DE2417377C2 - Hyperfeinfilter für die Resonanzlinien von Cäsium und Rubidium - Google Patents
Hyperfeinfilter für die Resonanzlinien von Cäsium und RubidiumInfo
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Description
gere Temperatur zu n iicißn.
Das erzeugte Magnetfeld ist zweckmäßigerweise parallel zu dem die Zelle und den Zirkularanalysator
durchsetzenden Lichtbündel. Dieses Feld wird vorzugsweise durch eine Einrichtung erzeugt, welche aus zwei
hufeisenförmigen Dauermagneten besteht, die in der bekannten »C-Magnet«-Form angeordnet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das von der Lampe des Metalls, dessen Filterung
durchgeführt werden soll, erzeugte Lichtbündel durch Lichtführungen geführt, der Zirkularanalysator umfaßt
ζ. B. ?·Γ. A'4-Piättchen und einen Linearpolarisator und
der Zirkularanalysator kann auch in der entgegengesetzten Lage bezüglich der Lampe angeordnet sein, d. h.
daß er direkt nach der La rope und vor dem Auftreffen
des von der Lampe erzeugten Lichtbündels auf die Zelle angeordnet ist
Wie oben angegeben, soll das Magnetfeld höher als 3000 Gauß und geringer als 5000 Gauß sein.
Bezüglich des ersten Grenzwerts ist zu bemerken, daß dieser von der restlichen Kopplung zwischen dem
Atomspin und dem Elektronenspin abhängt, welche die Wirkung der genügend hohen Intensität einiger
Zeeman-Linien ist, die für Magnetfelder niedriger Intensität typisch sind, durch den Back-Goudsmit-Effekt
bei stärkeren Magnetfeldern verschwinden müssen und die Änderung des Absorptionsvorgangs der O + - und
0~-Komponenten bewirken. Bezüglich der zweiten
Grenze ist zu sagen, daß aufgrund der Tatsache, daß bei einem Magnetfeld hoher Intensität die Aufspaltung
zwischen den o- Linien größer ist als diejenige der Hyperfeinstruktur bei einem Magnetfeld Null, die
Durchführung irgendeiner Filterung unter diesen Betriebsbedingungen unmöglich ist.
Anhand der Figuren wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch die Längsmitte einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Filters;
Fig. 2 die Ergebnisaufzeichnung der mit dem in F i g. 1 gezeigten Gerät durchgeführten Messungen der
D2- Linie von Cäsium und der Komponente F-4 und
Fig. 3 die Ergebnisaufzeichnung der mit dem in Fig. 1 gezeigten Gerät durchgeführten Messungen der
Dr Linie von Cäsium und der Komponente F-3.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Erzeugung der magnetischen Felder,
die für den Betrieb des Filters erforderlich sind, zwei hufeisenförmige Dauermagnete 1 verwendet, welche in
der üblichen, unter der Bezeichnung »C-Magnete« bekannten Form angeordnet sind, wobei jedoch auch
andere geeignete Magnete verwendet werden können.
Die zwei Dauermagnete 1 liegen gegenüber zwei Polschuhen 2 und 3 aus Weicheisen, die jeweils mit
durchgehenden Löchern 4 bzw. 5 versehen sind, welche auf die Mittelachse 0 der Anordnung ausgerichtet sind,
die in der Längsmittelebene der zwei Magnete ( verläuft. Zwei Lichtfuhrungen 7 und 8 sind vorgesehen,
deren jede aus einem Kupfer- odtr Messingrohr mit einer polierten, silber- oder goldplattierten Innenfläche
zur Erhöhung seines Reflexionsvermögens besteht, wobei die Rohre 7 und 8 in die Löcher 4 bzw. 5
eingesetzt sind. In der Mitte der zwei Polschuhe 2 und 3 ist eine Zelle 9 aus Glas oder Quarz angeordnet, welche
mit gesättigicm Dampf des Metalls gefüllt ist, dessen Filterung durchgeführt werden soll (insbesondere
Cäsium oder Rubidiu.n). Die Anordnung ist so gewählt, daß ein Magnetfeld um die Zelle 9 erzeugt wird, das
zwischen 3500 und 5000 Gauß liegen kann.
Ausgerichtet mit der Achse 6 ist auf einer Seite der Vorrichtung eine Lampe 10 des Metalls angeordnet,
dessen Filterung durchgeführt werden soll (insbesondere
Cäsium oder Rubidium), so daß das von der Lampe erzeugte Lichtbündel durch die Lichtführungen 7 und 8
derart geführt wird, daß es zu dem durch die zwei Magnete erzeugten Magnetfeld parallel wird und die
Zelle 9 durchsetzt. Das die Zelle 9 verlassende Lichtbündel weist zwei in entgegengesetzten Richtungen
zirk.ularpolarisierte Hyperfeinkomponenten der Resonanzlinien auf. Nachdem das Lichtbündel die
Lichtführung 8 verlassen hat, geht es durch einen Zirkularanalysator 11, in dem eine der Hyperfeinkomponenten
von der anderen getrennt wird.
Der Zirkularanalysator besteht gewöhnlich aus einem λ/4-Plättchen 12 und aus einem Linearpolarisator 13
unter Hinzufügung eines Interferenzfilters 14. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das λ/4-Plättchen
12 aus einem GHmmerplättchen von geeigneter Stärke und der Polarisator besteht aus dem Polaroid
HN 7, hergestellt von der Firrr.» Polaroid. Das Interferenzfilter 14 von irgendeiner üb-ichen Bauart
dient zum Auswählen der jeweils gewünschten Resonanzlinie.
Durch Aufschrauben der Schrauben 15 kann der obere Teil des Analysators um einen Winkel bezüglich
des λ/4-Plättchens 12 gedreht werden, wobei dieser obere Teil den Polarisator 13 und das Interferenzfilter
λ 14 umfaßt. Insbesondere eine Drehung um einen Winkel
von 90° dient zur willkürlichen Transmission entweder der einen oder anderen Resonanzliniengruppe.
Damit das Filter arbeiten kann, ist es erforderlich, daß in der Zelle 9 sich eine optimale Dampfmenge des
Metalls befindet, dessen Filterung durchgeführt werden soll (insbesondere Cäsium oder Rubidium). Dies wird
durch Regelung der Zellentemperatur entsprechend der gewünschten Linie und entsprechend der brauchbaren
Dicke der Zelle 9 erzielt, indem ein kleiner Ofen 16
verwendet wird, in den das ganze Filter gesetzt wir j, das
durch einen Satz von Schraubenbolzen 17 getragen und daran befestigt wird. Beispielsweise im Fall der D2-Linie
des Cäsiums und bei einer brauchbaren Dicke der Zelle 9 von 5 mm liegt die optimale Temperatur zwischen 95°
und 98"C. Bei Verwendung einer anderen I'nie oder
Dicke muß die Temperatur entsprechend verändert werden.
Das erfindungsgemäße Filter ist außerordentlich wirkungsvoll. Beispielsweise sind in den F i g. 2 und 3 die
Ergebnisse von Messungen dargestellt, welche durchgeführt
wurden, um den Wirkungsgrad einer bevorzugten Ausführungsform de τ erfindungsgemäßen Vorrichtung
bezüglich der D2-Linie des Cäsiums zu steuern Insbesondere sind aus F i g. 2 die Durchlässigkeitswirkunge..
tines Filters ersichtlich, dessen Polarisator 13 bezüglich des λ/4-Plättchens 12 so orientiert ist, daß er
die Komponente F-4 durchläßt, und aus Fig.3 ist die
Durchlässigkeitswirkung eines Filters ersichtlich, dessen Polarisator bezüglich des λ/4-Plättchens 12 so orientiert
ist. daß er die Komponente F-3 durchläßt.
In beiden F i g. i und 3 wurde eine lineare Skala verwendet, hs ist dem Fachmann klar, daß auch einigt
Abänderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
*" können die dargestellten »C-Magnete« zur Erzeugung
des Magnetfelds durch »Ε-Magnete« oder »THoi.iid-Magnete«
ersetzt werden.
Ferner ist zu bemerken, daß die brauchbare Dicke der
5 6
Zelle 9 nicht kritisch ist, da es genügt, die Betriebstem- dert werden, ohne den Betrieb der Vorrichtung
peratur des Filters entsprechend zu verändern, um einen nachteilig zu beeinflussen. Beispielsweise kann der
gleich hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Analysator direkt nach der Lampe angeordnet sein. d. h.
In gleicher Weise kann die Anordnung des Zirkular- die Filterteile können in umgekehrter Anordnung
analysators bezüglich der anderen Bestandteile abgeän- >
bezüglich der Lampe angebracht werden.
Claims (9)
1. Hyperfeinfilter für die Resonanzlinien von
Alkalimetallen, insbesondere Cäsium und Rubidium mit einer für Lichtstrahlen durchlässigen Zelle,
welche Dämpfe des zu filternden Alkalimetalls enthält, einer Einrichtung zur Erzeugung eines
Magnetfeldes, in welchem die Zelle angeordnet ist und einer Lampe des Metalls dessen Filterung
gewünscht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lampe (10) ausgesandte Lichtbündel in einer derartigen Richtung auf die Zelle (9)
auftrifft, daß die zwei Hyperfeinkomponenten der durch die Zelle gehenden Resonanzlinie durch die in
der Zelle vorhandenen Atome als O+- bzw. o--Strahlung derart absorbiert werden, daß in jeder
Hyperfeinlinie nur eine der zwei orthogonalen Komponenten der Zirkularpolarisation absorbiert
wird, und daß ein Zirkularanalysator (11) zur
Trennung einer der Hyperfeinkomponenten des aus der Zelle (9) austretenden Lichtbündcfc vun der
anderen und ein Interferenzfilter (14) zum Auswählen der jeweiligen Resonanzlinie, deren Verwendung
gewünscht ist, vorgesehen sind.
2. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß die Inte isität des Magnetfelds
an der Zelle (9) zwischen 3000 und 5000 Gauß liegt.
3. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Zelle (9)
entsprechend der ausgewählten Linie und entsprechend der brauchbaren Dicke der Zelle derart
ausgewählt ist, da'i die Zelle eine optimale
Dampfmenge des Metalls enthält, dessen Filterung durchgeführt werden soll.
4. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem kleinen Ofen (16)
angeordnet ist, so daß die Temperatursteuerung der Zelle (9) erleichtert und eine bessere Gleichmäßigkeit ihrer Temperatur erzielt wird.
5. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Magnetfeld
parallel zu dem die Zelle (9) und den Zirkularanp/ysator (11) durchsetzenden Lichtbündel verläuft.
6. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung
des Magnetfelds zwei hufeisenförmige Dauermagnete (1) in der sogenannten »C-Magnet«-anordnung
aufweist.
7. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lampe (10) des
Metalls, dessen Filterung gewünscht wird, erzeugte Lichtbündel durch Lichtführungen (7, 8) geleitet
wird.
8. Hyperfeinfilter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkularanalysator (11) ein
A/4 Plättchen (12) und einen Linearpolarisator (13) umfaßt.
9. Hyperfeinfilter nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkularanalysator (11)
bezüglich der Lampe (10) in umgekehrter Anord nung angebracht ist. indem er direkt hinter der
Lampe und vor dem Auftreffen des von der Lampe erzeugten l.ichtbündels auf die Zelle (9) angeordnet
ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Hyperfeinfilter für die Resonanzlinien von Alkalimetallen, insbesondere
Cäsium und Rubidium, mit einer für Lichtstrahlen durchlässigen Zelle, welche Dämpfe des zu filternden
Alkalimetalls enthält, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, in welchem die Zelle angeordnet ist
und einer Lampe des Metalls, dessen Filterung gewünscht ist
Bekanntlich liegt die Hauptschwierigfeeit bei der
ίο Erzielung eines optischen Hyperfeinpumpcns von
Alkaliatomen im Herausfiltern einer der zwei Hyperfeinkomponenten der Resonanzlinien. Da die Hyperfeinstruktur weniger als 0,1 A beträgt, sind die
gewöhnlich erhältlichen bekannten Filterarten vollstän-
' dig unbrauchbar.
Für die D|-Linie des Cäsiums wurde ein Filter vorgeschlagen, welches aus einer Absorptionszelle
besteht, die in einem senkrecht zur Lichtbündelrichtung verlaufenden Magnetfeld angeordnet ist wodurch ein
gutes optisches Hyperfeinpumpen der Atome nur im unteren Hyperfein-Unterniveau erzielt werden kann, es
dagegen unmöglich ist, ein ausreichendes Pumpen im oberen Hyperfein-Unterniveau zu erzielen, wie es bei
bestimmten Anwendungen, wie Masern, erforderlich ist
:5 Eine andere bekannte Filterart besteht aus einer
zylindrischen Glaszelle, welche Cäsiumdämpfe enthält und in einem zur Lichtbündelrichtung parallelen
Magnetfeld angeordnet ist, wobei dieses Magnetfeld durch ein zylindrisches Solenoid erzeugt wird. Auch
wenn die Ergebnisse dieses Filters teilweise brauchbar sind, weist es einige Nachteile auf, wie beispielsweise die
Schwierigkeit seiner Herstellung.
Bei Rubidium sind brauchbare, jedoch nicht vollständig zufriedenstellende Ergebnisse mittels eines Filters
erzielt worden, bei dem ein isotopisches Außer- Phase-Bringen zwischen zwei stabilen Isotopen angewendet
wird.
Durch die Erfindung soll ein Hyperfeinfilter für die Resonanzlinien von Alkalimetallen und insbesondere
von Cäsium und Rubidium ^escha'fen werden, welches
eine hervorragende Filterwirkung in allen Hyperfeinniveaus bei einfacher Herstellung und Handhabung
gewährleistet
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten
« Hyperfeinfilter erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
das von der Lampe ausgesandte Lichtbündel in einer derartigen Richtung auf die Zelle auftrifft, daß die zwei
Hyperfeinkomponenten der durch die Zelle gehenden Resonanzlinie durch die in der Zelle vorhandenen
Atome als o*- bzw. «--Strahlung derart absorbiert
werden, daß in jeder Hyperfeinlinie nur eine der zwei
orthogonalen Komponenten der Zirkularpolarisation absorbiert wird, und daß ein Zirkularanalysator zur
Trennung einer der Hyperfeink.jmponenten des aus der
" Zelle austretenden Lichtbündels von der anderen und
ein Interferenzfilter zum Auswähle.! der jeweiligen Resonan/Iinie, deren Verwendung gewünscht ist.
vorgesehen sind.
Die Intensität des Magnetfelds, in welchem die Zelle
angeordnet ist. hat vorzugsweise einen Wert zwischen
3000 und 500t, Gauß und die Zeilentemperatur ist
entsprechend der durchzulassenden linie und der brauchbaren Dicke der Zelle eingestellt, so daß die Zelle
eine optimale Dampfmenge des Metalls enthält, dessen
"■ Filterung durchgeführt werden soll. Dies kann erreicht
werden, indem die Vorrichtung in einen kleinen Ofen eingebracht wird, um eine einfachere und bequemere
Steuerung der Zellentemperatur und eine e'eichformi·
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