
Rb -lampe, erfolgt.

Es ist zu bemerken, dass die die erf in-

dungsgemassen Verbesserungen anwendenden Schemata der Fig. 8, 9» 10 und 11 dadurch gekennzeichnet sind, dass ein optisches Pumpen zwischen einem der Pegel E- oder E« des ßrundzustande und dem angeregten Pegel E₅ und eine optische Detektion zwischen dem anderen Pegel (E„ bzw. E-) des Grundzustanda und dem angeregten Pegel E, vorgenommen wird, wobei der Hyperfrequenzhohlraum mit der dem Unterschied zwischen den beiden Pegeln E.J und Eg des Grundzustands entsprechenden Frequenz gespeist

9098 84/U93

- 19 - 3243-69

Obwohl die Erfindung im besonderen für

Rb⁸^ oder Hb ** beschrieben wurde, kann sie auch mit einigen Abänderungen fur die anderen Alkaliatome verwendet werden, wie Natrium, Kalium öder Zäsium»

Bei diesen Atomen kann jedoch die Hyper-

feinfilterung durch Isotope nicht angewandt werden. Es müssen dann andere Methoden benutzt werden, z.B. die Verwendung von Filtern, welche durch Alkalidampfzellen gebildet werden, welche in einem kräftigen Magnetfeld (welches die Frequenz durch den Paschen-Back-Effekt verändert) angeordnet sind. Für Zäsium ZcB. kann eine Zelle, welche Zäsiumdampf von 125° C enthält in ein Feld von 8,3 kG gebracht ist, als Hyperfeinfilter

benutzt werden.^Man kann auch Halbleiterlaser des Typs benutzen,

Ga As₁ P / deren ausgesandte Frequenz durch Beeinflussung der Zusammensetzung χ und der Temperatur verschoben werden kann» Ein derartiger Laser besitzt eine einer Komponente des

1⁵J¹S
Cs- ent sprechende Frequenz.

Die erfindungsgemässe Ausführung besitzt

gegenüber den bekannten Frequenznormalen und Atomuhren zahlreiche Vorteile, insbesondere folgende:

Zunächst bildet sie ein primäres Frequenznormal, da ihre Frequenz der des freien Atoms sehr nahe liegt.

Sie besitzt eine sehr grosse Frequenzstabilität^ insbesondere auf lange Zeit.

Sie erfordert eine verhältnismässig einfache Apparatur ohne kräftige Magnete verwickelter Form.

Zum Schluss seien die unterschiede zwischen einer erfindungsgemässen Atomuhr und den beiden dieser am nächsten kommenden Atomuhren der früheren Technik genauer erläutert·

1·) Uhr gemäss der französischen Patentschrift Nr. 1.404.551.

Das in dieser Patentschrift beschriebene

Folgesystem stellt ein zeitliches Programm für Vorgänge an in einem beschränkten Raum einer Zelle eingeschlossenen Atomen auf. Die Alkaliatome haben nicht die Form eines aus einem Ofen kommenden Strahls, sondern befinden sich in dem beschränkten Raum der Zelle in Form eines Dampfs. Dieser wesentliche

909884/1493

- 2.0 - 3243-69

Punkt hat erhebliche Polgen für die Genauigkeit und die Stabilität der Atomuhr oder des Frequenznormals.

a) So erzeugt im besonderen in dem Pail

eines Dampfs die Wechselwirkung zwischen den Alkaliatomen und den Wänden der Zelle oder den Molekülen eines Puffergases, wenn ein derartiges Gas benutzt wird, im allgemeinen schwer theoretisch voraussehbare und häufig zeitlich labile Frequenzverschiebungen. Die8 hat zur Folge, dass die Kenntnis der Frequenz einer Uhr mit Alkalidampfzelle eine vorherige Messung erfordert. Anders ausgedrückt, diese Uhren arbeiten als sekundäre Frequenznormale, wahrend ein Zweck der vorliegenden Erfindung die Herstellung eines primären oder absoluten Frequenznormals ist.

Bei einer Uhr mit Alkaliatomstrahl werden

nämlich die Atome im Hochvakuum ausgesandt und haben nur sehr geringe Wechselwirkungen mit den Restgasen. Infolgedessen liegt bei diesen Uhren die Resonanzfrequenz in sehr grosser Nähe der Bohrschen Frequenz, ein Wert, welcher leicht durch Vornahme der bekannten von dem magnetischen Gleichfeld herrührenden Berichtigungen erhalten werden kann. Diese Uhren können daher als primäre Frequenznormale angesehen werden.

Ebenso muss mit einem Alkalidampf bei ·

einer verhältnismässig hohen Temperatur gearbeitet werden, um eine für ein gutes Verhältnis Signal/Geräusch bei der Detektion genügende Atomdichte zu erhalten. Unter diesen Bedingungen können bei einer Zelle die Betriebetemperaturschwankungen den Wert der Resonanzfrequenz beeinflussen. Bei Uhren mit Alkaliatomstrahlen sind dagegen infolge der geringen Wechselwirkungen zwischen den Atomen untereinander oder mit den Wänden der Vakuumkammer die Temperatüreffekte viel weniger ausgeprägt.

b) Ausserdem, obwohl erfindungsgeaass die

Wirkung des Lichts und des Radiofrequenzfeldes zeitlich ebenfalls aufeinanderfolgen, finden die verschiedenen Vorgänge des optischen Pumpens, der Wechselwirkung mit dem Radiofrequenzfeld und der optischen Detektion in verschiedenen Raumzonen in der Vakuumkammer statt und werden durch die Bewegung der Atome im Räume erzeugt, anstatt durch eine Reohteckaodulation des Lichts oder des Radiofrequenzfeldes. Erfindungsgemäss

909884/U9 3

- 21 - 3243-69

werden das Pumplicht oder das Detektionalieht und das Radiofrequenzfeld kontinuierlich ausgesandt· Dies hat eine Vereinfachung der elektronischen Erreger·· und Steuersysteme zur Folge.

c) Sie Tatsache, dass das optische Pumpen

in der französischen Patentschrift Nr. 1.404.551 benutzt wird, nimmt die Erfindung nicht vorweg. Das optische Pumpen von Atomen in Form eines in einer Zelle eingeschlossenen Alkalidampfs ist nämlich von dem optischen Pumpen von in einem Strahl freien Atomen stark verschieden. In einer Zelle sind die Alkaliatome länger der Wirkung des Pumpliohta ausgesetzt, selbst wenn dieses pulsierend ist, und die Wirksamkeit des optischen Pumpens kann gross sein. ^!

Bei den Atomen in Form von Strahlen im

Vakuum ist die Durchgangsdauer der Atome durch die Zone der Bestrahlung mit dem Pumplicht sehr kurz, grössenordnuhgsmässig 0,2 Millisekunden, und zur Erzielung eines guten Verhältnisses Signal/Geräusch müssen kräftige Strahlen mit Bündeln mit grosser Öffnung benutzt werden, und die Erfindung besteht in dieser be-

sonderen Technik, welohe in den Alkalidampfzellen fehlt.

2·) Atomuhr nach der amerikanischen Patentschrift Nr. 3.328.633.

Dieses Patent betrifft eine Atomuhr mit

Thalliumstrahl der bekannten Bauart Rabi-Ramsey. Obwohl ein Strahl von Alkaliatomen im Vakuum benutzt wird, sind das optische Pumpen und die optische Detektion, welche Merkmale der vorliegenden Erfindung sind, nicht in dieser amerikanischen Patentschrift erwähnt.

Die Tatsache, dass in dieser amerikanischen Patentschrift Alkaliatomstrahlen benutzt werden, nimmt die Erfindung ebenfalls nicht vorweg. In dieser Patentschrift erzeugen nämlich Magnete in dem Strahl eine Trennung zwischen den verschiedenen Hyperfeinpegeln angehörenden Alkaliatomen, um z.B. nur die Atome des höheren Energiepegels beizubehalten, welche ansohliessend auf einen Ionisierüngsdetektor fokussiert werden·

In der vorliegenden Erfindung werden die

Atome nicht getrennt, sondern es wird durch das optische Pumpen' die Atombeaetiattng eines der Hyperfeinenergiezüstände angereichert. Ebenso erfolgt die Detektion durch eine optische Methode,

90 98 8 4/149 3

- 22 - 3243-69 -

welche den durch die Radiofrequenz erzeugten Besetzungawechsel feststellt.

9098 8 4/U93

Claims (1)

1. - 23 - 5243-69

   Patentansprüche

   Mit einem Atomstrahl, insbesondere von Alkaliatomen, im besonderen von Rubidiumatomen, arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal mit wenigstens drei stetig wachsenden Energiepegeln, nämlich zwei Pegeln E^ und Eg in dem Grundzustand und einem Pegel E, in dem angeregten Zustand, dadurch gekennzeichnet, dass der Atomstrahl nacheinander im Vakuum durch eine Zone (4, 5) zum optischen Pumpen, in welcher er von einer Quelle von nicht polarisierten Strahlen mit einer Frequenz bestrahlt wird, welche dem Energieunterschied zwischen einem der Grundpegel E. oder E„ und dem angeregten Zustand E~ entspricht, einen Radiofrequenzhohlraum (7), in welchem er einem Magnetfeld mit einer dem Energieunterschied zwischen den Pegeln E- und E« des Grundzustands entsprechenden Frequenz ausgesetzt wird, und eine Zone (9, 10, 11, 12, 13) zur optischen Betektion tritt, in welcher er durch eine Quelle (9) von nicht polarisierten Strahlen mit einer Frequenz bestrahlt wird, welche dem Energieunterschied zwischen dem anderen Pegel des Grundzustands E« oder E,. und dem angeregten Pegel E~ entspricht.

   2«.) Atomuhr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine längliche Vakuumkammer (1), einen in dieser Kammer an einem Ende derselben angeordneten Ofen (2) zur Erzeugung eines Atomstrahls in Richtung auf das andere Ende der Kammer, Mittel (4, 5) zum optischen Pumpen zwischen einem der Grundpegel der Atome des Strahls und einem Pegel eines angeregten Zustande dieser Atome, einen Hohlraum (7), insbesondere einen Doppelhohlraum, durch welchen der Strahl nach dem optischen Pumpen tritt, Mittel (34), welche in diesem Hohlraum ein magnetisches Wechselfeld parallel zu dem Gleiohfeld mit einer

   dem Energieunterseliied zwischenden beiden Pegeln des Gr und-

   erftsprechenaen JPrequenz zustande der Atome/erzeugen, mittel zur optischen Detektion (9, 10, 11), welche auf den Strahl nach seinem Durchtritt durch den Hohlraum ein Detektionslicht mit der dem Energieuntersohied zwischen dem anderen Pegel des Grundzustands und dem Pegel des angeregten Zustande entsprechenden Frequenz richten, und Einrichtungen (12, 13) zur Detektion des Lichts, welches von den Mitteln zur optischen Detektion ausgesandt

   909884/U93 '-«

   - 24 - 3243-69 ΐ

   wurde und durch den Strahl nach dem Durchgang desselben durch den Hohlraum getreten ist.

   3.) Atomuhr mit Rubidium nach Anspruch T

   oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (2) natürliches Rubidium enthält und einen Strahl von Rb -Atomen und Rb Atomen erzeugt, wobei die Mittel zum optischen Pumpen fine Rb -Resonanzlampe (4) zur Anreicherung des Pegels E^ (P == 1) des Grundzustands gegenüber dem Pegel Eg (P =2) diese© Zustande der Rb₈₇-Atome aufweisen, wobei der Hohlraum (Ij mit einer Frequenz von 68^34,6 MHz gespeist wird und die Mittel zur optischen Detektion eine durch einen Rb -Behälter)(tO) gefilterte Resonanzlampe (9) mit natürlichem Rubidium #der

   Rb ' umfassen, wobei der Detektor (13), z.B. ein Photoyervielfacher, das Licht empfängt, welches von der zuletzt gekannten Lampe ausgesandt wird und durch den Behälter und den Strahl getreten ist. » (

   4·) Atomuhr mit Rubidium naeh Anspruch

   oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (2) natürliches Rubidium enthält und einen Strahl von Rb -Atomen und Rb-Atomen erzeugt, wobei die Mittel zum optischen Pumpen eine durch einen Rb •'-Behälter (10) gefilterte Resonanzlampe mit natür-

   R7

   lichem Rubidium oder Rb zur Anreicherung des Pegels E« (P = 2) des Grundzustands gegenüber dem Pegel E₁ (F »'1;) dieses

   8T '

   Zustande der Rb -Atome umfassen, wobei der Hohlraum (7) mit einer Frequenz von 6834_t6 MHz gespeist wird und die Mittel zur optischen Detektion eine Rb -Resonanzlampe (9)» einen-Detektor (13), z.B. einen Photovervielfacher, welcher das Licht !empfängt welches von der zuletzt genannten Lampe (9) ausgesandt wurde und durch den Strahl getreten ist, umfassen. ;

   5.) Atomuhr nach einem der Ansprüche 2

   bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (2) einen klanglichen Korper (21) aufweist, welcher eine axiale Blind|ohrung, Heizelemente enthaltende Umfangskanäle (22) and einen $a dem Hals (19) der axialen Bohrung angeordneten Ejektor (18| aufweist, welcher eine Reihe von den Strahl bildenden parallelen Rohren (23) kleinen Durchmessers enthält.

   6c) Atomuhr naoh einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen den Strom der optischen detektion,

   8 4/14 9 3 ORIGINAL INSPECTED

   - 25 - 3243-69

   insbesondere des Photovervielfachers (13), verstärkenden Audiofrequenzverstärker (26), einen Quarzoszillator (27)> welcher mit einer Frequenz arbeitet, welche ein genauer Bruchteil der Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Pegeln des Grundzustands ist, einen Frequenzvervielfacher -(30), welcher die Frequenz des Oszillators (27) zur Ableitung der Frequenz dieses Übergangs vervielfacht, Mittel (31) zur Niederfrequenzmodulation der Frequenz des Vervielfachers, einen Phasendetektor (32), welcher die Phase der Modulation mit der Phase des von dem Verstärker gelieferten Stroms vergleicht, Mittel (33) zur Steuerung der Frequenz des Oszillators entsprechend dem von dem Phasendetektor ausgesandten Signal, und eine Vorrichtung (29) zur Frequenzsynthese, welche aus der Frequenz des Oszillators in dem Dezimalsystem ganzzahlige Frequenzen' ableitet.

   7.) Atomuhr mit Rubidium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (2) natürliches

   an ac

   Rubidium enthält und einen Strahl von Rb -Atomen und Rb Atomen erzeugt, dass die MIttel zum optischen Pumpen eine

   87 ·· 85

   durch einen Rb -Behalter gefilterte Rb -Resonanzlampe zur Anreicherung des Pegels E₀ (F = 2) des Grundzustands gegen-

   85

   über dem Pegel E^ (F = 1) dieses Zustande der Rb -Atome umfassen, dass der Hohlraum (7) mit einer Frequenz von 3036 MHz gespeist wird, und dass die Mittel zur optischen Detektion eine Resonanzlampe für natürliches Rubidium oder Rb umfassen, wobei der Verstärker, z.B. ein Photovervielfaoher, das Licht empfangt, welches von der zuletzt genannten Lampe ausgesandt wurde und durch den Behälter und den Strahl getreten ist.

   8.) Atomuhr nach Anspruch 1 oder 2, welche als Alkaliatome Natriumatome, Kaliumatome oder Zäsiumatome benutzt, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Pumpen und/ oder die optische Detektion mit Hilfe von Alkalidampfzellen erfolgen, welche zur Veränderung der Frequenz durch den Paschen-Back-Effekt in einem kräftigen Magnetfeld angeordnet sind ·

   9·) Atomuhr nach Anspruch 1 oder 2, welohe als Alkaliatome Natriumatome, Kaliumatome oder Zäsiumatome

   9 O 9 8 8 U 11 A 9 2 ^ " '" ^c'"

   benutzt, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Pumpen und/ oder die optische Detektion mit Hilfe eines Halbleiterlasers erfolgen.

   909884/U93

   Leerseite