DE2013572A1

DE2013572A1 - Maser-Oszillator mit gekreuzten Magnetfeldern

Info

Publication number: DE2013572A1
Application number: DE19702013572
Authority: DE
Inventors: Henri Paris Brun
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-03-24
Filing date: 1970-03-21
Publication date: 1970-10-01
Also published as: FR2036529A5; US3619807A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz '

Dr. Gertrud Hauser aooo München 60, 2 0. HRL497JL * « r η λ

.Inn Γ2ηΙΊΊι·ΐη#Ι Ια!·>· . Ernsberaerstrasse 1» fc U 10 0/4.

Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Ems.bergersfra?se

Patentanwälte Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto ι München 117078

Unser Zeichen: T 853

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

Maser-Oszillator mit gekreuzten Magnetfeldern

Die Erfindung bezieht sich auf Maser-Atomschwinger mit, einem Höchstfrequenz-Hohlraum, in welchen Atome eingeleitet werdenj damit seine elektrische Schwingung durch die von den Atomen ausgesandten elektromagnetischen Energiequanten aufrechterhalten wird. ^v . * '

Bu/ku Bei

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Bei Maser-Oszillatoren werden Hochfrequenzübergänge eines bestimmten Atoms ausgenützt und die Frequenz des abgegebenen elektrischen Signals besitzt eine bemerkenswerte Stabilität. Man verwendet gegenwärtig diese Oszillatoren zur Herstellung von Atomuhren, welche die Festlegung eines extrem genauen Zeitmaßstabes gestatten. Die erreichbare Genauigkeit' hängt jedoch von den Einrichtungen ab, welche die für die Aufrechterhaltung der Schwingungen notwendigen atomaren übergänge hervorrufen.

Bei bekannten Atomschwingern wird eine magnetische Sortierung oder ein optisches Pumpen angewendet, um in dem Höchstfrequenz-Hohlraum Atome in solchen Verhältnissen anzuordnen, daß sie beim Abklingen genügend elektromagnetische Energie zur Aufrechterhaltung seiner Schwingung aussenden können.

Die Nachteile der Vorrichtungen mit magnetischer Sortierung beruhen auf der Notwendigkeit, einen Atomstrahl und ein staries Magnetfeld zu erzeugen, wodurch die Herstellung des Oszillators kompliziert und derselbe verhältnismäßig umfangreich wird. Die Nachteile von Anlagen mit optischem Pumpen beruhen auf dem Erfordernis, eine optische Pumplinie mittels eines sehr selektiven Filters abzutren- f nen und die Atome in einer Zelle anzuordnen, welche ein Puffergas einschließt, das eine nachteilige Wirkung auf die Stabilität der von den Atomen ausgesandten Frequenz ausüben.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Atomschwinger mit einem Höchstfrequenz-Hohlraumresonator, dessen Eigen-

frequenz

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frequenz mit der Frequenz einer von in den Hohlraumresonator eingeleiteten Atomen ausgesandten elektromagnetischen Strahlung zusammenfällt, wobei diese Atome im Grundzustand zwei Hyperfeinniveaus mit den Quantenzahlen 0 und 1 besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome unter der Wirkung der Wärmebewegung zwischen einer ersten und einer zweiten Zelle umlaufen, welche durch einen Kanal miteinander verbunden sind, daß Einrichtungen zum Induzieren eines ersten bzw. zweiten Magnetfeldes, welche quer zur Achse des Kanals und in einen Winkel einschliessenden Richtungen orientiert sind, in der ersten bzw. zweiten Zelle vorgesehen sind, daß die zweite Zelle in dem Hohlraumresonator angeordnet ist und daß deren Innenwand mit einer Schicht ausgekleidet ist, welche der Ausrichtungsstörung durch Stöße der Atome entgegenwirkt.

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

Figur 1 schematisch das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Atomschwingers,

Figuren 2 und 3 der Erläuterung dienende Diagramme,

Figur k eine Gesamtansicht aes erfinaungsgemcißen Atomschwlngers und

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Speisung der in Figur ^ gezeigten Verrichtung mit atomarem Wasserstoff. - ■

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BAD ORIGINAL

In Figur 1 ist bezogen auf ein Achsensystem OX, OY und OZ eine Vorrichtung mit zwei Zellen 1 und 2 dargestellt, welche durch einen Kanal 3 miteinander verbunden sind.

Das" so gebildete Volumen enthält Atome, deren Grundzustand aus zwei Hyperfeinniveaus F=O und F=I besteht. Das Volumen wird beispielsweise mit atomarem Wasserstoff unter einem Druck p„ gefüllt, der wesentlich unter dem Atmosphärendruck liegt. Induktionsspulen 4 umgeben die Zelle 1 und erzeugen unter der Wirkung eines Stroms i.

k ein inneres Magnetfeld TT* das parallel zur Achse OX orientiert ist. Weitete Induktionsspulen 5 umgeben die Zelle 2 und erzeugen unter der Wirkung eines Stroms i₂ ein weiteres inneres Magnetfeld H* , das parallel zu der Achse OY orientiert ist. Die Innenwand der Zelle 2 ist mit einer Auskleidung versehen, welche einer Ausrichtungsstörung durch Stöße der auf die Wand auftreffenden Atome entgegenwirkt. Dagegen fehlt diese Auskleidung in der Zelle 1. Wenn die Zelle 2 von einem in Figur 1 nicht dargestellten Höchstfrequenz-Hohlraum umgeben ist, erhält man einen Atomschwinger, dessen Schwingungsfrequenz Vo sich direkt aus den übergängen h · j) ο ergibt, welche die Atome ausführen, wenn sie sich in der Zelle 2 umwandeln.

^ h ist das Plancksche Wirkungsquantum.

Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung arbeitet ohne optisches Pumpen und ohne magnetische Sortierung der Atome in einem Atomstrahl. Ihre Arbeitsweise beruht auf der Orientierungsänderung, welche das umgebende Magnetfeld erfährt, wenn ein Wasserstoffatom zwischen den beiden Zellen 1 und 2 durch den Kanal 3 umläuft. Dieses Umlaufen

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_ 5 — -

von Atomen findet unter der Wirkung der thermischen Bewegung mit einer mittleren Geschwindigkeit ν in der Grössenordnung von 2500 m/Sekunde bei der Umgebungstemperatur statt. Diese Geschwindigkeit kann durch die bekannte Beziehung ausgedrückt werden:

•i

8 k T
1fm

wobei k die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur und m die Masse des betreffenden Atoms ist.

Das Wasserstoffatom und andere Atome, von denen das Thalliumatom genannt werden kann, haben einen Elektronenspin und einen Kernspin, welche man jeweils durch die Vektoren Ir und T* darstellenfcann. Diese Darstellung ist in Figur 1 gezeigt, wobei rechts von den Zellen 1 und 2 drei Atome A, B und C der Zelle 1 mit ihren jeweils möglichen Spins T^und Ir gezeichnet sind. Wenn diese Atome in die Zelle 2 übergehen, sind ihre Spins jeweils bei A", B" und C" hergestellt. Bei A¹ ist' das Atom A mit seinen Spins r und J\ in dem Zeitpunkt dargestellt, in dem es den Verbindungskanal 3 verläßt. In der Zelle 1 haben die Atome A, B und C in Anwesenheit des Feldes H₁ bestimmte Energien, welche jeweils den drei Unterniveaus m =-1, m = 0 und m = +1 des Hyperfeinniveaus F=I des Grundzustands entsprechen. Die Spins I. und J des Atoms A liegen parallel zum Feld IL₅ es befindet sich auf demUnterniveau F = 1, m = 1. Die Spins I und J des Atoms C liegen senkrecht zum Feld H., es befindet sich auf dem Ünterniveau'F = 1, m = 0. Die Spins

"■♦ «*φ ' ,.,.,Ir

I und J des Atoms B liegen antiparallel zum Feld H*, es befindet sich auf dem Unterniveau F = 1, m =,-1.'

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Die Zelle 1 umschließt die drei Atomgruppen A, B und C sowie eine vierte Atomgruppe, welche das Hyperfeinniveau F = 0, m = 0 besetzt. Infolge des Energiegleichverteilungsgesetzes und der Abwesenheit der inneren Auskleidung werden die in der Zelle 1 enthaltenen Atomgruppen im wesentlichen von der gleichen Anzahl von η Elementen gebildet. Figur 2 zeigt teilweise das Energiediagramm W = f (Ho) des Wasserstoffatoms. An jedem der verschiedenen Unterniveaus (P = O, m = O), (F = 1, m = -1), (F = 1, m = 0) und (F = 1, m = +1) sind die Atombesetzungen 6 der Zelle 1 . angegeben. Sie sind alle gleich.

Wenn die Atome A, B und C von der Zelle 1 in die Zelle 2 übergehen, werden ihre Energien verändert, da zwar die Orientierung der Systeme I und J unverändert bleibt, die Orientierung der Induktionsfelder Jedoch unterschiedlich ist. In der Zelle 2 kommt das Atom A bei A" an, wobei seine Spins I und Ir senkrecht zu TfT liegen. Es geht vom Unterniveau F = 1, m = +1 auf das Unterniveau P=I, m = 0 über. Das gleiche gilt für das bei B" ankommende Atom B, welches vom Unterniveau F= 1, m = -1 auf das Unterniveau F = 1, m = 0 übergeht. Das Atom C kommt bei C" an, wobei die Orientierung der Spins I und !> parallel oder antiparallel bezüglich ΈΤ liegt. Die Besetzung η der Atome C in der Zelle 1 teilt sich in der Zelle 2 zwischen die Unterniveaus F= 1, m - -1 und F = 1, m = +1 auf. Das Ergebnis dieser Atomauswechslungen von der Zelle 1 in die Zelle 2 besteht in einer Anreicherung der Besetzung des Niveaus F = 1, m = 0 auf Kosten der Niveaus F= 1, m = +1 und F = 1, m = -1, die entleert werden. Die Spins ΊΓ und J* richten sich in ihrer Mehrheit senkrecht

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zu H₂ aus und diese Ausrichtung wird infolge der Auskleidung der Wände der Zelle 2 Im wesentlichen aufrechterhalten. .

In Figur 3 zeigt das Energiediagramm W = f (Ho) des Wasserstoff s die Verteilung der Atombesetzungen 6 auf ihre jeweiligen Unterniveaus nach dem übergang der Atome in die Zelle 2. Das Unterniveau P = 1, m = .0 zeigt einen Überschuß von Atomen bezüglich des Hyperfeinniveaus P =0. Der so gebildete Atomüberschuß läßt eine Strahlung von elektromagnetischen Energiequanten h V ο entstehen. Diese Quanten liefern dem die Zelle 2 umgebenden Höchstfrequenz-Hohlraum die Energie, die er braucht, um seinen Schwingungszustand aufrechtzuerhalten. Wenn die Atome ihre Energiequanten in der Zelle 2 abgegeben haben, kehren sie In die Zelle 1 zurück, wo sie infolge der Wärmebewegung und infolge von Stößen die Energiequanten erhalten, die ihnen ermöglichen, ihre ursprünglichen Plätze auf den Unterniveaus wieder einzunehmen.

Die beschriebene Arbeitsweise läuft ohne Unterbrechung zwischen den beiden Zellen ab« Damit sie wirkungsvoll abläuft, müssen die Atome den zwischen den beiden Zellen gelegenen Umschlagbereich des Magnetfelds rasch verlassen.

Da die mittlere Geschwindigkeit ν der Atome an die thermische Bewegung gebunden ist, muß dafür gesorgt werden, daß die Kreisfrequenz *^_L der Präzession der Spins I und J* um die Induktionsfelder die Orientierung derselben nicht wesentlich verändern kann, während dieselben diesen Bereich verlassen. Diese Bedingung wird gegeben durch:

2?

^ L

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2t

wobei die Larmor-Frequenz und t die Dicke des Umschlagbereichs des Magnetfelds ist.

Um diese Bedingung zu erfüllen,- verwendet man Felder "ET und H₂ mit geringer Stärke. Für eine Feldstärke von 1 Millioersted beträgt beispielsweise die Larmor-Frequenz I¹JOO Hz. Daraus ergibt sich, daß die Dicke € wesentlich kleiner sein muß als 180 cm, was kein Problem darstellt.

Eine weitere zu berücksichtigende Bedingung richtet sich auf die Wahl der Abmessungen der Zelle 2 und des Kanals 3« Es hat sich herausgestellt, daß die Aufrechterhaltung von Schwingungen in dem Höchstfrequenz-Hohlraum nur möglich ist, wenn die mittlre Verweilzeit t des Atoms in demselben in der Größenordnung von einer Sekunde liegt. Diese Verweilzeit hängt vom Volumen V der Zelle 2, vom Querschnitt S des Kanals 3 und von einem Koeffizienten K ab, der von der Länge des Kanals 3 abhängt und gleich Eins ist, wenn diese Länge vernachlässigbar ist. Die Verweilzeit t läßt sich leicht unter Berücksichtigung der Erscheinung der Effusion der in der Zelle 2 enthaltenen Teilchen berechnen. Man findet:

s ν" · S · K ·

Das Volumen V wird so groß wie möglich, jedoch unter Berücksichtigung 0098A0/U91

rücksichtigung der Tatsache gewählt, daß die Zelle 2 in dem Höchstfrequenz-Hohlraum Platz finden muß.

Im Fall von Wasserstoff ist, die Resonanzfrequenz, y) des Hohlraums gleich l420Miz. Daraus ist herzuleiten, daß ein in der Schwingungsform H₀* * (TE_Q11) schwingender zylindrischer Hohlraum eine Zelle 2 mit einem Volumen V in der Größenordnung von 4 ÖOO cm^ enthalten kann. Wenn man einen zylindrischen Kanal 3 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer geringen Länge wählt, so sfeht man, daß die aus der obigen Formel abgeleitete Verweilzeit t sich auf 0,9 Sekunden beläuft.

Die Wahl des Drucks p« im Inneren der Zellen i und 2 ist dadurch bedingt, daß die Ausrichtung der Atome in der Zelle 2 eine ausreichende Zeit erhalten bleiben muß, damit diese mit hohem Wirkungsgrad ihre Energiequanten an den Hohlraum abgeben. Wenn man einen Druck ρττ zwischen ίο" und ΙΟ"¹ Torr annimmt, vermeidet man, daß die zwischenatomaren Stöße zu häufig werden, und man verhindert, daß die Emissionslinienbreite des Atoms den Wert ΔΧ? = 1. Hz überschreitet, welcher durch die Bedingung der Aufrechterhaltung der Schwingungen festgelegt ist.

In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßer Atomschwinger dargestellt. Er weist zwei Zellen 1 und 2 auf, welche durch einen Kanal 3 miteinander verbunden und jeweils mit Induktionsspulen 4 bzw. 5 versehen sind. Die Spülen 4 erzeugen in der Zelle 1 ein Magnetfeld Tq, während die Spulen 5 ein Magnetfeld Hg erzeugen. Eine Wand 8 bildet eine magnetische Abschirmung zwischen den Zellen 1 und 2, damit die Magnetfelder H* und H₂ ihre jeweiligen Orientierungen

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- ίο -

in den Zellen 1 und 2 beibehalten. Die Zelle 2 ist von einem Höchstfrequenz-Hohlraum oder Hohlraumresonator 7 umgeben, welcher mit einem Kopplungsglied 9 und einem Anpassungsglied 10 versehen ist., Die Anordnung ist in einem Gehäuse 11 angeordnet, welches eine Schutzabschirmung gegen äußere Magnetfeldquellen bildet. Die Zellen 1 und 2 bilden mit dem Kanal 3 einen abgeschlossenen Raum, welcher mit Wasserstoff unter dem Druck p_H gefüllt ist. Der Wasserstoff wird mittels einer ultravioletten Strahlungsquelle 12 zersetzt, welche die Zelle 1 bestrahlt. Die ZeI-Ie 2 ist innen mit einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen ausgekleidet, um eine Ausrichtungsstörung der Atome durch Stöße auf die Zellenwände zu verhindern.

Der in Figur 4 gezeigte Atomschwinger schwingt, wenn man nach Inbetriebnahme der Strahlungsquelle 12 den Höchstfrequenz-Hohlraum auf die Frequenz y abstimmt, welche dem Hyperfelnübergang des Wasserstoffs zwischen seinen Niveaus F = 0, m = 0 und F = 1, m = 0 entspricht. Um die Aufrechterhaltung der Schwingungen, zu begünstigen, ist der Höchstfrequenz-Hohlraum bezüglich des Feldes "HT derart ausgerichtet, daß das von demselben erzeugte elektromagnetische Feld in dem von der Zelle 2 eingenommenen Bereich parallel zu Hp liegt. In Figur k ist ein zylindrischer Hohlraumresonator dargestellt, welcher mit der Wellenform ^H011 ^^TE011^ schwingt. Die Achse dieses zylindrischen Hohlraums erstreckt sich parallel zum Feld H₂ > welches durch die Spulen 5 erzeugt wird.

In Figur 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, welche eine geeignete Füllung der Zellen 1 und 2 mit atomarem Wasser

stoff

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stoff gestattet. Diese Vorrichtung umfaßt die Zellen 1 und 2 und den In Figur 4 dargestellten Kanal 3, jedoch ist diese Anordnung nicht vollständig abgetrennt. Ein Zuleitungsrohr ist an die Zelle 1 angeschlossen und mit einem Ventil 18 verbunden, dessen anderes Ende mit einem Gehäuse 15 verbunden ist, in dem die Dissoziation von molekularem Wasserstoff stattfindet. Das Gehäuse 15 ist über ein Druckminderventil 14 mit einer mit molekularem Wasserstoff gefüllten Flasche 13 verbunden. Ein Evakuierungsrohr ist mit der Zelle 2 und mit einem Vakuummeßgerät 21 verbunden, um den überschüssigen Wasserstoff mittels der Pumpe 22 abzupumpen. Das Ventil 18 ist mit einem Sperrglied 19 aus Palladium und mit elektrischen Heizeinrichtungen 20 versehen. Das Dissoziationsgehäuse 15 ist von einem Schwingkreis l6 umgeben, welcher mit einer Hochfrequenzquelle 1? verbunden ist. Das Vakuummeßgerät 21 steuert eine Heizquelle 23, welche mit dem

Heizelement 20 verbunden ist. Der molekulare Wasserstoff ο

H wird in das Gehäuse 15 mit einem ausreichenden Druck eingeleitet, so daß seine Dissoziation durch hochfrequente elektrische Entladung möglich ist. Dieser Druck liegt über dem Druck p_H des in den Zellen 1 und 2 des Atomschwingers umlaufenden Wasserstoffs. Das Sperrglied 19 begrenzt die Abgabe von atomarem Wasserstoff infolge der Eigenschaft des Palladiums, in warmem Zustand für atomaren Warsserstoff durchlässig zu sein, und zwar umso mehr, je höher seine Temperatur ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es daher, mittels der Vorrichtung 23 die Menge von Wasserstoffatomen in den Zellen 1 und 2 in Abhängigkeit von dem durch das Meßgerät 21 gemessenen Druck p_H zu regeln. Wenn dieser Druck p_H sich zu ver

mindern

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mindern beginnt, wird dae Palladium derart erhitzt, daß es mehr Atome in die Zellen 1 und 2 einströmen läßt, als sie zur Pumpe 22 hin verlassen. Wenn der Druck p„ zu steigen beginnt, wird die Aufheizung unterbrochen, um die umgekehrte Wirkung zu erzielen.

Patentansprüche

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Claims

Pat entansprüehe

1./Atomschwinger mit einem Höchstfrequenz-Hohlraumresona- *" tor, dessen Eigenfrequenz mit der Frequenz einer von in den Hohlraumresonator eingeleiteten Atomen ausgesandten elektromagnetischen Strahlung zusammenfällt * wobei diese Atome im Grundzustand zwei Hyperfeinniveaus F=O und F=I besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome unter der Wirkung der Wärmebewegung zwischen einer ersten und einer zweiten Zelle umlaufen, welche durch einen Kanal miteinander verbunden sind, daß Einrichtungen zum Induzieren eines ersten bzw. zweiten Magnetfeldes, welche quer zur Achse des Kanals und in einen Winkel einschließenden Richtungen orientiert sind, in der ' ersten bzw. zweiten Zelle vorgesehen sind, daß die zweite Zelle in dem Hohlraumresonator angeordnet ist und · daß deren Innenwand mit,einer Schicht ausgekleidet ist, welche der Ausrichtungsstörung durch Stöße der Atome entgegenwirkt.

2. Atomschwinger nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Magnetfeld aufeinander senkrecht stehen*

3. Atomschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator ein zylindrischer Hohlraum 1st, dessen Achse parallel zu dem zweiten Magnetfeld ausgerichtet 1st. ·

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4. Atomschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atome Wasserstoffatome sind.

5. Atomschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff im atomaren Zustand mittels einer ultravioletten Strahlungsquelle gehalten wird, welche wenigstens einen Teil des von den Zellen gebildeten Volumens bestrahlt.

6. Atomschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

} daß Einrichtungen zur Speisung mit atomarem Wasserstoff

mit einer aer Zellen verbunden sind, wobei die andere Zelle mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.

7. Atomschwinger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseeinrichtungen eine geregelte Wasserstoffmenge mittels eines an eine der Zellen angeschlossenen Vakuummeßgeräts liefern.

8. Atomschwinger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse mit hoher magnetischer Permeabilität, welches eine magnetische Abschirmung um die Zellen und zwischen denselben bildet.

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