DE1933652C - Mit einem Strahl von Atomen, ins besondere Alkaliatomen, arbeitende Atom uhr oder Atomfrequenznormal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die mit Atomstrahl^ arbei- Bekanntlich besitzt ein Atom* insbesondere ein tendon 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. FUr besonderen Rubidiumatomen, arbeitenden. die alkalischen Atome wird der Pegel des Grund-, Sie bezweckt insbesondere die Herstellung eines 5 zustande von den Faohleuten Pegel S₁^ genannt, und Normals oder einer Uhr mit einer sehr großen Fre- der erste angeregte Zustand umfaßt zwei Pegel Pj/, quenzstabilitat, insbesondere auf lange Sicht, welche und P_a/_a 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. 10 den Pegeln P₁^ und P₃/a einerseits und dem Pegel Sj/_a

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 Sj/_a des deren Rubidiumatomen, verwendende Uhr oder Grundzusiands und der Pegel P₁I₂ je in zwei Hyper-Frequenznormal mit wenigstens drei aufeinander- _{feinstrukturpege}i/,-== / l._Und F= /+ i--wahrend folgenden zunehmenden Energiepegeln, nämlicn zwei 15 ^PB 2 2
Pegeln E₁ und E₁ im Grundzustand und einem Pegel £_a sich der Pegel P₃I₂ in vier Hyperfeinstrukturpegel im angeregten Zustand, weiche dadurch gekenn- 3 I 1 , 3 _terteilt .Schließlich zeichnet ist, daß der Atomstrahl nacheinander im. 2 ' 2 ' ^T 2 ' ^T 2 __^ Vakuum durch eine optische Zone, in welcher er von unterteilen sich in einem magnetischen Gleichfeld //„ einer Quelle von nicht polarisierten Strahlungen mit ao mit konstanter Stärke H₀ die verschiedenen Energieeiner dem Pegelunterschied zwischen einem der pegel in Zeeman-Unterpegel, deren Abstand in einem Grundpegel £, oder £_a und dem angeregten Zustand £₃ 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- (Rb⁸') dargestellt. Diese umfassen den Grundzustand gesetzt wird, dessen Frequenz dem Energieunterschied »5 S₁Z₂, welcher in dhsem Fall ein Zustand 5⁸S₁Z₂ mit zwischen den Pegeln E₁ und £₂ des Grundzustands seinen beiden Pegeln F=I und F == 2 ist, da das entspricht, und eine Zone zur optischen Detektion in _{Kernmoment7 von Rb87 gleich} } _{ist; die} beiden ersten welcher er durch emc Quelle von nicht polarisierten ivcn.iiiuim.m.i vumxu _e^· ₂
Strahlen mit einer dem Energieunterschied zwischen angeregten Pegel 5²P₁Z₂ und 5²P₃I₂, welche sich in dem anderen der Pegel des Grundzustands £j oder £₂ 30 zwei Pegel F = 2 bzw. F=I und in vier Peg»;l F=O, und dem angeregten Pegel £, entsprechenden Frequenz F=I, F --2, F—3 unterteilen; die Doppellinie bestrahlt wird, tritt. 7800 Ä, 7947,6 Ä zwischen den Pegeln 5²P_3/2 und

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme 5²S,/₂ einerseits und zwischen den Pegeln 5²P₁Z₂ und

auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. 5⁸S₁Z₂ andererseits; den der Frequenz von 6834,6 MHz

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

einem Rubidiumstrahl arbeitendes Frequenznormal F= 2 und F=-- 1 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-UnterpegelwF bei Anlegung

ofens der Uhr der Fig. 1; eines Magnetfeldes//^ mit einer von Null verschie-

F i g. 3 und 4 sind Schnitte längs der Linien Ι1Ι-ΙΠ 40 denen Stärke H₀ zur Aufhebung der Degenerierung,

bzw. IVIV 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-Ver-

Rubidium 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 / = (E₈ — Et)Ih zu absor-

F i g. 8 zeigt die in der Rubidiumuhr der F i g. 1 :>o bieren oder auszusenden, wobei E₈ und Et 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

weiche 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 ig. 12 zeigt das abgeleitete Signal, welches bei ben), während Ii die Piancksche Konstante ist. Im Versuchen in der Uhr gemäß F i g. 1 mit zwei getrenn- Gleichgewichtszustand ist nur die Absorption inögten Hohlraumrcsonatorcn oder einem einzigen Hohl- lieh, welche mehr Atome aus dem Zustand Ei in den raumresonator erhalten wurde. Zustand E₈ als Atome aus dem Zustand E₃ in den Zuvor einem Eingehen auf eine bevorzugte Ausfüh- 60 stand £,· bringt. Einstein hat nachgewiesen, daß die rungsform einer erfindungsgemäi'en 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 a b i und die mit Dampf Zurückfallen von Atomen nach einer kennzeichnenden von Rubidium 87 arbeilende Uhr sowie an die physi- 65 Verweildauer in dem oberen angeregten Zustand auskalischcn Grundsätze, auf welchen diese bekannten gesandt wird, und die stimulierte Emission, bei welcher Atomuhren sowie die crlindungsgcmäßcn Atomuhren eine zusammenhängende Strahlung durch Zurückheruhen. erinnert. fallen von Atomen unter der Wirkung einer Bestrah-

^rtimM^n^^^fV ^eincn Hohlraum oder vielmehr ein Paar von Hohl-

f^fi ' η ι _nsi ^{8S1On berulU (as Arbei}" ^rä»^me" »«»«η, in welchen sie einen Hyperfoinübergung

η f !ι« mit JJn Tj γ ... u · zwischen den Pegeln F, und F, erfahren, wobei eine ge-

Bei den m einem Alkalimetall arbeitenden Atom- wisse Zahl von Atomen auf den Pegel F_n zurückfallt.

u lii ,η» «Li R ^{k Und der} ,^Erfinclun8 wird 5 Nach diesem Hyperfeinübergang werden die Atome in

zur .Herstellung eines Frequenznormals der magnet den beiden Zustanden F » 3 und F « 4 dem Einfluß

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

t = l des urunazustanas Ä_l/; für m, », ο ausgenutzt, chen in einem der Zustände auf einen mit Oberflächen-

da dieser Übergang für die Wirkungen dts Magnet- ionisierung arbeitenden Dstektor'fokussiert, welcher

feldes sehr wenig empfindlich ist. _{10 durch einen auf} ,(χχτ K erhitzten Wolframdraht gc-

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 Hyperfeinrcsonanz des

gnetischen Übergangs zwischen den beiden nachstehen- Zäsiums ist

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

μ'-5JS F = 2 —0 Zelle Rubidium 87 untergebracht, und diese Zelle ist in

".."Ji *· .i/jt.r.. . ,. F — v einem Hyperfrequenzhohlraum angeordnet. Es werden

5 ³S₁Z₈, F = 1, wiF = 0 drei Pegel benutzt, wie in F i g. 7 dargestellt, nämlich

ein Pegel £,, welcher der Pegel F - 1 des Grundzu-

dessen Frequenz / = /, + 573 H^a (in Hz) ist, worin /„ ao 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. Hch ein dritter Pegel E₃, welcher die Gesamtheit des an-

Ebenso wird in den bekannten mit einem Zäsium- geregten Zustande P_x,₂ «nd P₃₂ der F i g. S darstellt,

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

zwischen den Energiepegeln F =-- 4, m_P = 0 und F = 3, 25 Setzung zwischen den Pegeln £₂ und E₁ wird die Me-

niF - 0 des Grundzustands benutzt, dessen Frequenz F thode des optischen Pumpens einer der Erfinder, näm-

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

F = 9 192 631 770 Hz ^unc^ ^³ '^3enu^^z'· ^s ^mu^ daher der Dampf von Ru-⁰ bidium 87 der Zelle mit einer Strahlung mit der Fregegeben ist. 30 quenz /₁₃ ■■= (E₃ - £,)//i bestrahlt werden. Nun liegt

Nachstehend sind für ein Alkaliatom genannt: aber die Frequenz /_I3 der Frequenz /₂₃ (£₃ - E₂)Ih

E₁ der untere Pegel des Grundzustands sowie die sehr nahe. Es ist daher schwierig, wenn überhaupt unEnergie desselben, £_a der obere Pegel des Grundzu- möglich, die Linie /₁₃ 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 £₃ praktisch durch die Gesamtheit der Pe- sehen Linien /_M der beiden Isotope Rubidium 85 und gel P₃I₂, P₁I₂ gebildet wird. Rubidium 87 auszunutzen (während die Linien f_n

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

und £₃ - E₂ oder E₃ - E₁ > E₂ ~ E_x beträgt größen- das Rubidium 87 der Zelle mittels einer Rb⁸⁷-Reso-

ordnungsmäßig 7800 bis 7950 A. 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 /₁₃ hindurchläßt. Der Pegel E₁ wird also giepegel, z. B. £₂, auf einen tieferen Energiepegel, z. B. unter Anreicherung des Pegels £₃ gemäß dem Pfeil /₁₃ E₁, ühergeht, gleich der Wahrscheinlichkeit dafür, daß der F i g. 7 verarmt. Durch spontane Emission fallen ein Atom aus dem Niveau E₁ auf das Niveau £₂ über- 45 Atome von dem Pegel £₃ auf die Pegel E, und E₁ zugeht. Um eine merkliche Energieabsorption oder rück (Pfeile /₁₃ und A₂). Dies hat eine Anreicherung -emission zwischen zwei Pegeln £, und £₂ herstellen zu des Pegels E₂ gegenüber dem Pegel E_x 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 Rb⁸'(6834,6 MHz) entspricht,, hat die setzt werden, oder es muß eine wirkliche Umkehrung Hyperfrequenrbestrahlung die Herstellung der Gleichder Besetzung erzeugt werden, indem der obere Pegel heit der Besetzungen der Fegel £, und £₂(Pfeil /_2I) 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 merkliehen Unterschied der Besetzung zwischen den Lichts, welches von einem photoelektrischen Deden Energiepegein E_x und E₂ zu erzeugen. tektor zur Anzeige der Resonanz empfangen wird,

Hei einer Atomuhr der bekannten Bauart von äußert.

Ra bi mit einem Strahl von Zäsium 133 (und auch 60 Obwohl diese bekannten Uhren in zahlreichen Excmbei 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 — 4 und des Pegels mit Zäsiumstrahl sogar als primäres Frequenznormal /·' 3 (deren magnetische Momente entgegengesetzte zur Definition des »Zeit TA!« 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 /·" ■- 3 werden abgelenkt, während sich die Insbesondere müssen in einer Uhr mit Zäsiumstrahl

Amme des Pcccls F - 4 der Achse nähern und durch Dauermagnete mit einem verhältnismäßig kleinen

Luftspalt benutzt werden, um genügend starke Ma- ist und natürliches Rubidium (mit 75% Atomen von gnetfelder (von 4000 bis 8000 Gauß) zur Ablenkung Rb^es und 25 °/₀ Atomen von Rb⁸') 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, Rb" und 25% Rb⁸⁷ erzeugt. An dem Ausgang des wodurch das Verhältnis Signal/Rauschen bei der De- 5 Ofens besteht für die Atome des Rb⁸' etwa eine gleiche tektion herabgesetzt wird, was eine weniger genaue Besetzung in den beiden Pegeln F=I und F= 2 de? Einstellung auf die Resonanzfrequenz zur Folge hat Grundzustands, d. h. eine Cileichheit 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=I eine ganz geringe Menge Atome mehr als ehern die Linie beobachtet wird). io in dem oberen Pegel F= 2 'iorhanden); Mittel zum

Ferner muß in der Zone der Hyperfrequenzwechsel- optischen Pumpen, welche dui ;h eine ringförmige odei

wirkung ein gleichförmiges magnetisches Gleichfeld zwei Rb^B8-Resonanzlampen 4 und Linsen 5 gebildel

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 = i'

eine sehr wirksame Abschirmung der Magnete zur Ver- »s gegenüber dem Energiepegel i ₂ (F = 2) anzureichern

hinderung zu großer Streufelder erfordert. Diese Ab- insbesondere für die Atome \on Rb⁸' mit den lang

schirmungen und die sich hieraus ergebenden Stör- samsten Geschwindigkeiten, da die Wirksamkeit de:

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 Lumpe 4 belichteten Zone

atoms. ao verbleiben, als für die schnellen Atome; eine Zone 6

Ein anderer zu der Genauigkeit des Apparats bei- in welcher die: Atome des Rubidiumstrahls nach deir

tragender Faktor ist an die Breite der Resonanzlinie optischen Pumpen einer dein Hyperfeinunterschiec

gebunden. In dem oben beschriebenen Apparat wird zwischen den Energiepegeln £', und E₂, nämlici

die Methode der getrennten Felder von Ramsey 6834,6 MHz, entsprechenden Radio- oder Hyperfre

benutzt (man sieht nicht einen einzigen Hohlraum, as quenzbestrahlung mittels eines U-förmigen Hobi

sondern zwei Hohlräume vor, welche durch einen ge- raums 7 unterworfen werden, durch dessen beidt

wissen Abstand getrennt sind und in Phase gespeist Schenkel 7a vnd Ib der Strahl 3 tritt. Diese Zone is

werden). Die Breite der Resonanzlinie ist dann an- einem magnetischen Gleichfelcl Tf₀ geringer konstante!

genähert durch v/L gegeben, worin ν die mittlere Ge- Stärke H₀ (von einigen 50 Miüligauß) ausgesetzt, we!

schwindigkeit der Atome in dem Strahl und L der Ab- 30 ches die Degenerierung der Pegel F=I und F ■■= 2 au;"

stand zwischen den Hyperfrequenzhohlräumen ist. hebt. Eine magnetische Abschirmung 8 isoliert diesi

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 Ίζ ist zu der Richtung des magnetischen Hyper

genommen werden müssen, müssen Atome mit lang- frequenzfeldes parallel und zu der Richtung des Atom

samen Geschwindigkeiten gewählt werden. Diese Ge- 35 Strahls senkrecht, um eine Verbreiterung der Resonanz

schwindigkeitswahl erfolgt durch Verschiebung der linien infolge des Dopplereffekts zu vermeiden. Da:

Strahlenquelle und des Detektors gegenüber der Achse Feld 7ζ wird durch vier von einem Gleichstrom kon

der Uhr. Leider wird hierdurch der Raumwinkel der stanter Stärke durchflossene Längsdrähte 34 erzeugt

in die Magnete eintretenden Atome verringert, wo- Detektormittel mit einer Rb^f'-Resonanzlampe (odci

durch das Verhältnis Signal/Rauschen bei der Detek- <o des natürlichen Rubidiums) !), einem Rb"⁶ und eir

tion herabgesetzt wird. Es muß daher ein Kompromiß Edelgas unter Druck (z. B. Neon unter 50 Torr) ent

bei der Wahl von V und L angenommen werden, wo- haltenden Gefäß 10, welches die Frequenzkomponenti

durch die Leistungen des Apparats herabgesetzt wer- f_t3 zurückhalten aber die Frequenz / ₃ des Rb⁸

den. durchlassen soll (wie dies weiter unten unter Bezug

Bei einer eine Rubidiumdampfzelle benutzenden 45 nähme auf F i g, 6 genauer eiläutert ist), einer Kolli Uhr verringert man die Breite der Resonanzlinie und ma torlinse 11, einer Sammellinse 12 für das nicht voi

erhöht die Wirksamkeit des optischen Pumpens, in- dem Atomstrahl absorbierte Licht und einem Detek

dem man in die Zelle außer dem Rubidium 87 ein tor 13, welcher zweckmäßig durch einen Photovervicl

Edelgas einführt, wie Helium, Stickstoff, Neon oder fächer gebildet wird, auf welchen das durch den Strah Argon. Die Zusammenstöße der Atome von Rb⁸' mit 50 getretene Licht durch die Linie 12 konzentriert wird

den Molekülen des Puffergases erzeugen jedoch eine er- eine der eigentlichen Atomuhr zugeordnete elektroni

hebliche Frequenzverschiebung, welche von der Art sehe Anordnung 14 mit einem mit der Uhr gekoppcl

und dem Druck des Puffergases sowie von der Tem- ten Quarzoszillator. Diese Anordnung ist weiter untet

peratur und auch der Stärke des Lichts abhängt. Dies genauer beschrieben.

hat zur Folge, daß die Resonanzfrequenz der Zelle 55 Der Aufbau und die Arbeit!,weise der verschiedenei

durch eine Eichung bestimmt werden muß. Der Appa- Teile der eigentlichen Uhr und der elektronischen An

rat kann also nur als sekundäres Frequenznormal die- Ordnung sollen jetzt genauer beschrieben werden

"⁰K,' UA- λ ,,u „u λ- λ u ■ · ?" °i^enn^{2 (F} ' ^{8> 2}' ³· ⁴> ^{be5ilzt ein}en durch ein«

Nach diesen Ausführungen über die Atomuhren mit isolierende Steatitscheibe gebildeten Sockel 15 einei 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 dte Ausbildung und auf einen von dem Hals 19 des Körpers 16 getragene! F i g. 5, 8 und 12 die Arbeitsweise einer bevorzugten Ejektor 18 und eine auf ten. Hals19 aufgeschraubt! Ausführungsform einer Atomuhr mit Rubidiumstrahl Muffe 20. Der Körper 16 enthält eine axiale Blind

beschrieben werden. bohrung 21 für das Rubidium und Umfanaskanäle 22

Die Uhr enthält im wesentlichen (F ig. Deine läng- 63 in welchen nicht dargestellte Heizwiderstände unter

liehe Vakuumkammer 1, einen weiter unten unter Bc- gebracht sind. Der Ejektor 18 enthalt eine Reihe vor

zugnnhme auf F i g. 2 bis 4 näher beschriebenen Ofen2, Längskanülen, welche durch Mckelrohrc 23 mit einen

welcher in dem unteren Teil dieser Kummer angeordnet Querschnitt von größcnordniingsmüBiB einem Qua

ι α ^

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

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*

nälen 22 von Strom durchflossen werden, verdampft für natürliches Rb oder Rb^R? sendet die vier Kompo

das Oktan und hierauf das Rubidium, wobei die Tem- 5 nenten A, B, a, h aus. Das Gefäß IO mit Rb"⁶ läßt nui

peratur grö3enordnungsmäßig 180"C beträgt. Die die Komponenten B und b durch, es ist jedoch nur di<

Atome von Rb*⁶ und Rb⁸⁷ strömen durch die Rohre 23 Komponente b wirksam, welche gerade die Frequen;

des Ejektors 18 und bilden daher am Ausgang uersel- (E₃ — E₁)Jh hat, und daher von den Atomen des Rb⁸

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

In diesem Strahl findet man, wie oben angegeben, io dem Pegel E₁ (Pfeil/,_a der F i g. 8) befinden. Das Er

75 ⁰/₀ Atome von Rb⁸⁵ und 25 ⁰Z₀ Atome von Rb"⁷. 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 an

Strahl der bevorzugten Ausführungsform betrachtet, geregten Pegel E₃ auf die Pegel E₂ und E₁ des Grund

welcher die längliche Kammer 1 von unten nach oben zustands (gestrichelte Pfeile /₃₂ und /₃₁ 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 Tci

stand E₁ (5 ²S,,₂, F-- 1, w?f = O) wie in dem Zu- des Strahls (Zone 25) und somit eine Herabsetzung de:

stand E₂ (5 ²SV₂. F ~™ 2, niF — O), welche in F i g. 5 von dem Detektor 13 empfangenen Lichts,

und 8 dargestellt sind. 2° Wenn jetzt an den Hohlraum 7 eine Spannung mi

Die Vornahme des optischen Pumpens ist nächste- der Frequenz (E₂ — E₁)Jh ·=- 6834,6 MHz angeleg

hend unter Bezugnahme auf F i g. 5 und 6 erläutert. wird, um in der Zone 6 ein Hyperfrequenzfeld mi

In F i g. 5 sind die tiefsten Energiepegel des Rb⁸⁷ im 6834,6 MHz zu erzeugen,,bewirkt man die Sättigutif

einzelnen dargestellt. Die optische Resonanzlinie ist des Übergangs E₁ *-* E₂ der Atome des Rb⁸⁷ dci

eine Doppellinie D₁, D₂ mit den beiden Feinstruktur- 25 Strahls, d. h. die Gleichheit der Besetzung der Pegel E

komponenten D₁ (5²S₁₂ — 5 ²P₁I₂) und D₂ (5 ²S₁I₂ und E₂, indem eine gewisse Zahl von Atomen des Rb⁸

— 5 ²ZV₂), gezeigt durch die Doppelpfeile für von dem Pegel E₁ auf den Pegel E₂ angehoben wire

7947,6 A bzw. 7800 A. Die Hyperfeinstrukturen des (Pfeil /,»), wodurch die Wirkung des vorherigen opti

ersten angeregten Zustands S²P sind im allgemeinen sehen Pumpens aufgehoben wird. Der Rubiditimstrah

kleiner als die Dopplerbreite und werden daher ver- 30 gelangt also in die Zone 25 mit ebenso vielen Aiomei

nachlässigt, ebenso wie die Differenz zwischen D₁ und des Rb⁸⁷ auf dem Pegel E₂ wie auf dem Pegel /:', unt

/λ,, während die Hyperfeinstruktur des Grundzustands absorbiert daher weniger von der Komponente b ir

5 ²S_{1 2} im allgemeinen größer als die Dopplerbrcite ist. dem System 9, 10, als wenn die Sättigung durch du:

Die Linien D₁ und D₂ trennen sich daher je in zwei von Hyperfrequenzfeld nicht stattgefunden hätte. Infolge

der Struktur des Grundzustands herrührende Hyper- 35 dessen wird der von dem Detektor 13 gelieferte Stron

feinkomponenten. Im al'gemeinen addieren sich in der vergrößert, wenn das Hyperfrequenzfeld angelegt wird

hier benutzten Art des optischen Pumpens die Effekte Genau ausgedrückt, der von dem Detektor 13 gel ic·

der Linien D₁ und /).,. Wenn daher nur die eine oder ferte Strom durchläuft ein Maximum, wenn die l're

die andere der Linien D₁ und D₂ betrachtet wird, ent- quenz des von dem Doppelhohlraum 7 erzeugten IeI

halten die Rcsonanzlinien des Atomgemischs von Rb⁸⁵ 40 des den Wert 6834,6 MHz erreicht,

und Rb"⁷ vier Hauptkomponenten A und B fur das Die elektronische Anordnung 14 enthält einen dii

Rb"⁶ und α und b für das Rb⁸⁷. Wie aus F i g. 6 hervor- Ausgangsgröße des Photovervielfachers 13 \ersliirken·

geht, fallen die optischen Linien A von Rb⁸⁵ und α von den Audiofrcquen/verslärker 26, einen Quaizos/illa

Rb⁸⁷ praktisch zusammen, während die optischen Li- tor 27, ein Steuersystem 28 zur automatischen Hin·

nien B von Rb^K5 und b von Rb⁸⁷ verschieden sind, und 45 Stellung der Frequenz des Oszillators 27 auf die Atom

zwar :,owohl für O, als auch für D₂. resonanzfrequenz von 6834,6 MH/ und eine Vorrich

Diese Tatsache wird zur Vornahme des optischen Hing29 /ur Frequenzsynthese, welche gestattet. \oi

Pumpens von dem Pegel £,j (5 ^a.V,;_t,/■" 2, im· 0)auf der Frequenz des Oszillators (wc I el κ- cine Teilfie

den Pegel Ε_Λ (erster angeregter Zustand /') ausgenutzt, quenz von 6 834 0X2 614 H/ ist) >iuf emc I ινιμιοηζ ii

indem die Atome von Rb⁸' des Alomslrahls 3 mit so runden Zahlen überzugchen, z. B. 5 MIIz. sowie au

einer Rb^Bi-Resonanzlampc4 bestrahlt werden. In- die üblichen Frequenzen \on I und 0,1 MIIz.

foluedesscn hat nur die Komponente A des Rb"⁸, Das Steuersystem 28 enthält einen Frequonz\cr\iel·

welche die gleiche Frequenz wie die Komponente rides fächer 30, welcher die Frequenz des Oszillators 2"

Rh"' hat. eine Wirkung. Sie regt im besonderen die (von gtoßenonl'iunpsmiiUig 5 MIIz) mit einer solcher

Atome des Pegels /Y₁, (/ 2) an. indem sie diese auf 55 Zahl multipliziert, daß die \er\ielfaehte I iequen<

den angeregten Pegel ²P (Pfeil Z₂;, der I i μ. 8) bringt. 6834.6 MHz ist; einen Modulator 31 mit sehr niedripei

Die Atome bleiben auf diesem Pegel während einer Frequenz (z.H. 30 1Iz), welcher die Ausp.mpsproßi

mutieren Zeil, welche gleich der Lehensdauer dieses des Vervielfachers 30 frequenzmoduliert, um in den

angeregten Zustands ist (grtfßenordmmgsmäßg IO "Se- Hohlraum 7 die Resonanzlinie zu bestreichen, was eiiu

kunden). worauf sie in den Grundzusland zurückfallen, δο Amplitudenmodulation mil der gleichen sehr nicdiij'.ci

indem sie sich auf die beiden Pegel /.',(/·' 1) und /:, Frequenz des auf den Detektor 13 fallenden lieht·

(Γ 2) aufteilen, wie dies durch die gestrichelten bündcls und somit des aus dem Veislärkci 2(> ausirc·

Pfeile/,, und /_;„ dargestellt ist. Schließlich hat das op- tendon Stroms / zui Folge hat (auf diesen Punkt winl

tische Pumpen die Wirkung, einen Teil tier Atome von noch unter Bezugnahme auf I i μ. 12 eingegangen wer·

dem Pegel /.'„ auf uVn Pegel /.', zu überführen, so daß ßs den); einen Phasendelektor 32. welcher die Phasen-

also dieser lelzicre Pegel angereichert und der Pegel/.',, dilVeienz zwischen der angelegten Modulation (mn

verarmt winl. 30MlIz) iiiui der w iedergegchencn Modulation (d^

Hei I rillen eines I l\perfiei|iienzfeldes in der /one 6 Stroms /) lusiimint und das 1 ehleisinnal MUlet. wo I-

ches die Frequenz des Quarzoszillators 27 mittels der Frequenzsteuervorrichtung 33 steuert.

Unier Bezugnahme auf Fig. 12 soll nun einerseits die Bedeutung der Verwendung eines doppelten U-förmigen Hyperfreqiienzhohlraunis 7 mit zwei Schenkeln 7« und Ib und andererseits die Herstellung eines Fehlersignals mittels der Niederfrcqucnzmodulaiiion erläutert werden.

Die Kurven I_x und /₂ zeigen die Änderung der Amplitude der Stromstärke / in Funktion der Frequenz des an den Hohlraum 7 angelegten Signals für den Fall, daß dieser Hohlraum ein einfacher Hohlraum (mit einer Länge gleich der von dem Atomstrahl in einem einzigen Schenkel durchlaufenen Länge) bzw. ein U-förmiger 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 ers'teren Fall oder des Abstands zwischen den Hohlräumen in dem zweiten Fall umgekehrt proportional (ein einfacher Hohlraum großer Länge 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 "vjL. 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 f 3 austretenden Signais mit sehr niedriger Frequenz ermöglichen, die abgeleitete Kurve /', von /, bzw. ['., von I₁ zu erhallen. Die Steigung von !'., ist in der Nähe von 6834,6 MIIz erheblich großer als die von /',. Das Felilersignal, welches zu dieser Steigung proportional ist, ist also in dem Fall eines Doppelhohlniiims größer. Für eine Frequenzänderung von (//beträgt das Fchlersignnl (//. 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

I esilcgung der Frequenz des Quarzoszillators auf die I -requen/ der llypcrfcinresonanz des Rh¹" (6834,6 MIIz).

/ur Vergrößerung des Ausgangssignals des Photoverviclfaehers 13 kann man das von dem System·*, 10,

II erzeugte Delektorlieht mehrere Wege durch den Strahl durchlaufen lassen, z. U, mit Hilfe von Spiegeln. Fs muli jedoch eine zu große Menge an Delektorlicht vermieden werden, da ein übermäßiges derartiges Licht den Pegel /:_t schneller entleeren kann, als das Pumpen durch das System 4, 5 diesen Pegel besetzen kann, so dall ein scharfes Stmmmaximum / bei der Resonanz verschwindet, wodurch das Verhältnis Signal/Rauschen verringert wird.

Die oben unter Hezugnahme auf F i g. 1 bis 6, 8 und !2 beschriebene Atomuhr mit Riibidiumslrahl hesil/t /ahlreiche Vorteile gegenüber den Uhren mil Ziiisiumstrahl oder den Uhren mit Rubidiumdampf der frühe ren Technik, deren Prinzipien oben erläutert wurden

1. Die erfindungsgemäße Uhr ermöglicht die Her

stellung eines primären oder absoluten Frequenznor mais in dem Sinn, daß die Frequenz der Resonanz ir sehr großer Nähe der Bohrschen Frequenz des freier Atoms liegt. Da sich insbesondere die Rb-Atome irr Vakuum bewegen, treten keine Frequenzverschiebun·

gen infolge von Zusammenstößen der Rb-Atomc mi:

ίο den Molekülen des Puffergases auf, wie bei den Uhrer mit Alkalidampfzellen. Aus dem gleichen Grunde wire der TemperaturefTekt minimal gemacht.

Ferner sind in dem Rb-Strahl die Zonen des opti· sehen Pumpens und der optischen Detektion scharl von den Wechselwirkungszonen der Hyperfrequenzfelder getrennt, wodurch die Frequenzverschiebunger vermieden werden, welche von den durch das Pump· licht erzeugten virtuellen Übergängen herrühren. Diese. Effekt ist bei Uhren mit Alkalidampfzellen besonders

störend und schwer zu beseitigen. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist es dagegen durch einen sorgfältigen Aufbau möglich, eine Streuung des Pump- odei Detektorlichts in die Wechselwirkungszone der llochfrequenzfelder zu vermeiden.

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

3 Da der öffnungswinkel des Atomstrahl nicht mehr durch die Luftspalte der Magnete zur Fokussierung oder Ablenkung begrenzt wird, können \crhälinismäßig kräftige Atomstrahl™ nenut/t weal·-,, wodurch das Verhältnis Signal/Rauschen bei der Deiektion beträchtlich vergrößert wird.

4 Die optische Detektion ist verhältnismäßig einlach gegenüber der Detektion durch Oberllächcniouisicrung, welche bei den Uhren des Typs Rabi verwendet wird und häufig die Benutzung eines Massenspeküo-

graphen erfordert.

5. Die optischen Techniken zum Pumpen und /ur Detektion begünstigen die langsamen Atome des Strahls. Wenn man nämlich in der Zone arbeilei, in welcher d.e optischen Effekte linear sind, was praktisch

bei den Starken der verfügbaren Lichtquellen der Fall ist, SMnd die Wirksamkeit des optischen Pumpens und die Größe des Dctektorsignals beide zu der Vcrweilze.t der Atome in der bestrahlten Zone proportional.

d. h. zu / * , worin ti die Länge des bestrahlten Weges und ν die Geschwindigkeit des Atoms ist. Da das Vcueilungsgesetz der Geschwindigkeiten ein Gesetz nnchv'.e' "^mite - ^₇. _isl, ^, _{cin Fuklor} I _in

das Hochfrcqucnzresonanzsignal ein, wenn man 'sich nieder linearen Zone weit von der Sättigung be-

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

. e-d,

fi\N j ι·».« '"-'j,,. η |/ ,ι .7 J,

Uf₁ dem Pumpen und der optischen Detektion μοηιϋΙ.1 der I rlindung mit en. zusätzlicher Faktor ' für

das Pumpen und ein Faktor für die Detektion auf, d. h. ein Faktor :

V —

fvdN f ν ■ e <"''-dv f'dN [e '"'-dv

I I ■ Tr.

TT. I «

1 j 2:rkT τι I m

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 Alkalimetullatome 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 kondensieite 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 Rb^a5 gegenüber angeordnet werden. Die Uhr würde dann in der in F i g. 9 dargestellten Weise arbeiten, wobei das Licht des Systems 9, 10, II mit seiner Komponente b die Atome von Rb⁸⁷ des Strahls von dem Pegel E₁ auf den Pegel Ε_Λ (Pfeil f_n) pumpt, von wo sie wieder auf die Pegel E₁ und /:., (Pfeile /_:„ und /-,.,) herunterfallen wurden, was eine Anreicherung des Pegels E₁ gegenüber dem Pegel E₁ zur Folge hat. Auf diesem Pegel E₁ sind die Atome von Rh" in der Lage, vorzugsweise die Komponente. I der Lampe 4 mit Rubidium 85 /ti absorbieren (Pfeil /_j;,), während der Hohlraumresonator 7 wie in dem ersten Fall den Ausgleich der lkset/ungen der beiden Pegel /·.', und /:., bewirkt.

Wie man sieht, sind die beiden Schemata der F i g. S und 9 für die Atome von Rh^K: geeignet.

Der Appar.it der Fig 1 bis 4 könnte auch bei Benutzung der Atome von Rb⁸⁵ des Strahls arbeiten, vu>bei dann das optische Pumpen an dem Fuß durch eine durch ein Gefäß mit Rb⁸' gefilterte Lampe mit Rb"⁵ erfolgt, während die optische Detektion oben an dem Strahl durch eine ungelilterte Lampe mil Rb"⁷ erfolgt, wobei die Erregerfrequenz des U-förmigen llyperfrequenzhohlraums jetzt 3036 MIl/ beträgt, was dem Hyperteinabstand zwischen den Pegeln E.. [E 3) und £i (F-- 2) des Grundzustands des Rb"'' entspricht, V[Jc dies aus F i g. 6 hervorgeht.

In F i g. H) ist die Anwendung eines derartigen optischen Pumpens und einer derartigen optischen Detektion für die Atome von Rubidium 85 dargestellt. Das Pumpen am Fuß durch die durch dns Rb"' gefilterte Rn^K*-Lampe hat zur Folge, daß die Atome von Rb"⁴ von dem Pegel Λ, auf den angeregten Pegel /-.., (Pfeil /_IS) übergehen, von wo sie wieder auf die Pegel /.'.» und £', (Pfeile f_3i und /₃₁) zurückfallen. Hierdurch wird der Pegel E₁ gegenüber dem Pegel /-.', angereichert. Die optische Detektion bewirkt den Obergang der Atome von Rb"" \on dem Pegel /;, auf den Pegel /:"., (Pfeil /,,). Die Sättigung der Resonaivhnie (/.,, E_x)Ii bei 3036 MlI/. durch den Hyperfrcquen/hohlraum bewirkt die Gleicht .'it tier Besetzung der Pegel /| und E₁ und somit die Verringerung der durch das optische Pumpen hergestellten Überbesetzung von /·.',,, was eine Verringerung des I ichts der Rb^HM)clektorlainpe beim Durchgang «.!!»cn den Strahl /ur I olge hat. Man erhält also ein Maximum des von dem der Ul>"^T-l>clektorlampe gegenüber angeordneten Detektor gelieferten Stroms beim Durchgang durch die Resonanz.

ίο 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 /_2:, zwischen den Pegeln E₃ und E₃ durch eine ungefilterte Rb^H?-Lampe erfolgt, während die Detektion gemäß dem Pfeil /_1;, durch eine durch ein Gefäß mil Rb"⁷ gefilterte Rb^M-Lampe erfolgt.

Eis ist zu bemerken, daß die die erfindungsgeinäßen Verbesserungen anwendenden Schemata der F i g. 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet sind, daß ein optisches Pumpen zwischen einem der Pegel /;', oder E., des. Grundzustands und dem angeregten Pegel /:'_;l und eine optische Detektion /wischen dem anderen Pegel (E₂ bzw. E_x) des Grund/ustands und dem angeregten Pegel Ε_Λ vorgenommen wird, wobei der 1 lyperfrequenzhohlraum mit der dem Unterschied /wischen den beiden Pegeln £, und E.. des Grundzustands entsprechenden Frequenz gespeist wird.

Obwohl die Lrfindimg im besonderen für Rb¹⁷ oder

3u Rb^Ni> beschrieben wurde, kann sie auch mit einigen Abänderungen für die anderen Alkaliatonie verwendet werden, wie Natrium. Kalium otler Zäsium.

Bei diesen Atomen kann jedoch die llyperfeinlilterune durch Isotope nicht angewandt werden. Is müssen dann andere Methoden beiuit/t werden, λ 15. die Verwendung von Filtern, welehedurch AlkalidampfzeUen gebildet werden, welche in einem kräftigen Magnetfeld (welclies die Frequenz durch den Paschen-Biick-I ITckt verändert) angeordnet sind. Für Zäiium

z. B. kann eine /eile, welche Zäsiumdampf von l!!5 C enthält und in ein leid von S,3 kG gebracht ist, als llyperfcinlilter benutzt werden. Man kann auch Halbleiterlaser des Typs Ga As,- _r P_x benutzen, deren ausgesandte Frequenz durch Beeinflussung der /usain-

■tf) mensct/ung.v und der lemperalur verschoben werden kann. Lin derartiger Laser hesii/i eine einer Komponente des Cs ^ua entsprechende Frequenz.

Die erfincltingsgcmiiüc Ausführung besitzt gegenüber den bekannten Frenuen/normalen 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 grolle r-rcqucn/stahiliiäl. ms besondere auf lunge Zeit.

" Sie erfordert eine verhältnismäßig einfache Appara tür ohne kräftige Magnete verwickelter Form.

Zum Schluß seien die Unterschiede zwischen eine crlindungsgcmSßcn Atomuhr und den beiden diese am nächsten kommenden Atomuhren der früherei

6u Technik cenauer erläutert.

1. Uhr gemiill üer französischen Patentschrift I 404 551

Das in dieser Patentschrift beschriebene l'olgesy stein stellt ein zeitliches Programm für Vorgänge an ii einem beschrankten Raum euter Zelle eingeschlossene Atomen auf. Die Alkaliatome haben nicht die I on eines aus einem Ofen kommenden Strahls, sondern bi

!'linien sich in dem bcscl-Winkten Raum der Zelle in Form eines Dampfs. Dieser wesentliche Punkt hat erhebliche Folgen für die Genauigkeit und die Stabilität der Atomuhr oder des Frequenznormal.

η) So erzeugt im besonderen in dem Fall eines Dumpfs die Wechselwirkung zwischen den Alkaliatomcn und den Wunden der Zelle oder den Molekülen eines PufTcrgnses, wenn ein derartiges G»s benutzt wird, im allgemeinen schwer theoretisch voraussehbare und häufig zeitlich labile Frcquenzvcrschicbungcn. Dies hat zur Folge, daß die Kenntnis der Frequenz einer Uhr mil Alkalidampfzcllceinc vorherige Messung erfordert, Anders ausgedrückt, diese Uhren arbeiten als sekundäres Frequenznormal, während ein Zweck der vorliegenden Erfindung die Herstellung eines priniilrcn oder absoluten Frequenznormal 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 sohr 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 Frequenznormal 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 Atomdichtc zu erhalten. Unter ■diesen Bedingungen können bei einer Zelle die Beiriebstempcraturschwankungen 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 TemperaturclVekte viel weniger ausgeprägt.

b) Außerdem, obwohl erlindungsgemäß die Wirkung des Lichts und des Radiofrequcnzfeldes zeitlich ebenfalls aufeinanderfolgen, linden die verschiedenen Vorgänge des optischen Pumpcns. der Wechselwirkung mit dem Radiofrequcnzfcld und der optischen Detektion in verschiedenen Raumzonen in der Vakuumkammer statt und werden durch die Bewegung der Atome im Räume erzeugt anstatt durch eine Rerhteckmodulation des Lichts oder des Radiofrequenzfeldes. Frlindungsgcmäß werden das Pumplicht oder das Dctektionslicht und das Radiofrequenzfeld kontinuierlich ausgesandt. Dies hat eine Vereinfachung der elektronischen Lrregei- und Steuersysteme zur Folge.

c) Die Tatsache, daß das optische Pumpen in der ■französischen Patentschrift 1404 551 benutzt wird.

nimmt die 1-iTmdimg nicht vorweg. Das optische Pumpen von Atomen m Form eines in einer Zelle eingeschlossenen Alkalidampfs ist nämlich von dem optisehen Pumpen \on in einem Strahl freien Atomen stark verschieden. In einer Zelle sind die Alkaliatomc langer der Wirkung des Pumplichls ausgesetzt, selbst wenn dieses pulsierend ist. und die Wirksamkeit des optischen Pumpcns kann groß sein.

Bei den Atomen in Form von Strahlen im Vakuum ist die Durchgangsdaucr der Atome durch die Zone der Bestrahlung mit dein Pumplieht sehr kurz, größenorduungsmäßig 0.2 Millisekunden, und zur Erzielung eines guten Verhältnisses Signal, Rauschen müssen kräftige Strahlen mit Bündeln mit großer Öffnung benutzt weiden, und die Erfindung besieht in dieser besonderen Tech η ik, welche iiulcnAlkalidainpf zellen fehlt.

2. Atomuhr nach der USA.-Palentschrift 3 328 633 Dieses Pulenl betrifft eine Atomuhr mit Thulliumsitrahl der bekannton Bauart R«bi—·Ramsey. Obwohl ein Strahl von Alkalialomen im Vakuum benutzt wird, sind das optische Pumpen und die optische Detektion, welche Merkmale der vorliegenden Erfindung sind, nicht in dieser USA.-Patentschrift crwlihnt.

Die Tatsache, daß in dieser USA.-Patentschrifl Alkaliatomstrahien benutzt werden, nimmt die Erfindung ebenfalls nicht vorweg. In dieser Patentschrift erzeugen nämlich Magnete in dem Strahl eine Trennung zwischen den verschiedenen Hyperfeinpegcln angehörenden Alkaliatomcn, um z. B. nur die Atome des höheren E'.ergiepegels beizubehalten, welche anschlie-

is ßend auf einen lonisierungsdetektor fokussiert werden.

In der vorliegenden Erfindung werden die Atome

nicht getrennt, sondern es wird durch das optische

Pumpen die Atombesetzung eines der Hypcrfeinener-

giezustände angereichert. Ebenso erfolgt die Detektion

ίο 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 Rubidiuniatomcn, arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal mit wenigstens drei aufeinanderfolgenden wachsenden Energiepegeln, nämlich zwei Pegeln E₁ und £₂ 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 £₂ und dem angeregten Zustand E₃ entspricht, einem Hohlraumresonator (7), in welehern er einem Magnetfeld mit einer dem Energieunterschied zwischen den Pegeln E₁ und E., des Grundzustands entsprechenden Frequenz ausgesetzt wird, und eine Zone (9, 10. 11, 12, 13) zur optischen Detektion tritt, in welche.' er durch eine Quelle (9) von nicht polarisierten Strahlen mit einer Frequenz bestrahlt wird, welche dem Energie-Unterschied zwischen dem anderen Pegel des Grundzustands £., oder E₁ und dem angeregten Pegel Ej 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 ir Richtung auf das andere Ende der Kammer, Mitte!

(4. 5) zum optischen Pumpen zwischen einem dei Grundpegel der Atome des Strahls und einem Pege eines angeregten Zuslands dieser Atome, einer Hohlraum (7), insbesondere einen Doppelhohl raum, durch welchen der Strahl nach dem opiischer Pumpen tritt. Mittel (34), welche in diesem Hohl raum ein magnetisches Wechselfeld parallel zu den Gleichfeld mit einer dem Energieimlersehied /\vi sehen den beiden Pegeln des Grundz.uslauds de Atome cutsprechenden Frequenz erzeugen, Mitte zur optischen Detektion (9, 10, II). welche auf dei Strahl nach seinem Durchtritt durch ilen Hohlraun ein Detektionslichl mit dor dem I.nergicunlerschie« zwischen dem anderen Pegel des (ii und/usiaiul

10

und dem Pegel des angeregten Zustande entsprechenden Frequenz richten, und Einrichtungen (12, 13) zur Detektion des Lichts, welches von den Mitteln zur optischen Detektion tiusgesandt 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 Rb⁸'-Atomen und Rb^8a-Atomen erzeugt, wobei die Mittel zum optischen Pumpen eine Rb^8S-Resonanzlampe (4) zur Anreicherung des Pegels E₁ (F — 1) des Grundzustands gegenüber dem Pegel £_a (F= 2) dieses Zustande 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 Rb^B6-Behälter (10) gefilterte Resonanzlampe (9) mit natürlichem Rubidium oder Rb⁸⁷ umfassen, wobei der Detektor (13), z. B. ein Photovervielfacher, das Licht emp- so fängt, 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 de. Ofen (2) natürliches Rubidium enthält und einen Strahl von Rb⁸⁷-Atomen und Rb^B6-Atomen erzeugt, wobei die Mittel zum optischen Pumpen eine durch einen Rb⁸⁶-Behälter (10) gefilterte Resonanzlampe mit natürlichem Rubidium oder Rb⁸⁷ zur Anreicherung des Pegels E₁ (F = 2) des Grundzustands gegenüber dem Pegel E₁ (F = 1) dieses Zustande der Rb⁸⁷-Atome umfassen, wobei der Hohlraum (7) mit einer Frequenz von 6834,6 MHz gespeist wird und die Mittel zur optischen Detektion eine Rb^8j-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 Biindbohrung, 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.

4P 6, Atomuhr nach einem der Ansprüche 2 bis 5, , gekennzeichnet durch einen den Strom der optischen Detektion, insbesondere des Photovervielfachers (13), verstärkenden Audiofrequenzverstürker (26), einen Quarzoszillator (TT), welcher mit einer Frequenz arbeitet, welche ein genauer Bruchteil der Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Pegeln des Grundzustands ist, einen Frequenzvervielfacher (3Q), welcher die Frequenz des Oszillators (27) zur Ableitung der Frequenz dieses Übergangs vervielfacht, Mittel (31) zur Niederfrequenzmodulation der Frequenz des Vervielfachers, einen Phasendelektbr (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 Rb^B5-Atomen erzeugt, daß die Mittel zum optischen Pumpen eine durch einen Rb^S7-Behälter gefilterte Rb^B5-Resonanzlampe zur Anreicherung des Pegels £_a (F — 2) des Grundzustands gegenüber dem Pegel E₁ (F — 1) dieses Zustande der Rb⁸⁶-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 umfissen, 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, welcne 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 109 628/378