DE2317098A1

DE2317098A1 - Gaszellen-atomfrequenznormal

Info

Publication number: DE2317098A1
Application number: DE2317098A
Authority: DE
Inventors: Ernst Jechart
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-04-05
Filing date: 1973-04-05
Publication date: 1974-10-17
Also published as: CH567813A5; GB1448952A; DE2317098B2; US3903481A; FR2224901B1; JPS5070063A; JPS5755234B2; FR2224901A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaszellen-Atomfrequenznormal, bei dem eine ein dampfförmiges Alkalielement enthaltende Zelle einerseits dem Licht einer das gleiche Alkalielement enthaltenden Spektrallampe und andererseits einer elektromagnetischen Hochfrequenz-Schwingung ausgesetzt ist und die bei Resonanz der HB¹-Schwingung mit einem Hyperfeinübergang der Alkaliatome in der Zelle eintretende Änderung der Lichtabsorption zur Nachstimmung eines Oszillators dient.

Atomfrequenznormale dieser Art sind seit einigen Jahren auf dem Markt erhältlich, das ihnen zugrundeliegende Prinzip ist Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen. Sie dienen als

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extrem genaue Frequenzgeber, wobei insbesondere die Langzeitkonstanz diejenige von Quarzoszillatoren um Größenordnungen übertrifft. In der Regel ist die Zelle in einem metallischen Hohlraumresonator -angeordnet, in welchem die gewünschte HF-Schwingung als Hohlraumschwingung unter Steuerung durch einen Quarzoszillator erzeugt wird. Um ein nutzbares Signal bei Erfüllung der Resonanzbedingung zu erhalten, sind zusätzliche Maßnahmen wie Erzeugung eines zusätzlichen statischen, homogenen Magnetfeldes in der Zelle, ~ Verwendung eines oder mehrerer Puffergase in der Zelle und/oder der Lampe, sehr genaue Thermostatisierung der Zelle und der Lampe usw. nötig. Als Alkalielement wird in der Regel Rubidium -verwendet, wobei es die Atome des Isotops Rb8? in der Zelle sind, deren Hyperfeinübergang durch seine Wechselwirkung sowohl mit dem eingestrahlten Licht als auch mit der HF-Schwingung als Maßstab für die Einhaltung der Res.onanzbedingung dient. Das Isotop Rb87 kann allein in Lampe bzw. Zelle verwendet werden, wobei, um den Effekt zu verbessern und zu stabilisieren, die ■ Verwendung einer mit dem Isotop Rb85 gefüllten Gaszelle als . Filter zwischen Lampe und Zelle vorteilhaft ist; es ist aber· auch bekannt, in Lampe und Zelle mit dem natürlichen Gemisch der Isotopen Rb85 und Rb87 zu arbeiten, wobei auf die Gasfilterzelle verzichtet werden kann.

Wie dem Fachmann bekannt, ist die dem Hyperfeinübergang zugeordnete Resonanzfrequenz, die letztlich als Frequenzmaß- =stab dienen soll und durch die HF-Schwingung abgefragt wird,

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nicht absolut konstant, sondern in zwar geringem, aber bei" den hier erreichbaren Genauigkeiten wahrnehmbaren Ausmaß von äußeren Einflüesen abhängig. Einer dieser Einflüsse betrifft die Abhängigkeit der Frequenz von der Intensität des Lichtes, welches die Zelle von der Lampe empfängt. Da Schwankungen bzw. langzeitige Änderungen der Lichtintensität im Betrieb vor allem aufgrund von Temperaturänderungen der Lampe sowie von Verfärbungen des Glases auftreten können, liegt hier eine Quelle für eine Einbuße an Frequenzkonstanz des Gerätes. Diese Gefahr ist bereits erkannt worden, und man hat z.B. vorgeschlagen, die Lichtintensität laufend zu überwachen und davon ein Korrektursignal abzuleitend Auch durch Erhöhung der Temperatur der Zelle oder durch die bereits erwähnte Anbringung einer Filterzelle mit dem Isotop Rb85 zwischen Lampe und Zelle kann die erwähnte Abhängigkeit der Frequenz von der Lichtintensität etwas reduziert werden. Alle diese äußeren Maßnahmen sind Jedoch z.T. aufwendig und z.T. prinzipiell unbefriedigend bzw. nur begrenzt durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Atomfrequenznormal der genannten Art so zu verbessern, daß die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Lichtintensität eine nach Belieben beherrschbare Eigenschaft des Gerätes wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Lampe und/oder der Zelle zwei Isotope des Alkalielements in solchem, vom natürlichen Isotopenverhältniß abweichenden Ver-

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hältnis vorhanden sind, daß die Abhängigkeit- der Resonanzfrequenz" von der Lichtintensität einen gewünschten V/ert hat.

Es konnte überraschenderweise gefunden werden, daß durch

Verändern des Mengenverhältnisses der in der Lampe und der

e Zelle vorhandenen Isotopen des Alkalielemntes der Grad der Abhängigkeit der Frequenz von der Lichtintensität geändert werden kann und daß man somit durch die Wahl- eines geeigneten Mischungsverhältnisses den Betrag und Verlauf dieser Abhängigkeit innerhalb eines gewissen Bereiches nach Wunsch einstellen kann, wobei sich gleichzeitig eine Verbesserung der Signalgüte ergibt. In der Regel wird die angestrebte und mit der Erfindung erreichte Art der Abhängigkeit der Frequenz von der Lichtintensität darin bestehen, daß die Frequenz unabhängig von der Lichtintensität konstant ist. Es wurde gefunden, daß dies in sehr guter Näherung erreicht werden kann, und zwar insbesondere auch dann, wenn gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung keine Filterzelle zwischen Lampe und Resonanzzelle vorhanden ist.

Bei Verwendung von Rubidium als Alkalielement besteht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, daß die Lampe im wesentlichen nur das Isotop Rbii?, und die Zelle die Isotopen Rb85 und Rbö7 mit einem höheren-Anteil-von Ilb65 als dem natürlichen Isotopenverhältnis entspricht, enthält*

Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsfora" entlrllt

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die Zelle ein Gemisch der Isotopen Rb85 und Rb87 im wesentlichen im natürlichen Isotopenverhältnis und die Lampe ein Gemisch der Isotope Rb85 und Rb87 mit einem höheren Anteil von Rb87, als dem natürlichen Isotopenverhältnis entspricht. Dabei liegt der Anteil an Rb87 in der Lampe vorzugsweise zwischen 35 und 90%, insbesondere zwischen 50 und 60%, je nach der angestrebten Frequenzabhängigkeit. Eine nahezu völlige Ausschaltung des Einflusses der Lichtintensität auf die Frequenz wurde insbesondere erreicht bei einer Mischung von zwei Teilen natürlichen Rubidium mit einem Teil reinem Rb87, was einem Mengenverhältnis der Isotope Rb85 und Rb87 von etwa 1:1 (genauer 48,5 : 51,5) entspricht.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschema des Atomfrequenznormals.

Fig. 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Frequenz von der Lichtintensität mit und ohne Anwendung der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 durchläuft dasvon einer Spektrallampe ausgestrahlte Licht eine aus geeignetem Glas· gefertigte Resonanzzelle, 2 und trifft dann auf einen Lichtempfänger 3

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(Photozelle od.dgl.). Die Hesonanzzelle 2 befindet sich in einem Hohlraumresonator 4, der durch einen Quarzoszillator 5 über einen Frequenzvervielfacher 6 su Hochfrequenz-Schwingungen angeregt wird. Das Aus gangs signal des Lichtempfängers 3 wird in einem Verstärker 7 verstärkt und dient zum Nachregeln des Quarzoszillators 5 .auf die Resonanzfrequenz, die durch einen Hyperfeinübergang der Atome in der Resonanzzelle 2 vorgegeben ist. Dem auf diese Weise ständig nachgeregelten Quarzoszillator 5 kann über einen Frequenzzusammensetzer 8 (Synthesizer) eine sehr konstante Frequenz von gewünschter Größe entnommen werden. Die Resonanzzelle 2 befindet sich außerdem in einem von Helmholtz-Spulen 9 erzeugten statischen, homogenen Magnetfeld, und ferner sind Lampe 1 und Zelle 2 von je einem Thermostaten 10, 11 umgeben, mit denen ihre Temperatur auf einem konstanten, nicht notwendigerweise gleichen Wert gehalten werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Resonanzzelle 2 mit' dem natürlichen Isotopengernisch des Rubidum (Mengenverhältnis Rb85 : Rb 87 wie 27,2 : 72,8) sowie mit Stickstoff und Methanais Puffergas mit einem Druck von wenigen Torr gefüllt. Die Lampe 1, die als elektrodenlose Spektrallampe ausgebildet ist, enthält Stickstoff als Puffergas und eine Mischung von zwei Teilen natürlichem Rubidium und einem Teil Rb87. Die Isotope Rb85 und Rb87 liegen dann in nahezu gleichem Gewicht sverhältnis vor.

In Fig. 2 geben die Kurven a und b in willkürlichen Einheiten die Abhängigkeit der relativen Frequenzverschiebung Af/f von der Intensität I des von der Lampe -auf die Zelle fallenden Lichtes wieder. Einen Verlauf gemäB der Kurve a erhält man, wenn sowohl Lampe 1 als auch Zelle 2 jeweils die natürliche Mischung der Isotopen Rb85 und Rb87 enthalten. Einen Verlauf gemäß Kurve b erhält man, wenn Lampe und Zelle gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel gefüllt werden. Man sieht, daß durch das erfindungsgemäß gewählte Mengenverhältnis der Isotope Rb85 und Rb87 in der Lampe der Einfluß der Lichtintensität auf die Frequenz praktisch ausgeschaltet ist.

Die Erfindung ist nicht auf Einzelheiten des Ausführungsbeispiels beschränkt, beispielsweise ist eine Anwendung der Erfindung auch möglich bei' einem Atomfrequenznormal, welches mit Kalium statt mit Rubidium als Alkalimetall arbeitet, da auch Kalium zwei natürlich vorkommende Isotopen aufweist. Ferner können in Lampe und Zelle andere als die erwähnten Puffergase verwendet werden, da die Wahl des Puffergases für die Abhängigkeit der Frequenz von der Lichtintensität im wesentlichen unkritisch ist.

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Claims

Patentansprüche

Λ.) Gaszellen-Atomfrequenznormalj bei dem eine ein dampfförmiges Alkalielement enthaltende Zelle einerseits dem Licht einer das gleiche Alkalielement enthaltenden Spektrallampe und andererseits einer elektromagnetischen Hochfrequenz-Schwingung ausgesetzt ist und die bei Resonanz der HF-Schwingung mit einem Hyperfeinübergang der Atome in der Gaszelle eintretende Änderung der Lichtabsorption zur Nachstimmung eines Oszillators dient, dadurch g e k e η η - . zeichnet, daß in der Lampe (1) und/oder der Zelle (2) zwei Isotope des Alkalielements in solchem, vom natürlichen Isotopenverhältnis abweichendem Verhältnis vorhanden sind, da8 die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Lichtintensität einen gewünschten Wert hat.
2. Atomfrequenznormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz von der Lichtintensität im wesentlichen unabhängig ist.
3. Atomfrequenznormal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (2) dem Licht der Lampe (1) ohne Zwischenschaltung einer Alkalimetallatome enthaltenden Gasfilterzelle ausgesetzt ist.

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4. Atomfrequenznormal nach einem der Ansprüche 1 bis 3» mit Rubidium als Älkalielement, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (1) im wesentlichen nur das Isotop Rb87 und die Zelle die Isotopen Rb85 und Rb87 mit einem höheren Anteil von Rb85, als dem natürlichen Isotopenverhältnis entspricht, enthält.
5. " Atomfrequenznormal nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit Rubidium als Alkalielement, dadurch gekennzeichnet,' daß die Zelle (2) ein Gemisch der Isotope Rb85 und Rb87 im wesentlichen im natürlichen Isotopenverhältnis und die Lampe (1) ein Gemisch der Isotope Rb85 und Rb87 mit einem höheren Anteil von Rb87» als dem natürlichen Isotopenverhältnis entspricht, enthält.
6. Atomfrequenznormal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Rb87 an dem Gemisch der Isotopen Rb85 und Rb87 in(der Lampe (1) zwischen 35 und 9036, insbesondere zwischen 50 und 60#, liegt.

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L e e r s e i f e