DE2317098B2 - Gaszellen-atomfrequenznormal - Google Patents

Description

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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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

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