DE2545166B2 - Atomstrahlröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Atomstrahl röhre für ein Frequenznormal mit einer Quelle zur Erzeugung eines gerichteten Strahles atomarer Teilchen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, vgl. DE-OS 1491505.

Atomstrahlröhren sind die frequenzbestimmenden Grundelemente in Vorrichtungen, die als extrem stabiles Frequenznormal dienen. Wesentliches Merkmal eines Atomstrahl-Frequenzstandards ist die Aufnahme bzw. der Nachweis einer Resonanz innerhalb eines atomaren Hyperfeinzustandes, der als Frequenznormal dient. Zur praktischen Ausnutzung dieser Resonanz werden atomare Teilchen, beispielsweise Caesiumatome, die zu einem Atomstrahl kollimiert und beschleunigt sind, der Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt. Wenn die Frequenz der äußeren angelegten elektromagnetischen Strahlung gleich der Resonanzfrequenz einer Zustandsänderung im jeweiligen Atom ist, werden die den jeweils ausgewählten Zustand aufweisenden Atome aus dem Strahl ausgeblendet und auf einen Detektor geführt. Die Frequenz der aufgeprägten Strahlung wird im Bereich der genauen Atomresonanzfrequenz moduliert, wobei vom Detektor ein Signal erzeugt wird, das der Servosteuerung eines Schwungradoszülators dienen kann. In dieser Weise kann ein Re°elkreis zum Verriegeln tier Snllfrenuenz oder der Mittenfrequenz der aufgeprägten Strahlung auf der Atomresonanzlinie dienen.

Bei der Verwendung von Caesiumatomen für den Atomstrahl in einer Atomstrahlröhre wird die Resonanzfrequenz des Überganges zwischen zwei Hyperfeinniveaus gewählt.

Eine gebräuchliche Caesiumatomstrahlröhre enthält eine Quelle, aus der das Caesium durch einen Kollimator verdampft. Der Kollimator überführt den Atomdampf in einen schmalen gebündelten Strahl und richtet ihn durch die Atomstrahlröhre.

Auf den so kollimierten Atomstrahl wirken nacheinander ein erster Magnet (»Α-Magnet«) mit einem stark inhomogenen Feld als Zustandsfilter, ein »C-Magnet« mit einem gleichmäßig schwachen Magnetfeld, in dessen Einflußbereich die Atome außerdem einem äußeren Wechselfeld mit einer der Resonanzfrequenz entsprechenden Frequenz ausgesetzt sind, und ein zweiter Magnet (»B-Magnet«) als zweites Zustandsfilter ein. Schließlich werden die Atome auf einen Detektor gerichtet.

Gebräuchliche Molekularstrahlröhren sind in der Weise aufgebaut und werden in der Weise betrieben, daß das Quellenmaterial für den Molekularstrahl in einer Ampulle untergebracht ist, die während des Ausheizens und Evakuierens der Röhre verschlossen ist. Diese Ampulle wird im letzten Betriebsvorbereitungsstadium nach dem Ausheizen der Röhre, jedoch noch bei laufender Pumpe, geöffnet. Beim öffnen der Ampulle entweichende Gase können dann noch vor dem endgültigen Verschließen der Röhre abgepumpt werden.

Zum öffnen der Ampulle sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei einem dieser Verfahren wird die Ampulle an einer Sollbruchstelle aufgebrochen, wenn man einer Heizwendel elektrische Energie zuführt, wodurch ein mechanisch mit der Sollbruchstelle verbundenes Element durch seine Ausdehnung den Bruch herbeiführt. Bei der aus der DE-OS 1491505 bekannten Anordnung wird ein mechanischer, thermisch betätigter Ampullenöffner vei"wendet, bei dem ein Messer thermisch betätigt wird, um durch den dünnwandigen Teil der Ampulle zu schneiden, so daß der Inhalt für den Gebrauch austreten kann. Nach einem ausgereifteren Verfahren wird ein außenliegender Kondensator über elektrische Zuleitungen in die Röhre hinein entladen, wodurch in einem bestimmten Teil der Ampulle ein Dampfentladungsbogen erzeugt wird, dessen Wärmeentwicklung zum Bruch der Ampulle an der Sollbruchstelle führt.

Bei diesen Verfahren müssen lediglich zu dem Zweck des öffnens der Ampulle vorgesehene, zusätzliche Bauteile in die Röhre eingebaut werden. Insbesondere müssen zusätzliche elektrische Durchführungen durch die Vakuumröhre geschaffen werden, die den konstruktiven Aufbau der Röhre weiter komplizieren.

Ausgehend von einer aus der DE-OS 1491505 bekannten Molekularstrahlröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ampullenstruktur und Einrichtungen zum öffnen der Ampulle zu schaffen, die insbesondere keine zusätzlichen Bauteile und vor allem keine zusätzlichen elektrischen oder mechanischen Durchführungen durch das Vakuumgehäuse erfordern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen

Merkmale gelöst.

Die für das Aufheizen der genannten Ofenkonstruktion auf Betriebstemperatur vorgesehenen Heizelemente dienen erfindungsgemäß gleichzeitig zur Erhitzung der Ampulle, deren aiiß einer eutekti- "· sehen Metallegierung bestehendes Dichtungselement bei einer bestimmten Temperatur nachgibt, so daß die Öffnung der Ampulle geöffnet und der Inhalt aus Jer Ampulle freigesetzt wird. Das öffnen der erfindungsgemäß ausgebildeten Ampulle wird also durchgeführt, "' ohne daß für diesen Zweck zusätzliche Bauteile vorgesehen und zusätzliche elektrische Durchführungen durch die Vakuumglccke geschaffen werden müssen. Der konstruktive Aufwand für die Röhre ist daher gering. i~>

Mit einer kraftausübenden Einrichtung, beispielsweise einer Druckfeder, gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 2 wird verhindert, daß der Deckel nach Abfall des Dampfdruckes im Gefäß die öffnung unbeabsichtigt wieder verschließt. "

Der freizusetzende, in der Ampulle enthaltene chemische Stoff kann beispielsweise Caesium sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt -'">

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung wesentlicher Bauteile einer Atomstrahlröhre,

Fig. 2 Einzelteile des Verdampfers und der Ampulle in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 die Ampulle im Querschnitt, ü>

Fig. 4 die zusammengesetzte Quelle in perspektivischer Darstellung, und

Fig. 5 die Quelle mit Reflektor und Träger.

In Fig. 1 sind die wichtigsten Grundelemente einer Caesiumstrahlröhre dargestellt. Die Grundelemente r> sind jene der Strahlerzeugung und der Registrierung. Die Quelle 10 für die atomaren Teilchen enthält eine Caesium-Ampulle und einen Verdampfer, der flüssiges Caesium verdampft und über einen Kollimator einen Strahl neutraler Caesiumatome aussendet, die m statisch auf die beiden stabilen Energiezustände (F= 4, w_F=0)und F=3,m_F= 0) verteilt sind, wobei sich F auf die Größe des gesamten atomaren Winkelmomentes, also die Summe der Elektronen- und Kernmomente, bezieht, während sich m_F auf jene π Komponente dieses Gesamtwinkelmomentes bezieht, die in der Richtung eines aufgeprägten äußeren Magnetfeldes liegt, in einem ersten Zustandsfilter oder A-Magnet 12 werden diese Energiezustände in Unterniveaus aufgespalten und die Atome im Zustand >» F= 3 sowie mit dem Unterniveau (4, — 4) durchgelassen, während alle anderen Atome aus dem Caesiumstrahl ausgeblendet werden. Der gefilteits Strahl wird dann durch das RF-Wechselwirkungsbauglied 14 geführt. In diesem Bauglied wird durch eine Spule 22 r> ein schwaches homogenes Magnetfeld, das C-FeId, erzeugt. Außerdem wirkt auf den Atomstrahl mit Resonanzfrequenz eine Mikrowellenenergie ein, die in einigen der Atome des Strahls Übergänge (3, 0) -»(4, 0) induziert. hi

Anschließend werden dann die Atome im Zustand (4, 0) durch den zweiten Zustandsfilter oder B-Magneten 16 aus dem Strahl ausgefiltert. Alle Atome mit anderen Zuständen werden aus dem Strahl ausgeblendet. Die auf diese Weise durch den B-Magneten _h'> ausgewählten Caesiumatome treffen auf den zum Ionisieren verwendeten heißet) Draht 20. Dabei wird jeweils ein Elektron vom Caesiumatom abgestreift.

Dies führt zu einer Reemission von Caesiumionen, die durch ein Massenspektrometer 207 in den Elektronenvervielfacher 18 gerichtet werden. Der Elektronenvervielfacher erzeugt einiin Ausgangsstrom, der der Anzahl der auf den heißen Draht 20 treffenden Caesiumatome proportional ist, also proportional der Anzahl von Atomen ist, die im Mikrowellenhohlraum in den zweiten energetischen Zustand angehoben worden sind.

Im folgenden wird die Caesiumquelle 10 mit dem Verdampfer und der Ampulle im einzelnen beschrieben. Die Quelle 10 ist in den Fig. 2 bis 5 dargestellt. Sie umfaßt den hier nicht näher zu beschreibenden Kollimator 42 und einen Verdampfer, der im wesentlichen aus einem Aufnahmebehälter 29 und einer darin angeordneten Ampulle 27 besteht. Die Ampulle 27 besteht aus einem dünnwandigen im wesentlichen zylindrischen Gefäßkorpus 30, auf dem ein Verschluß 37 mit einem Einf üllröhrchen 38 sitzt. Der Verschluß 37 und der zylindrische Korpus 30 bilden gemeinsam ein Ampullengefäß. Die Wandstärke dieses Gefäßes beträgt typischerweise etwa 0,38 mm.

An der dem Verschluß 37 gegenüberliegenden Stirnseite des Gefäßkorpus 30 ist eine öffnung 49 vorgesehen. Ein napfförmiger Deckel 34 ist hermetisch dichtend in die öffnung 49 des Gefäßes 27 eingesetzt, und zwar mit Hilfe eines, eine eutektische Metallegierung enthaltenden Dichtungselements 32. Die Metallegierung ist so zusammengestellt, daß ihr Erweichungspunkt bzw. mechanischer Schwächungspunkt bei einer Temperatur im Bereich von ca. 600 ° C liegt. Als Beispiel für eine solche eutektische Metallegierung sei eine Legierung genannt, die zu 45 Gew.- % aus Kupfer und zu 55 Gew.-% aus Indium besteht. Eine schwache Druckfeder 35 ist zwischen dem Dekkel 34 und dem Verschluß 37 eingespannt.

Nach dem Füllen des Gefäßes mit dem flüssigen Caesium wird das Einfüllröhrchen 38 unter Vakuum im Heliumbogen abgeschmolzen.

Ein Drahtgitterschirm 36 mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgibt die Ampulle 27 im Aufnahmebehälter 29. Dabei dient das Gitter 36 sowohl als Element zur Wärmeableitung als auch zur Aufnahme und ergänzenden Halterung der Ampulle.

Die Ampulle 27 ist im Aufnahmebehälter 29 eingesetzt. In einem äußeren Kupferzylinder 28 des Aufnahmebehälters 29 ist an dessen unterem Rand ein Ringfalz 40 ausgebildet. Ein Schweißadapter 39, der einen unteren Flansch 41 aufweist, ist auf den Ringfalz 40 am Außenzylinder 28 aufgeschweißt. Ein Ampullenträger 43 besteht aus einem nach unten offenen napfartigen Fuß 44 und drei senkrecht aufwärts stehenden Trägerfüßen 45. Der Fuß 44 des Trägers 43 ist durch eine Heliumbogenschweißnaht 46 (Fig. 3) mit der inneren Oberfläche des unteren Flansches 41 des Schweißadapters 39 verbunden. Dadurch wird ein Behälterinnenraum 51 geschaffen, der den Bodenverschluß 34 umgibt und mit dem Gitter 36 in Verbindung steht. Die Ampulle 27 ist in der Weise auf den Träger 43 aufgesetzt, daß der Bodenverschluß 34 der Ampulle frei zwischen den senkrecht stehenden Stützen 45 hängt.

Zwei Tantalheizelemente 90 und 92 sind in einer Keramikhalterung 88 befestigt und in Quarzrohren 80 und 82 in den Kollimator 42 eingesetzt. Nach dem Ausheizen der Atomstrahlröhre wird die Ampulle durch diese Heizelemente geöffnet, die die Ampulle auf 600° C erwärmen. Bei dieser Temperatur gibt das

aus einer eutektischen Metallegierung bestehende Dichtungselement 32 nach. Durch die kombinierte Einwirkung des Caesiumdampfdruckes in der Ampulle 27 und der Kraft der schwachen Druckfeder 35 wird eine Spannung erzeugt, die größer als die dichtende Kraft der Metalldichtung 32 bei dieser Temperatur ist. Der Deckel 34 wird aus der Öffnung 49 im zylindrischen Korpus 30 herausgedrückt. Dabei wird das Caesium aus der Ampulle freigesetzt. Die Feder 34 verhindert, daß der Deckel 34 unbeabsichtigt die Ampulle wieder verschließt.

Beim späteren Betrieb der Röhre dienen die Tantalheizelemente 90 und 92 zum Aufwärmen der gesamten Ofenkonstruktion 10 auf Betriebstemperatur, die typischerweise bei etwa 90° C liegt. Bei dieser Temperatur verdampft das flüssige Caesium im Aufnahmebehälterraum 51 allmählich und diffundiert durch das Gitter 36 hindurch zum Kollimator 42. Funktionell entspricht der Kollimator 42 einem Bündel kleiner Röhrchen, die so ausgerichtet sind, daß aus ihnen ein gerichteter Strahl von Caesiumatomen austritt. Der Aufbau eines solchen Kollimators ist an sich bekannt und daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben.

Der Ofenträger ist so ausgelegt, daß er gegen die Umgebung der Atomstrahlröhre thermisch isoliert ist. Da die gesamte Ofenstruktur im Vakuum untergebracht ist, tritt kein Wärmeverlust durch Konvektion ein. Der Hauptanteil des Wärmeverlustes geht auf Strahlung zurück, geringere Anteile werden durch Wärmeleitung abgeführt. Der Ofenträger ist daher aus einem Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit hergestellt, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, und weist Laschen 100 und 102 auf, mit der die gesamte Verdampferstruktur 10 am Aufbau des A-Magneten befestigt werden kann. Unter jeder dieser Laschen liegt außerdem eine etwa 76 μπι dicke Unterlagscheibe 99 aus wärmeisolierendem Material, die eine Wärmeableitung von der Ofenenheit über die Halterungen auf die A-Magnetstruktur zusätzlich erschwert. Eine Strahlungsabschirmung 104 aus hochpoliertem Aluminium umgibt den größten Teil des Verdampfers. Ein Ofen mit dem beschriebenen Aufbau benötigt weniger als 2 W Betriebsleistung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Pate η tanspr üche:

1. Atomstrahlröhre für eine Frequenznormal mit einer Quelle zur Erzeugung eines gerichteten Strahles atomarer Teilchen eines chemischen Stoffes, wobei die Quelle einen Kollimator und einen Verdampfer enthält, welcher den Kollimator mit den Teilchen beaufschlagen kann und seinerseits aus einem Aufnahmebehälter, einer Ampulle und Heizelementen besteht, wobei der Aufnahmebehälter mit dem Kollimator in Verbindungsteht und die Ampulle aufnimmt, die den chemischen Stoff enthält, welcher durch die Heizelemente erhitzt und verdampft werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Ampulle (27 aus einem Gefäß (30, 37) mit einer öffnung (49) besteht, die durch einen Deckel (34) verschlossen ist, welcher mittels eines aus einer eutektischen Metallegierung bestehenden Dichtungselements (32) befestigt ist, wobei die Heizelemente (90,92) so ausgebildet sind, daß sie die Ampulle (27) auf eine Temperatur aufheizen, bei der die Dichtung (32) mechanisch nachgibt.

2. Atomstrahlröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kraft ausübende Einrichtung zur Beaufschlagung des Deckels (34) mit einer bezüglich des Gefäßes (30, 37) auswärts weisenden Kraft, wobei diese Kraft verhindert, daß der Dekkel (34) nach Abfall des Dampfdruckes im Gefäß (30, 37) die Öffnung (49) unbeabsichtigt wieder verschließt.

3. Atomstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Stoff Caesium ist.