DE2317098B2 - Gaszellen-atomfrequenznormal - Google Patents
Gaszellen-atomfrequenznormalInfo
- Publication number
- DE2317098B2 DE2317098B2 DE19732317098 DE2317098A DE2317098B2 DE 2317098 B2 DE2317098 B2 DE 2317098B2 DE 19732317098 DE19732317098 DE 19732317098 DE 2317098 A DE2317098 A DE 2317098A DE 2317098 B2 DE2317098 B2 DE 2317098B2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- cell
- lamp
- isotopes
- frequency
- atomic frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 9
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002845 discoloration Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
- H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Description
45
Die Erfindung betrifft ein Gaszellen-Atomfrequenz-Itormal,
bei dem eine ein dampfförmiges Alkalielement tnthaltende 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 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 (vgl. z.B. US-PS 3174 114 und US-PS
59 797). Sie dienen als 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 Resoaanzbedingung
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 Rb87 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 Resonanzbedingung dient Das Isotop Rb87 kann allein in Lampe bzw. Zelle
verwendet werden, wobei, um den Effekt zu verbessern und zu stabilisieren, üie Verwendung einer mit dem Isotop
Rb85 gefüllten Gaszelle als Filter zwischen Lampe und Zelle vorteilhaft ist (vgL z. B. US-PS 33 63 193); 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 Frequenzmaßstab dienen soll und durch die HF-Schwingung abgefragt wird, nicht absolut konstant,
sondern in zwar geringem, aber bei den hier erreichbaren Genauigkeiten wahrnehmbaren Ausmaß von äußeren
Einflüssen 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 abzuleiten. 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 werdea 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 Isotopenverhältnis abweichenden Mischungsverhältnis vorhanden sind, daß die
Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Lichtintensität einen gewünschten Verlauf hat
Es konnte überraschenderweise gefunden werden, daß durch Verändern des Mischungsverhältnisses der
in der Lampe und der Zelle vorhandenen Isotope des Alkalielements 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 auf die Verwendung
einer Filterzelle zwischen Lampe und Resonanzzelle, wie sie bei den bisher bekannten Geräten dieser s
Art für erforderlich gehalten wird, verzichtet wird.
Bei Verwendung von Rubidium als Alkalielement besteht
eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, daß die Lampe im wesentlichen nur das Isotop .
Rb87 und die ZeUe die Isotopen Rb85 und Rb87 mit ig einem höheren Anteil von Rb85, als dem natürlichen
Isotopenverhältnis entspricht, enthält
Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform enthält die Zelle ein Gemisch der Isotopen Rb85 und
Rb87 im wesentlichen im natürlichen Isotopenverhält-
n\s und die Lampe ein Gemisch der Isotope Rb85 und
Rb87 mit einem höheren Anteil von Rb87, als dem natürlichen kotopenverhältnis 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 natürlichem Rubidium mit
einem Teil reinem Rb87, was einem Mengenverhältnis der Isotope Rb85 und Rb87 von etwa 1 :1 (genauer
48,5:513) entspricht
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert
F i g. 1 zeigt ein Prinzipschema des Atomfrequenznormals.
F i g. 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Frequenz von der Lichtintensität mit und ohne Anwendung
der Erfmdang.
Gemäß F i g. 1 durchläuft das von einer Spektrallampe
1 ausgestrahlte Licht eine aus geeignetem Glas gefertige Resonanzzelle 2 und trifft dann auf einen Lichtempfänger
3 (Photozelle od. dgl.). Die Resonanzzelle 2
befindet sich in einem Hohlraumresonator 4, der durch einen Quarzoszillator 5 über einen Frequenzvervielfaeher
6 zu Hochfrequenz-Schwingungen angeregt wird. Das Ausgangssignal des Lichtempfängers 3 wird in
einem Verstärker 7 verstärkt und dient aim Nachregeln des Quarzoszillators S 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 Isotopengemisch des Rubidium
(Mengenverhältnis Rb85: Rb87 wie 72,2 :27,8) sowie
mit Stickstoff und Methan als 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
Gewichtsverhältnis vor.
In F i g. 2 geben die Kurven a und b in willkürlichen
Einheiten die Abhängigkeit der relativen Frequenzverschiebung Af/f von der Intensität /des von der Lampe
auf die Zelle fallenden Lichtes wieder. Einen Verlauf gemäß 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
Eine Anwendung der Erfindung ist auch möglich bei einem Atomfrequenznormal, welcher mit Kalium statt
mit Rubidium als Alkalimetall arbeitet, da auch Kalium zwei natürlich vorkommende Isotope 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
Claims (5)
1. Gaszellen-Atomfrequenznornial, bei dem eine
ein dampfförmiges Alkalielement enthaltende Zelle s 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 gekennzeichnet, daü in a$r Lampe
(1) und/oder der Zelle (2) zwei Isotope des Alkalielements in solchem, vom natürlichen Isotopenverhältnis
abweichendem Mischungsverhältnis vorhanden sind, daß die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz
von der Lichtintensität einen gewünschten Verlauf hat
2. Atomfrequenznormal nach Anspruch 1, da- zo
durch gekennzeichnet daß das Mischungsverhältnis so gewählt ist daß die Resonanzfrequenz von der
Lichtintensität im wesentlichen unabhängig ist
3. Atomfrequenznormal nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit Rubidium als Alkalielement, 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
4. Atomfrequenznormal nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit Rubidium als Alkalielement, dadurch
gekennzeichnet, daß di«? 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
5. Atomfrequenznormal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Anteil des Rb87 an
dem Gemisch der Isotopen Rb85 und Rb87 in der Lampe (1) zwischen 35 und 90%, insbesondere zwischen
50 und 60%, liegt
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732317098 DE2317098B2 (de) | 1973-04-05 | 1973-04-05 | Gaszellen-atomfrequenznormal |
US455269A US3903481A (en) | 1973-04-05 | 1974-03-27 | Gas cell atomic frequency standard having selected alkali vapor isotope ratios |
CH437974A CH567813A5 (de) | 1973-04-05 | 1974-03-28 | |
GB1455274A GB1448952A (en) | 1973-04-05 | 1974-04-02 | Atomic frequency standard |
FR7411969A FR2224901B1 (de) | 1973-04-05 | 1974-04-04 | |
JP49039363A JPS5755234B2 (de) | 1973-04-05 | 1974-04-05 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732317098 DE2317098B2 (de) | 1973-04-05 | 1973-04-05 | Gaszellen-atomfrequenznormal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2317098A1 DE2317098A1 (de) | 1974-10-17 |
DE2317098B2 true DE2317098B2 (de) | 1976-07-15 |
Family
ID=5877120
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19732317098 Ceased DE2317098B2 (de) | 1973-04-05 | 1973-04-05 | Gaszellen-atomfrequenznormal |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3903481A (de) |
JP (1) | JPS5755234B2 (de) |
CH (1) | CH567813A5 (de) |
DE (1) | DE2317098B2 (de) |
FR (1) | FR2224901B1 (de) |
GB (1) | GB1448952A (de) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4494085A (en) * | 1982-04-28 | 1985-01-15 | Eg&G, Inc. | Miniaturized atomic frequency standard having both filter cell and absorption cell in resonator cavity |
US4596962A (en) * | 1983-11-03 | 1986-06-24 | Duke University | Evacuated, wall-coated, sealed, alkali atom cell for an atomic frequency standard |
US4661782A (en) * | 1985-11-25 | 1987-04-28 | Ball Corporation | Integrated microwave cavity resonator and magnetic shield for an atomic frequency standard |
US5517157A (en) * | 1993-04-27 | 1996-05-14 | Ball Corporation | Evanescent-field interrogator for atomic frequency standards |
US5656189A (en) * | 1994-12-02 | 1997-08-12 | Efratom Time And Frequency Products, Inc. | Heater controller for atomic frequency standards |
US5489821A (en) * | 1994-12-27 | 1996-02-06 | Ball Corporation | Lamp oscillator for atomic frequency standards |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3304516A (en) * | 1964-10-05 | 1967-02-14 | Varian Associates | Optically pumped atomic resonance apparatus with improved optical pumping means |
FR1594565A (de) * | 1968-07-08 | 1970-06-08 |
-
1973
- 1973-04-05 DE DE19732317098 patent/DE2317098B2/de not_active Ceased
-
1974
- 1974-03-27 US US455269A patent/US3903481A/en not_active Expired - Lifetime
- 1974-03-28 CH CH437974A patent/CH567813A5/xx not_active IP Right Cessation
- 1974-04-02 GB GB1455274A patent/GB1448952A/en not_active Expired
- 1974-04-04 FR FR7411969A patent/FR2224901B1/fr not_active Expired
- 1974-04-05 JP JP49039363A patent/JPS5755234B2/ja not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CH567813A5 (de) | 1975-10-15 |
JPS5070063A (de) | 1975-06-11 |
GB1448952A (en) | 1976-09-08 |
FR2224901A1 (de) | 1974-10-31 |
FR2224901B1 (de) | 1979-02-16 |
JPS5755234B2 (de) | 1982-11-22 |
DE2317098A1 (de) | 1974-10-17 |
US3903481A (en) | 1975-09-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE68902069T2 (de) | Atomuhr. | |
DE69101184T2 (de) | Resonanzmagnetometer mit optischen Pumpen, das unterschiedliche Polarisationszustände verwendet. | |
DE69311821T2 (de) | Atomfrequenzstandard | |
DE1798413C3 (de) | Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen. Ausscheidung aus: 1423462 | |
DE3217721A1 (de) | Verfahren zur einstellung der resonanzfrequenz eines kopplungsresonators | |
DE3686555T2 (de) | Integrierter mikrowellen-hohlraumresonator und magnetische abschirmung fuer einen atomfrequenz-standard. | |
DE2136283A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur genauen Stabilisierung der Ausgangswellenlange eines He Ne Lasers | |
DE1227994B (de) | Optisches Magnetometer | |
CH655207A5 (de) | Ringlaser-drehgeschwindigkeitsmesser. | |
DE2317098B2 (de) | Gaszellen-atomfrequenznormal | |
DE1174266B (de) | Atomuhr | |
EP0032358B1 (de) | Oszillator mit digitaler Temperaturkompensation | |
DE1491532B2 (de) | Atomresonanzvorrichtung fuer regenerativ angeregte strahlungsemission | |
DE2238814A1 (de) | Verfahren und schaltungsanordnung zur abstimmung des hohlraumresonators eines maser-oszillators | |
DE1589966B1 (de) | Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung eines optischen Senders | |
DE1933652B2 (de) | Mit einem Strahl von Atomen, insbesondere Alkaliatomen, arbeitende Atomuhr oder Atomfrequenznormal | |
DE69318193T2 (de) | Resonanz-Magnetometer mit optischen Pumpen, das einen monolithischen Laser verwendet | |
DE60001859T2 (de) | Kalibrierung eines radiogeräts durch korrektion der kristalloszillatorfrequenz | |
DE1773848C3 (de) | Verfahren zur Aufnahme hochaufgelöster Kernresonanz Spektren und Kernresonanzspektrograph zur Durchführung des Verfahrens | |
DE1216423B (de) | Einrichtung zur Intensitaetsmessung eines schwachen magnetischen Feldes | |
DE862317C (de) | Schaltung zur Frequenzmodulierung einer Traegerschwingung | |
DE2162050C3 (de) | Atomfrequenznorm al | |
DE2021071A1 (de) | Schaltung zur Regelung der mittleren Frequenz eines Schwingsystems | |
AT214517B (de) | Hochfrequenzspannungsteiler | |
DE2949412A1 (de) | Ringlaser-kreisel |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8235 | Patent refused |