DE2013572A1 - Maser-Oszillator mit gekreuzten Magnetfeldern - Google Patents
Maser-Oszillator mit gekreuzten MagnetfeldernInfo
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Description
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
Telefon: 83 15 10
Postscheckkonto ι München 117078
Unser Zeichen: T 853
THOMSON-CSP.
101, Boulevard Murat, Paris l6e/Prankreich
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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
00984071491
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
0098A0/U91
2GT3 57
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. - ■
009840/1491
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
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
0Q984Q/U91
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
009840/1491
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* * (TEQ11) 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 pH 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
0098A0/U91
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 pH 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 pH zu regeln. Wenn dieser Druck pH 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.
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Claims (8)
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. ·
0098A0/U91
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.
009840/U91
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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---|---|
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Family Applications (1)
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Also Published As
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---|---|
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