DE1933652B2 - Mit einem Strahl von Atomen, insbesondere Alkaliatomen, arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft die mit Atomstrahlen arbei- Bekanntlich besitzt ein Atom, insbesondere ein tenden Atomuhren oder -frequenznormale, insbeson- alkalisches Atom, einen Grundzustand S und andere die mit einem Strahl von alkalischen Atomen, im geregte Zustände P, D... zunehmender Energie. Für besonderen Rubidiumatomen, arbeitenden. die alkalischen Atome wird der Pegel des Grund-Sie bezweckt insbesondere die Herstellung eines 5 zustands von den Fachleuten Pegel S₁I₂ genannt, und Normals oder einer Uhr mit einer sehr großen Fre- der erste angeregte Zustand umfaßt zwei Pegel P₁/₂ quenzstabilität, insbesondere auf lange Sicht, welche und P₃/₂ infolge der Feinstruktur, welche die Doppelein primäres oder absolutes Frequenznormal bildet, linien der alkalischen Atome erklärt (z. B. die Doppeldessen Resonanzfrequenz in großer Nähe der Bohr- linie des Natriums, welche den Übergängen zwischen sehen Frequenz des freien Atoms liegt. io den Pegeln P₁Z₂ und P₃/₂ einerseits und dem Pegel S₁I₂ Gegenstand der Erfindung ist eine einen Strahl von andererseits entspricht). Außerdem teilen sich infolge Atomen, insbesondere alkalischen Atomen, im beson- des Kernmoments / der Atome der Pegel S₁I₂ des deren Rubidiumatomen, verwendende Uhr oder Grundzustands und der Pegel P₁Z₂ je in zwei Hyper-Frequenznormal mit wenigstens drei aufeinander- * ■ * ι * _1n τ 1 jc r.l-i. j folgenden zunehmenden Energiepegeln, nämlich zwei i_S ^nstrukturpegelF = 7-_yund F = I + _ywahrend

Pegeln E₁ und E₂ im Grundzustand und einem Pegel E₃ sich der Pegel Ρ₃/₂ in vier Hyperfeinstrukturpegel

im angeregten Zustand, welche dadurch gekenn- _r 3 _T 1 , . 1 _T . 3 , . ... .... _O1. .

zeichnet ist, daß der Atomstrahl nacheinander im *~T' ⁷^T' ^{/ +} T> ' +y unterteilt. Schließlich · Vakuum durch eine optische Zone, in welcher er von unterteilen sich in einem magnetischen Gleichfeld H₀ einer Quelle von nicht polarisierten Strahlungen mit 20 mit konstanter Stärke H₀ die verschiedenen Energieeiner dem Pegelunterschied zwischen einem der pegel in Zeeman-Unterpegel, deren Abstand in einem Grundpegel E₁ oder E₂ und dem angeregten Zustand E₃ schwachen Feld zu H₀ proportional ist. entsprechenden Frequenz bestrahlt wird, einem Hohl- In F i g. 5 sind die Energiepegel des Rubidium 87 raumresonator, in welchem er einem Magnetfeld aus- (Rb⁸⁷) dargestellt. Diese umfassen den Grundzustand gesetzt wird, dessen Frequenz dem Energieunterschied 25 S₁I₂, welcher in dissem Fall ein Zustand 5²S₁I₂ mit zwischen den Pegeln E₁ und E₂ des Grundzustahds seinen beiden Pegeln .F=I und F = 2 ist, da das

entspricht, und eine Zone zur optischen Detektion, in _T/r , _r ntn 1 · 1. ³ · . j· t ·4

_ΛΚ , , · „ „ ^ : , . , . . ' Kernmoment/ von Rb⁸⁷ gleich -=- ist: die beiden ersten

welcher er durch eine Quelle von nicht polarisierten ^& 2 '

Strahlen mit einer dem Energieunterschied zwischen angeregten Pegel 5²P₁Z₂ und 5²P₃I₂, welche sich in

dem anderen der Pegel des Grundzustands E₁ oder E₂ 3° zwei Pegel F — 2 bzw. F=I und in vier Pegel F=O,

und dem angeregten Pegel F₃ entsprechenden Frequenz F=I, F= 2, F= 3 unterteilen; die Doppellinie

bestrahlt wird, tritt. 7800 Ä, 7947,6 Ä zwischen den Pegeln 5²P₃/₂ und

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme 5²S₁I₂ einerseits und zwischen den Pegeln 5²P₁I₂ und

auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. 5²S^₂ andererseits; den der Frequenz von 6834,6 MHz

F i g. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mit 35 entsprechenden Hyperfeinabstand zwischen den Pegeln

einem Rubidiumstrahl arbeitendes Frequenznormal F = 2 und F=I des Grundzustands und schließlich

oder Atomuhr; rechts von den lotrechten unterbrochenen Strichen

F i g. 2 ist ein axialer Längsschnitt des Rubidium- die Trennung in Zeeman-Unterpegel rrip bei Anlegung

ofens der Uhr der F i g. 1; eines Magnetfeldes TT₀ mit einer von Null verschie-

F i g. 3 und 4 sind Schnitte längs der Linien III-III 4° denen Stärke H₀ zur Aufhebung der Degenerierung,

bzw. IV-IV der F i g. 2; Bekanntlich sind im Gleichgewichtszustand die ver-

F i g. 5 stellt die Energiepegel des Atoms von schiedenen Energiepegel gemäß einer Boltzman-VerRubidium 87 dar; teilung besetzt, wobei die Besetzung der verschiedenen

F i g. 6 zeigt die Linien (oder Übergänge) der Pegel nach Maßgabe der Zunahme ihrer Energie abAtome von Rubidium 85 und Rubidium 87 zwischen 45 nimmt. Bei den gewöhnlichen Temperaturen nimmt den beiden Pegeln des Grundzustands und einem jedoch die Besetzung von einem Pegel zu dem nächst-Pegel des angeregten Zustands; höheren Pegel nur sehr langsam ab.

F i g. 7 zeigt die in den Rubidiumuhren der früheren Ferner ist bekanntlich ein System von Atomen fähig,

Technik benutzten Linien (oder Übergänge); Energie mit einer Frequenz / = (F_s — Ei)Jh zu absor-

F i g. 8 zeigt die in der Rubidiumuhr der F i g. 1 50 bieren oder auszusenden, wobei E_s und Ei ein höherer

ausgenutzten Linien (oder Übergänge); bzw. ein niedrigerer Pegel sind, zwischen welchen ein

F i g. 9 bis 11 zeigen die Linien (oder Übergänge), Übergang erlaubt ist (bei einem erlaubten Übergang

welche in drei erfindungsgemäßen Ausführungsab- ändern sich die azimutale Quantenzahl und die ma-

wandlungen der Uhr der F i g. 1 benutzt werden gnetische Quantenzahl um eine Einheit, während die

können; 55 Hauptquantenzahlen und der Spin unverändert blei-

F i g. 12 zeigt das abgeleitete Signal, welches bei ben), während h die Plancksche Konstante ist. Im

Versuchen in der Uhr gemäß F i g. 1 mit zwei getrenn- Gleichgewichtszustand ist nur die Absorption mög-

ten Hohlraumresonatoren oder einem einzigen Hohl- lieh, welche mehr Atome aus dem Zustand Ei in den

raumresonator erhalten wurde. Zustand E₈ als Atome aus dem Zustand E_s in den Zu-

Vor einem Eingehen auf eine bevorzugte Ausfüh- 60 stand Ei bringt. Einstein hat nachgewiesen, daß die rungsform einer erfindungsgemäßen Atomuhr sei an Energieabsorption durch zwei Emissionstypen auszwei bekannten Typen von alkalische Atome benutzen- geglichen wird, nämlich die spontane Emission, bei den Atomuhren, nämlich die mit einem Zäsiumstrahl welcher eine unzusammenhängende Strahlung durch arbeitende Atomuhr von R ab i und die mit Dampf Zurückfallen von Atomen nach einer kennzeichnenden von Rubidium 87 arbeitende Uhr sowie an die physi- 65 Verweildauer in dem oberen angeregten Zustand auskalischen Grundsätze, auf welchen diese bekannten gesandt wird, und die stimulierte Emission, bei welcher Atomuhren sowie die erfindungsgemäßen Atomuhren eine zusammenhängende Strahlung durch Zurückberuhen, erinnert. fallen von Atomen unter der Wirkung einer Bestrah-

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lung mit Energie von der Frequenz / ausgesandt wird, einen Hohlraum oder vielmehr ein Paar von Hohl-

und auf dieser stimulierten Emission beruht das Arbei- räumen treten, in welchen sie einen Hyperf einübergang

ten der Maser und Laser. zwischen den Pegeln F₄ und F₃ erfahren, wobei eine ge-

Bei den mit einem Alkalimetall arbeitenden Atom- wisse Zahl von Atomen auf den Pegel F₃ zurückfällt,

uhren der früheren Technik und der Erfindung wird 5 Nach diesem Hyperfeinübergang werden die Atome in

zur Herstellung eines Frequenznormals der magneti- den beiden Zuständen F= 3 und F = 4 dem Einfluß

sehe Übergang zwischen den beiden Pegeln F = 2 und eines zweiten Magneten ausgesetzt, welcher die Teil-

F=I des Grundzustands S₁I₂ für nip = 0 ausgenutzt, chen in einem der Zustände auf einen mit Oberflächen-

da dieser Übergang für die Wirkungen des Magnet- ionisierung arbeitenden Detektor fokussiert, welcher

feldes sehr wenig empfindlich ist. io durch einen auf 1000° K erhitzten Wolframdraht ge-

So wird bei den mit Rubidiumdampf arbeitenden bildet wird, wobei der Ausgangsstrom dieses Detektors

bekannten Uhren, an deren Prinzip nachstehend er- eine Funktion der Erregungsfrequenz des Hohlraums

innert wird, als Frequenznormal die Frequenz des ma- mit einem Extremwert bei der Hyperf einresonanz des

gnetischen Übergangs zwischen den beiden nachstehen- Zäsiums ist.

den Pegeln des Rubidiums 87 benutzt: 15 Bei einer Uhr mit Rubidiumdampf wird in einer

Zelle Rubidium 87 untergebracht, und diese Zelle ist in

5 ²S₁I₂, F = 2, m,F = 0 einem Hyperfrequenzhohlraum angeordnet. Es werden

5 ²S₁I₂, F=I, niF = 0 drei Pegel benutzt, wie in F i g. 7 dargestellt, nämlich

ein Pegel E₁, welcher der Pegel F=I des Grundzu-

dessen Frequenz / = /₀ + 573 H² (in Hz) ist, worin /₀ 20 stands der F i g. 5 ist, ein Pegel E₂, welcher der Pegel

(Frequenz im Magnetfeld null) gleich 6 834 682 614 Hz F = 2 des Gundzustands der F i g. 5 ist, und schließ-

und H der Mittelwert des Magnetfeldes in Gauß ist. lieh ein dritter Pegel E₃, welcher die Gesamtheit des an-

Ebenso wird in den bekannten mit einem Zäsium- geregten Zustande P₁I₂ und P₃I₂ der F i g . 5 darstellt.

strahl arbeitenden Uhren der magnetische Übergang Zur Herstellung einer genügend verschiedenen Be-

zwischen den Energiepegeln F=A, mp = 0 und F = 3, 25 setzung* zwischen den Pegeln E₂ und E₁ wird die Me-

m.F = 0 des Grundzustands benutzt, dessen Frequenz/¹ thode des optischen Pumpens einer der Erfinder, näm-

durch F = F₀ + 427 H² (in Hz) mit . lieh von Alfred K a s 11 e r, zwischen den Pegeln E₁

tr η im £-21 ™ XJ ^un<^ -^s benutzt. Es muß daher der Dampf von Ru-

F₀ = 9 192 631 770 Hz bidium 87 der Zelle mit einer Strahlung mit der Fre-

gegeben ist. 30 quenz f₁₃ = (E₃ — E₁)Ih bestrahlt werden. Nun liegt

Nachstehend sind für ein Alkaliatom genannt: aber die Frequenz /₁₃ der Frequenz /₂₃ = (E₃ — E₂)Jh

E₁ der untere Pegel des Grundzustands sowie die sehr nahe. Es ist daher schwierig, wenn überhaupt unEnergie desselben, E₂ der obere Pegel des Grundzu- möglich, die Linie f₁₃ und /₂₃ mittels gewöhnlicher stands sowie die Energie desselben (E₂ > E₁), E₃ ein Interferenzfilter zu trennen. Es ist daher vorgeschlagen angeregelter Pegel sowie die Energie desselben, wobei 35 worden, die natürliche Koinzidenz zwischen den optider Pegel E₃ praktisch durch die Gesamtheit der Pe- sehen Linien /₂₃ der beiden Isotope Rubidium 85 und gel P₃/₂, P₁Z₂ gebildet wird. Rubidium 87 auszunutzen (während die Linien/₁₃

Bei Rubidium 87 beträgt E₂ — E₁ = 6834,6 MHz, dieser beiden Isotope verschieden sind). Hierfür wird

und E₃ — E₂ oder E₃ — E₁ > E₂ — E₁ beträgt größen- das Rubidium 87 der Zelle mittels einer Rb⁸⁷-Reso-

ordnungsmäßig 7800 bis 7950 Ä. 40 nanzlichtquelle durch ein Filter belichtet, welches durch

Nach einem Einsteinschen Gesetz ist die Wahrschein- ein Rb⁸⁵ enthaltendes Gefäß gebildet wird, welches nur lichkeit dafür, daß ein Atom von einem höheren Ener- die Frequenz f₁₃ hindurchläßt. Der Pegel E₁ wird also giepegel, z. B. E₂, auf einen tieferen Energiepegel, z. B. unter Anreicherung des Pegels E₃ gemäß dem Pfeil f₁₃ E₁, übergeht, gleich der Wahrscheinlichkeit dafür, daß der F i g. 7 verarmt. Durch spontane Emission fallen ein Atom aus dem Niveau E₁ auf das Niveau E₂ über- 45 Atome von dem Pegel E₃ auf die Pegel E₂ und E₁ zugeht. Um eine merkliche Energieabsorption oder rück (Pfeile /₁₃ und /₃₂). Dies hat eine Anreicherung -emission zwischen zwei Pegeln E₁ und E₂ herstellen zu des Pegels E₂ gegenüber dem Pegel E₁ zur Folge, d. h. können, muß daher eine Ungleichheit der Besetzung des oberen Energiepegels F = 2 auf Kosten der Atomzwischen diesen beiden Pegeln hergestellt werden, besetzung des unteren Pegels F=I. Wenn die Frewelche größer als die statistische Boltzmansche Un- 50 quenz des Oszillators, welcher den Hohlraum erregt, gleichheit bei Raumtemperatur ist. Der untere Pegel in welchem sich die Zelle mit Rb⁸⁷ befindet, der Hypermuß daher gegenüber dem oberen Pegel stärker be- feinfrequenz des Rb⁸⁷ (6834,6 MHz) entspricht, hat die setzt werden, oder es muß eine wirkliche Umkehrung ' Hyperfrequenzbestrahlung die Herstellung der Gleichder Besetzung erzeugt werden, indem der obere Pegel heit der Besetzungen der Pegel E₁ und E₂ (Pfeil /₂₁) zur gegenüber dem unteren Pegel überbesetzt wird. Es 55 Folge, was sich in einer Absorption des durch die Zelle werden daher verschiedene Kunstgriffe benutzt, um tretenden Lichts und einer Verringerung des austretendiesen merklichen Unterschied der Besetzung zwischen den Lichts, welches von einem photoelektrischen Deden Energiepegeln E₁ und E₂ zu erzeugen. tektor zur Anzeige der Resonanz empfangen wird,

Bei einer Atomuhr der bekannten Bauart von äußert.

Rabi mit einem Strahl von Zäsium 133 (und auch 60 Obwohl diese bekannten Uhren in zahlreichen Exembei einer jüngeren Bauart mit Thalliumstrahl) wird z. B. plaren hergestellt wurden und unter verhältnismäßig ein erster Magnet (von Stern — Gerlach) be- befriedigenden Bedingungen arbeiten, wobei die Uhr nutzt, um die Atome des Pegels F=A und des Pegels mit Zäsiumstrahl sogar als primäres Frequenznormal F = 3 (deren magnetische Momente entgegengesetzte zur Definition des »Zeit TAl« genannten Atomzeit-Zeichen haben) von einem aus einem Ofen kommenden 65 maßstabs gedient hat, weisen diese immerhin eine ge-Atomstrahl von Zäsium 133 zu trennen. Die Atome wisse Zahl von Nachteilen auf.

des Pegels F= 3 werden abgelenkt, während sich die Insbesondere müssen in einer Uhr mit Zäsiumstrahl

Atome des Pegels F=A der Achse nähern und durch Dauermagnete mit einem verhältnismäßig kleinen

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Luftspalt benutzt werden, um genügend starke Ma- ist und natürliches Rubidium (mit 75 % Atomen von gnetfelder (von 4000 bis 8000 Gauß) zur Ablenkung Rb⁸⁶ und 25% Atomen von Rb⁸⁷) enthält, wobei dieser der Atome zu erzeugen. Hierdurch wird der wirksame Ofen einen Atomstrahl 3 mit einem Anteil von 75 % Querschnitt der benutzbaren Atomstrahlen verringert, Rb⁸⁵ und 25% Rb⁸⁷ erzeugt. An dem Ausgang des wodurch das Verhältnis Signal/Rauschen bei der De- 5 Ofens besteht für die Atome des Rb⁸⁷ etwa eine gleiche tektion herabgesetzt wird, was eine weniger genaue Besetzung in den beiden Pegeln F=I und F = 2 des Einstellung auf die Resonanzfrequenz zur Folge hat Grundzustands, d. h. eine Gleichheit der Energieida die Schärfe der Spitze einer Resonanzlinie zu dem pegel E₁ und E₂ (in Wirklichkeit sind in dem unteren Verhältnis Signal/Rauschen proportional ist, mit wel- Pegel F = 1 eine ganz geringe Menge Atome mehr als chem die Linie beobachtet wird). io in dem oberen Pegel F = 2 vorhanden); Mittel zum Ferner muß in der Zone der Hyperfrequenzwechsel- optischen Pumpen, welche durch eine ringförmige oder wirkung ein gleichförmiges magnetisches Gleichfeld zwei Rb⁸⁵-Resonanzlampen 4 und Linsen 5 gebildet von z. B. größenordnungsmäßig 50 Milligauß her- werden, wobei dieses weiter unten genauer erläuterte gestellt werden, um die Degenerierung aufzuheben, was Pumpen die Wirkung hat, den Energiepegel E₁ (F — 1) eine sehr wirksame Abschirmung der Magnete zur Ver- 15 gegenüber dem Energiepegel E₂ (F = 2) anzureichern, hinderung zu großer Streufelder erfordert. Diese Ab- insbesondere für die Atome von Rb⁸⁷ mit den langschirmungen und die sich hieraus ergebenden Stör- samsten Geschwindigkeiten, da die Wirksamkeit des magnetisierungen sind nun eine Fehlerquelle bei der optischen Pumpens für die langsamen Atome größer ist, Bestimmung der absoluten Frequenz des Zäsium- welche länger in der von der Lampe 4 belichteten Zone atoms. 20 verbleiben, als für die schnellen Atome; eine Zone 6, Ein anderer zu der Genauigkeit des Apparats bei- in welcher die Atome des Rubidiumstrahls nach dem tragender Faktor ist an die Breite der Resonanzlinie optischen Pumpen einer dem Hyperfeinunterschied gebunden. In dem oben beschriebenen Apparat wird zwischen den Energiepegeln E₁ und E₂, nämlich die Methode der getrennten Felder von Ramsey 6834,6 MHz, entsprechenden Radio- oder Hyperfrebenutzt (man sieht nicht einen einzigen Hohlraum, 25 quenzbestrahlung mittels eines U-förmigen Hohlsondern zwei Hohlräume vor, welche durch einen ge- raums 7 unterworfen werden, durch dessen beide wissen Abstand getrennt sind und in Phase gespeist Schenkel la und Ib der Strahl 3 tritt. Diese Zone ist werden). Die Breite der Resonanzlinie ist dann an- einem magnetischen Gleichfeld If₀ geringer konstanter genähert durch v/L gegeben, worin ν die mittlere Ge- Stärke H₀ (von einigen 50 Milligauß) ausgesetzt, welschwindigkeit der Atome in dem Strahl und L der Ab- 30 ches die Degenerierung der Pegel F = 1 und F = 2 aufstand zwischen den Hyperfrequenzhohlräumen ist. hebt. Eine magnetische Abschirmung 8 isoliert diese In einem Atomstrahl ist ν durch eine Maxwellsche Zone 6 von den äußeren Magnetfeldern. Dieses Gleich-Verteilung bedingt. Damit nicht zu große Längen L feld 3^ ist zu der Richtung des magnetischen Hypergenommen werden müssen, müssen Atome mit lang- frequenzfeldes parallel und zu der Richtung des Atomsamen Geschwindigkeiten gewählt werden. Diese Ge- 35 Strahls senkrecht, um eine Verbreiterung der Resonanzschwindigkeitswahl erfolgt durch Verschiebung der linien_infolge des Dopplereffekts zu vermeiden. Das Strahlenquelle und des Detektors gegenüber der Achse Feld H₀ wird durch vier von einem Gleichstrom konder Uhr. Leider wird hierdurch der Raumwinkel der stanter Stärke durchflossene Längsdrähte 34'erzeugt; in die Magnete eintretenden Atome verringert, wo- Detektormittel mit einer Rb⁸'-Resonanzlampe (oder durch das Verhältnis Signal/Rauschen bei der Detek- 4° des natürlichen Rubidiums) 9, einem Rb⁸⁵ und ein tion herabgesetzt wird. Es muß daher ein Kompromiß Edelgas unter Druck (z. B. Neon unter 50 Torr) entbei der Wahl von V und L angenommen werden, wo- haltenden Gefäß 10, welches die Frequenzkomponente durch die Leistungen des Apparats herabgesetzt wer- /₂₃ zurückhalten aber die Frequenz /₁₃ des Rb⁸⁷ den. durchlassen soll (wie dies weiter unten unter Bezug-Bei einer eine Rubidiumdampfzelle benutzenden 45 nähme auf F i g. 6 genauer erläutert ist), einer Kolli-Uhr verringert man die Breite der Resonanzlinie und matorlinse 11, einer Sammellinse 12 für das nicht von erhöht die Wirksamkeit des optischen Pumpens, in- dem Atomstrahl absorbierte Licht und einem Detekdem man in die Zelle außer dem Rubidium 87 ein tor 13, welcher zweckmäßig durch einen Photoverviel-Edelgas einführt, wie Helium, Stickstoff, Neon oder fächer gebildet wird, auf welchen das durch den Strahl Argon. Die Zusammenstöße der Atome von Rb⁸⁷ mit 50 getretene Licht durch die Linse 12 konzentriert wird; den Molekülen des Puffergases erzeugen jedoch eine er- eine der eigentlichen Atomuhr zugeordnete elektronihebliche Frequenzverschiebung, welche von der Art sehe Anordnung 14 mit einem mit der Uhr gekoppel- und dem Druck des Puffergases sowie von der Tem- ten Quarzoszillator. Diese Anordnung ist weiter unten peratur und auch der Stärke des Lichts abhängt. Dies genauer beschrieben.

hat zur Folge, daß die Resonanzfrequenz der Zelle 55 Der Aufbau und die Arbeitsweise der verschiedenen durch eine Eichung bestimmt werden muß. Der Appa- Teile der eigentlichen Uhr und der elektronischen Anrät kann also nur als sekundäres Frequenznormal die- Ordnung sollen jetzt genauer beschrieben werden, nen. Der Ofen 2 (F i g. 2, 3, 4) besitzt einen durch eine Nach diesen Ausführungen über die Atomuhren mit isolierende Steatitscheibe gebildeten Sockel 15, einen Alkalimetallen der früheren Technik sollen jetzt unter 60 Körper 16 mit einem an der Scheibe befestigten Fuß 17, Bezugnahme auf F i g. 1 bis 4 die Ausbildung und auf einen von dem Hals 19 des Körpers 16 getragenen F i g. 5, 8 und 12 die Arbeitsweise einer bevorzugten Ejektor 18 und eine auf c en Hals 19 aufgeschraubte Ausführungsform einer Atomuhr mit Rubidiumstrahl Muffe 20. Der Körper 16 enthält eine axiale Blindbeschrieben werden. bohrung 21 für das Rubidium und Umfangskanäle 22, Die Uhr enthält im wesentlichen (F i g. 1) eine läng- 65 in welchen nicht dargestellte Heizwiderstände unterliche Vakuumkammer 1, einen weiter unten unter Be- gebracht sind. Der Ejektor 18 enthält eine Reihe von zugnahme auf F i g. 2 bis 4 näher beschriebenen Ofen 2, Längskanälen, welche durch Nickelrohre 23 mit einem welcher in dem unteren Teil dieser Kammer angeordnet Querschnitt von größenordnungsmäßig einem Qua-

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dratmillimeter gebildet werden. In die mittlere Boh- gelangt der Strahl in die Detektorgrenze 25 (vor seiner

rung 21 wird natürliches Rubidium eingefüllt und mit Kondensierung bei 24) mit einem gegenüber dem Pe-

Oktan überdeckt. Wenn die Widerstände in den Ka- gel E₂ angereicherten Pegel E₁. Die Resonanzlampe 9

nälen 22 von Strom durchflossen werden, verdampft für natürliches Rb oder Rb⁸⁷ sendet die vier Kompo-

das Oktan und hierauf das Rubidium, wobei die Tem- 5 nenten A, B, a, b aus. Das Gefäß 10 mit Rb⁸⁶ läßt nur

peratur gröBenordnungsmäßig 180⁰C beträgt. Die die Komponenten B und b durch, es ist jedoch nur die

Atome von Rb⁸⁵ und Rb⁸⁷ strömen durch die Rohre 23 Komponente b wirksam, welche gerade die Frequenz

des Ejektors 18 und bilden daher am Ausgang dersel- (E₃ — E₁)Jh hat, und daher von den Atomen des Rb⁸⁷

ben einen richtigen Strahl 3. des Strahls absorbiert werden kann, welche sich auf

In diesem Strahl findet man, wie oben angegeben, io dem Pegel JB₁ (Pfeil /₁₃ der F i g. 8) befinden. Das Er- 15⁰I₀ Atome von Rb⁸⁵ und 25% Atome von Rb⁸⁷. gebnis dieser Absorption ist schließlich eine Neube-Nachstehend sind nur noch die Atome von Rb⁸⁷ in dem Setzung des Pegels E₂ durch Zurückfallen von dem anStrahl der bevorzugten Ausführungsform betrachtet, geregten Pegel E₃ auf die Pegel E₂ und E₁ des Grundweicher die längliche Kammer 1 von unten nach oben zustands (gestrichelte Pfeile /₃₂ und f₃₁ der F i g. 8). durchströmt. Von diesen Atomen von Rb⁸⁷ des aus dem 15 Das optische Pumpen in dem unteren Teil des Strahls 3, Ofen austretenden Strahls 3 befindet sich, wie oben welches den Pegel E₁ anreichert, bewirkt eine Erhöhung ausgeführt, praktisch die gleiche Atomzahl in dem Zu- der Absorption der Komponente b in dem oberen Teil stand E₁ (5 ²S₁Z₂, F=I, m? = 0) wie in dem Zu- des Strahls (Zone 25) und somit eine Herabsetzung des stand E₂ (5 ²Su₂, F=I, rm? = 0), welche in F i g. 5 von dem Detektor 13 empfangenen Lichts,
und 8 dargestellt sind. 20 Wenn jetzt an den Hohlraum 7 eine Spannung mit

Die Vornahme des optischen Pumpens ist nächste- der Frequenz (E₂ — E₁)Ih = 6834,6 MHz angelegt hend unter Bezugnahme auf F i g. 5 und 6 erläutert. wird, um in der Zone 6 ein Hyperfrequenzfeld mit Tn F i g. 5 sind die tiefsten Energiepegel des Rb⁸⁷ im 6834,6 MHz zu erzeugen, bewirkt man die Sättigung einzelnen dargestellt. Die optische Resonanzlinie ist des Übergangs E₁ *-*■ E₂ der Atome des Rb⁸⁷ des eine Doppellinie D₁, Z)₂ mit den beiden Feinstruktur- 25 Strahls, d. h. die Gleichheit der Besetzung der Pegel E₁ komponenten D₁ (5 ²S₁I₂ — 5 ²P₁Z₂) und D₂ (5 ²S₁Z₂ und E₂, indem eine gewisse Zahl von Atomen des Rb⁸⁷ — 5 ²P₃I₂), gezeigt durch die Doppelpfeile für von dem Pegel E₁ auf den Pegel E₂ angehoben wird 7947,6 A bzw. 7800 Ä. Die Hyperfeinstrukturen des (Pfeil /₁₂), wodurch die Wirkung des vorherigen optiersten angeregten Zustands 5 ²P sind im allgemeinen sehen Pumpens aufgehoben wird. Der Rubidiumstrahl kleiner als die Dopplerbreite und werden daher ver- 30 gelangt also in die Zone 25 mit ebenso vielen Atomen nachlässigt, ebenso wie die Differenz zwischen D₁ und des Rb⁸⁷ auf dem Pegel E₂ wie auf dem Pegel E₁ und D₂, während die Hyperfeinstruktur des Grundzustands absorbiert daher weniger von der Komponente b in 5 ²S₁Z₂ im allgemeinen größer als die Dopplerbreite ist. dem System 9, 10, als wenn die Sättigung durch das Die Linien D₁ und D₂ trennen sich daher je in zwei von Hyperfrequenzfeld nicht stattgefunden hätte. Infolgeder Struktur des Grundzustands herrührende Hyper- 35 dessen wird der von dem Detektor 13 gelieferte Strom feinkomponenten. Im allgemeinen addisren sich in der vergrößert, wenn das Hyperfrequenzfeld angelegt wird, hier benutzten Art des optischen Pumpens die Effekte Genau ausgedrückt, der von dem Detektor 13 gelieder Linien D₁ und D₂. Wenn daher nur die eine oder ferte Strom durchläuft ein Maximum, wenn die Fredie andere der Linien D₁ und D₂ betrachtet wird, ent- quenz des von dem Doppelhohlraum 7 erzeugten Feihalten die Resonanzlinien des Atomgemischs von Rb⁸⁵ 40 des den Wert 6834,6 MHz erreicht,
und Rb⁸⁷ vier Hauptkomponenten A und B für das Die elektronische Anordnung 14 enthält einen die Rb⁸⁵ und α und b für das Rb⁸⁷. Wie aus F i g. 6 hervor- Ausgangsgröße des Photovervielfachers 13 verstärkengeht, fallen die optischen Linien A von Rb⁸⁵ und α von den Audiofrequenzverstärker 26, einen Quarzoszilla-Rb⁸⁷ praktisch zusammen, während die optischen Li- tor 27, ein Steuersystem 28 zur automatischen Einnien B von Rb⁸⁵ und b von Rb⁸⁷ verschieden sind, und 45 stellung der Frequenz des Oszillators 27 auf die Atomzwar sowohl für D₁ als auch für D₂. resonanzfrequenz von 6834,6 MHz und eine Vorrich-

Diese Tatsache wird zur Vornahme des optischen tung 29 zur Frequenzsynthese, welche gestattet, von Pumpens von dem Pegel E₂ (5 ²S₁1₂, F= 2, niF = 0) auf der Frequenz des Oszillators (welche eine Teilfreden Pegel E₃ (erster angeregter Zustand P) ausgenutzt, quenz von 6 834 682 '614 Hz ist) auf eine Frequenz in indem die Atome von Rb⁸⁷ des Atomstrahls 3 mit 50 runden Zahlen überzugehen, z. B. 5 MHz, sowie auf einer Rb⁸⁵-Resonanzlampe 4 bestrahlt werden. In- die üblichen Frequenzen von 1 und 0,1 MHz.
folgedessen hat nur die Komponente A des Rb⁸⁵, Das Steuersystem 28 enthält einen Frequenzvervielwelche die gleiche Frequenz wie die Komponente α des fächer 30, welcher die Frequenz des Oszillators 27 Rb⁸⁷ hat, eine Wirkung. Sie regt im besonderen die (von gtößenordnungsmäßig 5 MHz) mit einer solchen Atome des Pegels E₂ (F = 2) an, indem sie diese auf 55 Zahl multipliziert, daß die vervielfachte Frequenz den angeregten Pegel ²P (Pfeil J₂₃ der F i g. 8) bringt. 6834,6 MHz ist; einen Modulator 31 mit sehr niedriger Die Atome bleiben auf diesem Pegel während einer Frequenz (z. B. 30 Hz), welcher die Ausgangsgröße mittleren Zeit, welche gleich der Lebensdauer dieses des Vervielfachers 30 frequenzmoduliert, um in dem angeregten Zustands ist (größenordnungsmäßg 1O^-8Se- Hohlraum 7 die Resonanzlinie zu bestreichen, was eine künden), worauf sie in den Grundzustand zurückfallen, 60 Amplitudenmodulation mit der gleichen sehr niedrigen indem sie sich auf die beiden Pegel E₁ (F = 1) und E₂ Frequenz des auf den Detektor 13 fallenden Licht-(F = 2) aufteilen, wie dies durch die gestrichelten bündeis und somit des aus dem Verstärker 26 austre-Pfeile/₃₁ und /₃₂ dargestellt ist. Schließlich hat das op- tenden Stroms / zur Folge hat (auf diesen Punkt wird tische Pumpen die Wirkung, einen Teil der Atome von noch unter Bezugnahme auf F i g. 12 eingegangen werdem Pegel E₂ auf den Pegel E₁ zu überführen, so daß 65 den); einen Phasendetektor 32, welcher die Phasenalso dieser letztere Pegel angereichert und der Pegel E₂ differenz zwischen der angelegten Modulation (mit verarmt wird. 30 MHz) und der wiedergegebenen Modulation (des

Bei Fehlen eines Hyperfrequenzfeldes in der Zone 6 Stroms 7) bestimmt und das Fehlersignal bildet, wel-

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ches die Frequenz des Quarzoszillators 27 mittels der strahl oder den Uhren mit Rubidiumdampf der f rühe-

Frequenzsteuervorrichtung 33 steuert. ren Technik, deren Prinzipien oben erläutert wurden.

Unter Bezugnahme auf F i g. 12 soll nun einerseits 1. Die erfindungsgemäße Uhr ermöglicht die Her-

die Bedeutung der Verwendung eines doppelten stellung eines primären oder absoluten Frequenznor-

U-f örmigen Hyperf requenzhohlraums 7 mit zwei Sehen- 5 mais in dem Sinn, daß die Frequenz der Resonanz in

kein la und Ib und andererseits die Herstellung eines sehr großer Nähe der Bohrschen Frequenz des freien

Fehlersignals mittels der Niederfrequenzmodulation er- Atoms liegt. Da sich insbesondere die Rb-Atome im

läutert werden. Vakuum bewegen, treten keine Frequenzverschiebun-

Die Kurven I₁ und I₂ zeigen die Änderung der Am- gen infolge von Zusammenstößen der Rb-Atome mit plitude der Stromstärke / in Funktion der Frequenz io den Molekülen des Puffergases auf, wie bei den Uhren des an den Hohlraum 7 angelegten Signals für den Fall, mit Alkalidampfzellen. Aus dem gleichen Grunde wird daß dieser Hohlraum ein einfacher Hohlraum (mit der Temperatureffekt minimal gemacht, einer Länge gleich der von dem Atomstrahl in einem Ferner sind in dem Rb-Strahl die Zonen des optieinzigen Schenkel durchlaufenen Länge) bzw. ein sehen Pumpens und der optischen Detektion scharf U-förmiger Hohlraum (wie dargestellt) ist. Wie man 15 von den Wechselwirkungszonen der Hyperfrequenzsieht, ist die Breite der Resonanzlinie in dem zweiten felder getrennt, wodurch die Frequenzverschiebungen Fall erheblich kleiner. Tatsächlich ist diese Breite zu vermieden werden, welche von den durch das Pumpder Gesamtlänge des einfachen Hohlraums in dem er- licht erzeugten virtuellen Übergängen herrühren. Dieser steren Fall oder des Abstands zwischen den Hohlräu- Effekt ist bei Uhren mit Alkalidampfzellen besonders men in dem zweiten Fall umgekehrt proportional (ein 20 störend und schwer zu beseitigen. Bei der erfindungseinfacher Hohlraum großer Länge kann nicht benutzt gemäßen Ausführung ist es dagegen durch einen sorgwerden, da infolge der Abmessungen der der Frequenz fältigen Aufbau möglich, eine Streuung des Pump- oder von 6834,6 MHz entsprechenden Wellenlänge nicht die Detektorlichts in die Wechselwirkungszone der Hochgleiche Phase auf der ganzen Länge eines derartigen frequenzfelder zu vermeiden.

Hohlraums vorhanden sein kann). Die Breite der Re- 25 2. Da kleine Magnete zur Fokussierung oder Ab-

sonanzlinie ist in Wirklichkeit gleich v/L. Durch die lenkung benutzt werden, kann der Apparat leicht ma-

Anwendung der Erfindung werden die langsamen Ato- gnetisch abgeschirmt werden, wodurch die Effekte der

me begünstigt, wodurch also die Resonanzlinie noch von dem Magnetfeld herrührenden Frequenzverschie-

verkleinert wird. bungen verringert werden.

Die Modulation der Phase des Oszillators mit sehr 30 3. Da der Öffnungswinkel des Atomstrahls nicht

niedriger Frequenz und die Benutzung einer synchro- mehr durch die Luftspalte der Magnete zur Fokussie-

nen Detektion (Phasendetektion) des aus dem Detek- rung oder Ablenkung begrenzt wird, können verhält-

tor 13 austretenden Signals mit sehr niedriger Frequenz nismäßig kräftige Atomstrahlen benutzt werden, wo-

ermöglichen, die abgeleitete Kurve V₁ von I₁ bzw. V₂ durch das Verhältnis Signal/Rauschen bei der Detek-

von I₂ zu erhalten. Die Steigung von V₂ ist in der Nähe 35 tion beträchtlich vergrößert wird,

von 6834,6 MHz erheblich größer als die von V₁. Das 4. Die optische Detektion ist verhältnismäßig ein-

Fehlersignal, welches zu dieser Steigung proportional fach gegenüber der Detektion durch Oberflächenioni-

ist, ist also in dem Fall eines Doppelhohlraums größer. sierung, welche bei den Uhren des Typs Rabi verwendet

Für eine Frequenzänderung von df beträgt das Fehler- wird und häufig die Benutzung eines Massenspektro-

signal di. Man erhält so ein positives oder negatives 40 graphen erfordert.

Fehlersignal, je nachdem, ob man sich auf der einen 5. Die optischen Techniken zum Pumpen und zur

oder der anderen Seite der Resonanzfrequenz befindet. Detektion begünstigen die langsamen Atome des

Dieses Fehlersignal dient in dem Steuersystem zur Strahls. Wenn man nämlich in der Zone arbeitet, in

Festlegung der Frequenz des Quarzoszillators auf welcher die optischen Effekte linear sind, was praktisch

die Frequenz der Hyperfeinresonanz des Rb⁸⁷ 45 bei den Stärken der verfügbaren Lichtquellen der Fall

(6834,6 MHz). ist, sind die Wirksamkeit des optischen Pumpens und

Zur Vergrößerung des Ausgangssignals des Photo- die Größe des Detektorsignals beide zu der Verweil-

vervielfachers 13 kann man das von dem System 9,10, zeit der Atome in der bestrahlten Zone proportional,

11 erzeugte Detektorlicht mehrere Wege durch den , , ν · j j· _T ·· j -ι. ± ι t.i nr cu Li j 11 * 1 π U TT-1C ο- ι d. h. zu / = —r, worm d die Lange des bestrahlten We-Strahl durchlaufen lassen, z. B. mit Hufe von Spiegeln. 50 d ' ⁶

Es muß jedoch eine zu große Menge an Detektorlicht ges und ν die Geschwindigkeit des Atoms ist. Da das vermieden werden, da ein übermäßiges derartiges Licht Verteilungsgesetz der Geschwindigkeiten ein Gesetz den Pegel E₁ schneller entleeren kann, als das Pumpen , „ _ „₉ .. m . , ,, . „ , . 1 . durch das System 4, 5 diesen Pegel besetzen kann, so ^{nach v} '⁶^^{mit a} = 'IkT ^lst> S^{eht ein Faktor}T ⁱⁿ daß ein scharfes Strommaximum / bei der Resonanz 55 das Hochfrequenzresonanzsignal ein, wenn man sich verschwindet, wodurch das Verhältnis Signal/Rauschen in der linearen Zone weit von der Sättigung beverringert wird, findet.

Die oben unter Bezugnahme auf F i g. 1 bis 6, 8 und Bei den Methoden zur magnetischen Ablenkung des

12 beschriebene Atomuhr mit Rubidiumstrahl besitzt Typs Rabi ist dann die effektive mittlere Geschwindigzahlreiche Vorteile gegenüber den Uhren mit Zäsium- 60 keit durch folgende Formel gegeben:

Jv dN	/>·	e-fl2dv	2I	fr	2
JdN	e-^2dv	π \	I a	π

2nkT m

Bei dem Pumpen und der optischen Detektion gemäß der Erfindung tritt ein zusätzlicher Faktor —für

das Pumpen und ein Faktor — für die Detektion auf, d. h. ein Faktor -^

JvdN jve-^av-äv \ JdN ~

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

Die Atomuhr der in F i g. 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. Der 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 F i g. 1 befindet. Außerdem würde dann der Detektor 13 der Lampe 4 mit Rb⁸⁵ gegenüber angeordnet werden. Die Uhr würde dann in der in F i g. 9 dargestellten Weise arbeiten, wobei das Licht des Systems 9,10,11 mit seiner Komponente b die Atome von Rb⁸⁷ des Strahls von dem Pegel E₁ auf den Pegel E₃ (Pfeil /₁₃) pumpt, von wo sie wieder auf die Pegel E₁ und E₂ (Pfeile /₃₁ und /₃₂) herunterfallen würden, was eine Anreicherung des Pegels E₂ gegenüber dem Pegel E₁ zur Folge hat. Auf diesem Pegel E₂ sind die Atome von Rb⁸⁷ in der Lage, vorzugsweise die Komponente A der Lampe 4 mit Rubidium 85 zu absorbieren (Pfeil /₂₃), während der Hohlraumresonator 7 wie in dem ersten Fall den Ausgleich der Besetzungen der beiden Pegel E₁ und E₂ bewirkt.

Wie man sieht, sind die beiden Schemata der F i g. 8 und 9 für die Atome von Rb⁸⁷ geeignet.

Der Apparat der F i g. 1 bis 4 könnte auch bei Benutzung der Atome von Rb⁸⁶ des Strahls arbeiten, wobei dann das optische Pumpen an dem Fuß durch eine durch ein Gefäß mit Rb⁸⁷ gefilterte Lampe mit Rb⁸⁵ erfolgt, während die optische Detektion oben an dem Strahl durch eine ungefilterte Lampe mit Rb⁸⁷ erfolgt, wobei die Erregerfrequenz des U-förmigen Hyperfrequenzhohlraums jetzt 3036 MHz beträgt, was dem Hyperfeinabstand zwischen den Pegeln E₂ (F = 3) und E₁ (F = 2) des Grundzustands des Rb⁸⁵ entspricht, wie dies aus F i g. 6 hervorgeht.

In F i g. 10 ist die Anwendung eines derartigen optisehen Pumpens und einer derartigen optischen Detektion für die Atome von Rubidium 85 dargestellt. Das Pumpen am Fuß durch die durch das Rb⁸⁷ gefilterte Rb⁸⁶-Lampe hat zur Folge, daß die Atome von Rb⁸⁵ von dem Pegel E₁ auf den angeregten Pegel E₃ (Pfeil /₁₃) übergehen, von wo sie wieder auf die Pegel E₂ und E₁ (Pfeile /₃₂ und /₃₁) zurückfallen. Hierdurch wird der Pegel E₂ gegenüber dem Pegel E₁ angereichert. Die optische Detektion bewirkt den Übergang der Atome von Rb⁸⁵ von dem Pegel E₂ auf den Pegel E₃ (Pfeil /₂₃). Die Sättigung der Resonanzlinie (E₂ — E₁)Ih bei 3036 MHz durch den Hyperfrequenzhohlraum bewirkt die Gleichheit der Besetzung der Pegel E₁ und E₂ und somit die Verringerung der durch das optische Pumpen hergestellten Überbesetzung von E₂, was eine Verringerung des Lichts der Rb⁸⁷-Detektorlampe beim Durchgang durch den Strahl zur Folge hat. Man erhält also ein Maximum des von dem der Rb "-Detek

torlampe gegenüber angeordneten Detektor gelieferten Stroms beim Durchgang durch die Resonanz.

Man kann übrigens bei der Benutzung der Atome von Rb⁸⁵ eines Strahls die in F i g. 11 dargestellte Ausführungsabwandlung verwenden, bei welcher das Pumpen gemäß dem Pfeil /₂₃ zwischen den Pegeln E₂ und E₃ durch eine ungefilterte Rb^S7-Lampe erfolgt, während die Detektion gemäß dem Pfeil /₁₃ durch eine durch ein Gefäß mit Rb⁸⁷ gefilterte Rb⁸⁵-Lampe erfolgt.

Es ist zu bemerken, daß die die erfindungsgemäßen Verbesserungen anwendenden Schemata der F i g. 8, 9,10 und 11 dadurch gekennzeichnet sind, daß ein optisches Pumpen zwischen einem der Pegel E₁ oder E₂ des Grundzustands und dem angeregten Pegel E₃ und eine optische Detektion zwischen dem anderen Pegel (E₂ bzw. E₁) des Grundzustands und dem angeregten Pegel E₃ vorgenommen wird, wobei der Hyperfrequenzhohlraum mit der dem Unterschied zwischen den beiden Pegeln E₁ und E₂ des Grundzustands entsprechenden Frequenz gespeist wird.

Obwohl die Erfindung im besonderen für Rb⁸⁷ oder Rb⁸⁵ beschrieben wurde, kann sie auch mit einigen Abänderungen für die anderen Alkaliatome verwendet werden, wie Natrium, Kalium oder Zäsium.

Bei diesen Atomen kann jedoch die Hyperfeinfilterung 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 z. B. kann eine Zelle, welche Zäsiumdampf von 125°C enthält und in ein Feld von 8,3 kG gebracht ist, als Hyperfeinfilter benutzt werden. Man kann auch Halbleiterlaser des Typs Ga Asi-._x P_x benutzen, deren ausgesandte Frequenz durch Beeinflussung der Zusammensetzung χ und der Temperatur verschoben werden kann. Ein derartiger Laser besitzt eine einer Komponente des Cs¹³³ entsprechende 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
1404 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 be-

finden sich in dem beschränkten Raum der Zelle in Form eines Dampfs. Dieser wesentliche Punkt hat erhebliche Folgen für die Genauigkeit und die Stabilität der Atomuhr oder des Frequenznormals.

a) So erzeugt im besonderen in dem Fall 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. Dies hat zur Folge, daß die Kenntnis der Frequenz einer Uhr mit Alkalidampf zelle eine vorherige Messung erfordert. Anders ausgedrückt, diese Uhren arbeiten als sekundäres Frequenznormal, während 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/Rauschen bei der Detektion genügende Atomdichte zu erhalten. Unter diesen Bedingungen können bei einer Zelle die Betriebstemperaturschwankungen 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 Temperatureffekte viel weniger ausgeprägt.

b) Außerdem, obwohl errindungsgemäß 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 Rechteckmodulation des Lichts oder des Radiofrequenzfeldes. Erfindungsgemäß werden das Pumplicht oder das Detektionslicht und das Radiofrequenzfeld kontinuierlich ausgesandt. Dies hat eine Vereinfachung der elektronischen Erreger- und Steuersysteme zur Folge.

c) Die Tatsache, daß das optische Pumpen in der französischen Patentschrift 1404 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 Pumplichts 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, größenordnungsmäßig 0,2 Millisekunden, und zur Erzielung eines guten Verhältnisses Signal/Rauschen müssen kräftige Strahlen mit Bündeln mit großer Öffnung benutzt werden, und die Erfindung besteht in dieser besonderen Technik, welche in den Alkalidampf zellen fehlt.

2. Atomuhr nach der USA.-Patentschrift 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 USA.-Patentschrift erwähnt.

Die Tatsache, daß in dieser USA.-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 anschlie-

t5 ßend auf einen Ionisierungsdetektor fokussiert werden.

In der vorliegenden Erfindung werden die Atome

nicht getrennt, sondern es wird durch das optische Pumpen die Atombesetzung eines der Hyperfeinenergiezustände angereichert. Ebenso erfolgt die Detektion durch eine optische Methode, welche den durch die Radiofrequenz erzeugten Besetzungswechsel feststellt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Mit einem Atomstrahl, insbesondere von Alkaliatomen, im besonderen von Rubidiumatomen, arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal mit wenigstens drei aufeinanderfolgenden wachsenden Energiepegeln, nämlich zwei Pegeln E₁ und E₂ im Grundzustand und einem Pegel E₃ im 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 E₁ oder E₂ und dem angeregten Zustand E₃ entspricht, einem Hohlraumresonator (7), in welchem er einem Magnetfeld mit einer dem Energieunterschied zwischen den Pegeln E₁ und E₂ des Grundzustands entsprechenden Frequenz ausgesetzt wird, und eine Zone (9, 10, 11, 12, 13) zur optischen Detektion 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 E₂ oder E₁ und dem angeregten Pegel E₃ 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 Gleichfeld mit einer dem Energieunterschied zwischen den beiden Pegeln des Grundzustands der Atome entsprechenden Frequenz erzeugen, Mittel zur optischen Detektion (9, 10, 11), welche auf den Strahl nach seinem Durchtritt durch den Hohlraum ein Detektionslicht mit der dem Energieunterschied zwischen dem anderen Pegel des Grundzustands

und dem Pegel des angeregten Zustands entsprechenden Frequenz richten, und Einrichtungen (12, 13) zur Detektion des Lichts, welches von den Mitteln zur optischen Detektion ausgesandt wurde und durch den Strahl nach dem Durchgang desselben durch den Hohlraum getreten ist.

3. Atomuhr mit Rubidium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen (2) natürliches Rubidium enthält und einen Strahl von Rb⁸⁷-Atomen und Rb⁸⁵-Atomen erzeugt, wobei die Mittel zum optischen Pumpen eine Rb⁸⁵-Resonanzlampe (4) zur Anreicherung des Pegels E₁ (F = 1) des Grundzustands gegenüber dem Pegel E₂ (F = 2) dieses Zustands der Rb⁸⁷-Atome aufweisen, wobei der Hohlraum (1) mit einer Frequenz von 6834,6 MHz gespeist wird und die Mittel zur optischen Detektion eine durch einen Rb⁸⁵-Behälter (10) gefilterte Resonanzlampe (9) mit natürlichem Rubidium oder Rb⁸⁷ umfassen, wobei der Detektor (13), z. B. ein Photovervielfacher, das Licht empfängt, welches von der zuletzt genannten Lampe ausgesandt wird und durch den Behälter und den Strahl getreten ist.

4. Atomuhr mit Rubidium nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen (2) natürliches Rubidium enthält und einen Strahl von Rb⁸⁷-Atomen und Rb⁸⁵-Atomen erzeugt, wobei die Mittel zum optischen Pumpen eine durch einen Rb⁸⁵-Behälter (10) gefilterte Resonanzlampe mit natürlichem Rubidium oder Rb⁸⁷ zur Anreicherung des Pegels E₂ (F = 2) des Grundzustands gegenüber dem Pegel E₁ (F = 1) dieses Zustands der Rb⁸⁷-Atome umfassen, wobei der Hohlraum (7) mit einer Frequenz von 6834,6 MHz gespeist wird und die Mittel zur optischen Detektion eine Rb⁸⁵-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 länglichen Körper (21) aufweist, welcher eine axiale Blindbohrung, Heizelemente enthaltende Umfangskanäle (22) und einen in dem Hals (19) der axialen Bohrung angeordneten Ejektor (18) aufweist, welcher eine Reihe von den Strahl bildenden parallelen Rohren (23) kleineren Durchmessers enthält.

6. Atomuhr nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen den Strom der optischen Detektion, 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 Rubidium enthält und einen Strahl von Rb⁸⁷-Atomen und Rb⁸⁵-Atomen erzeugt, daß die Mittel zum optischen Pumpen eine durch einen Rb⁸⁷-Behälter gefilterte Rb⁸⁵-Resonanzlampe zur Anreicherung des Pegels E₂ (F = 2) des Grundzustands gegenüber dem Pegel JB₁ (F = 1) dieses Zustands der Rb⁸⁵-Atome umfassen, daß der Hohlraum (7) mit einer Frequenz von 3036 MHz gespeist wird und und daß die Mittel zur optischen Detektion eine Resonanzlampe für natürliches Rubidium oder Rb⁸⁷ umfassen, wobei der Verstärker, z. B. ein Photovervielfacher, das Licht empfängt, 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, welche als Alkaliatome Natriumatome, Kaliumatome oder Zäsiumatome benutzt, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Pumpen und/oder die optische Detektion mit Hilfe eines Halbleiterlasers erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 009 548/349