DE2556089A1

DE2556089A1 - Wasserstoffmaser mit einem speichergefaess mit polymerbeschichtung

Info

Publication number: DE2556089A1
Application number: DE19752556089
Authority: DE
Inventors: Hans Erich Hintermann; Charles Menoud
Original assignee: Laboratoire Suisse de Recherches Horlogeres
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 1974-12-13
Filing date: 1975-12-12
Publication date: 1976-06-16
Also published as: JPS5185395A; CH584979A5; FR2294562A1

Description

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D-8 MÜNCHEN 22 · WlDENMAYERSTRASSE 4β D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68

BERLIN: DIPL.-lNa. R. MÜLLER-BÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-ING. EKKEHARD KÖRNER

28 086/7

Laboratoire Suisse de Recherches

Horloge'res Neuenburg / Schweiz

Wasserstoffmaser mit einem Speichergefäß mit Polymer-Besch.ich.tung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserstoffmaser mit einem Speicherkolben, der auf seiner Innenseite mit einem Polymer beschichtet ist.

Der Wasserstoffmaser umfaßt ein kugelförmiges oder zylindrisches Speichergefäß, das gewöhnlich aus Quarzglas besteht und in einem Hohlraumresonator angeordnet ist. Dieser Speicherkolben dient zur Erhöhung der Wechselwirkungsdauer zwischen den Wasserstoffatomen des Atomstrahls, der durch Atome des höheren Energieniveaus des benutzten Hyperfeinstrukturübergangs angereichert wird (F= 1, m = Q ^ * τ? = 0, m = 0),und dem elektro-

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BERLIN: TELEFON (030)8312088 MÜNCHEN: TELEFON (OBS) 225585

KABEL: PROPINDUS -TELEX 0184,057 KABEL: PROPlNDUS -TELEX 05 24 244

magnetischen Hochfrequenzfeld des Hohlraumresonators. Ein derartiger Wasserstoffmaser ist bereits bekannt, beispielsweise aus dem Bericht von Ch. Menoud et al.; Atomic Hydrogen Maser Work at LSRH, Neuchätel, Switzerland, 25th Annual Requency Control Symposium, April 24-26, 1967. Der Wasserstoffmaser ist ein quantenmechaniser Oszillator, der wegen seiner hohen Kurz- und Langzeit-Requenzstabilität als Frequenz- und Zeitnormal verwendet wird.

Der Wasserstoffmaser wurde von Dr. N.F. Ramsay entwickelt. Sein Funktionsprinzip beruht auf der Speichertechnik von abstrahlenden Atomen, die durch stimulierte Emission von einem höheren zu einem tieferen Energieniveau der Hyperfeinstruktur übergehen.

Der Wasserstoffmaser besitzt ein Speichergefäß, oft in Kolbenform (kugelförmig oder zylindrisch, mit festem oder variablem Volumen, welches aus dünnwandigem Quarzglas besteht), dessen Innenwand zur weitestmöglichen Verminderung von Störungen der Phase und der Frequenzder Schwingung mit einem hierfür geeigneten Material beschichtet ist. Die erwähnten Störungen werden durch das Aufprallen der abstralalenden Atome auf die Speicherkolbenwand verursacht.

Fluorkohlenstoff polymere, wie Polyetraflouräthylen, werden allgemein zur Beschichtung der Innenwand der Speicherkolben benutzt; sie werden üblicherweise aus wässerigen Dispersionen des Fluorkohlenstoffpolymeren aufgebracht. Die Relaxationszeiten und die Wandverschiebungskorrektur (Absolutwert und Repiyoduzierbarkeit) bei diesen Dispersionsschichten sind von zahlreichen Fachleuten, die die Ergebnisse ihrer Arbeiten publiziert haben, untersucht worden. Diese Arbeiten zeigen, daß die Charakteristika des Masers als Ftequenznomral im

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wesentlichen durch die Eigenschaften der Schicht bestimmt sind. Besonders nachteilig an der Dispersionsmethode ist die unzulängliche technische Zuverlässigkeit.

Um gute Schwingungsbedingungen zu erhalten, d.h_o eine hohe Zuverlässigkeit des Frequenznormals, eine lange Betriebsdauer und eine ausgezeichnete Kurz- und Langzeit-Frequenzstabilität, müssen die Relaxationszeiten des Überzuges möglichst groß sein. Die Schicht muß kompakt, von hoher chemischer Reinheit und inert gegenüber atomaren Wasserstoff sein.

Da ferner das Aufprallen der Atome auf die Wand eine leichte Verschiebung der Schwingfrequenz bewirkt, und diese Verschiebung von den Wechselwirkungskräften bei den Zusammenstössen zwischen Atom und Wand abhängig ist, müssen im Hinblickauf eine reproduzierbare Frequenz der Wasserstoffmaser die Dichte, die Zusammensetzung und die Struktur der Schicht auf der Innenseite der Speichergefäße gleich sein.

Dies bedeutet, daß die Schichten mit höchstmöglicher Genauigkeit reproduzierbar sein müssen.

Bisher wurden die besten Resultate mit Schichten aus Fluorkohlenstoff polymeren erzielt, die aus verschiedenen Typen von wässerigen Dispersionen von Polytetrafluoräthylen erhalten worden sind. Das Disperions-Verfahren besteht darin, daß eine Schicht einer wässerigenDispersion von PTFÄ auf die Innenwand des Kolben aufgebrachtwird; die Schicht getrocknet wird, danach Temperaturen von 300 bis 400°C ausgesetzt, je nach dem angewandten Dispersionstyp. Mit dieser Methode ist es sehr schwer, kompakte und vollständig inerte Schichten zu erhalten. Dies ist damit beweisbar, daß die Reproduzierbarkeit des Wandeffektes

-12 die Genauigkeit des Masers auf etwa +10 festlegt.

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Der vorliegenden Erfindung lfegt daher die Aufgabe zugrunde, einen ¥asserstoffmaser in der Weise zu verbessern, daß sein Speicherkolben eine kompakte und inerte Polymerschicht aufweist, die den vorerwähnten Bedingungen in opitmaler Weise entspricht und eine noch größere Genauigkeit des Masers erreichen läßt*

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polymerschicht durch Polymerisieren des entsprechenden, in Gasform in den Glaskolben eingeleiteten Monomeren durch die Einwirkung ultravioletten Lichts oder elektrischer Entladungen erhalten wird.

Ausgezeichnete Schwingungsbedingungen des Masers sind mit Glaskolben mit Polytetrafluoräthylenschichten von einer Dicke von 100 mn (IOOOA.) erzielt worden, wenn die Polymerisation des gasförmigen Monomeren - Tetrafluoräthylen - mittels Ultraviolettstrahlen einer Wellenlänge von 250 nm (25OOA*) erfolgt ist.

Die Schichten auf derlnnenseite des Kolbens lassen sich vorteilhafterweise nach folgendem Verfahren herstellen:

Der Kolben wird zuerst mittels einer 50 l/s-Ionenpumpe evakuiert; darauf wird er im Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 250 β während 4 h entgast. Es entsteht nun ein End-

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vakuum von 10 ^ bis 10 mm Hg«, Das UHV-Ventil zwischen der Ionenpumpe und dem Kolben wird geschlossen und der Kolben wird mit dem Tetrafluoräthylen-Monomergas gefüllt. Der Kolben wird nun mittels mehrerer Ultraviolettlampen bestrahlt die um den Kolben herum angeordnet sind; die Lampen sind zweckmässiger Weise mit einem refelektierenden Schirm umgeben, damit die ganze Innenoberfläche des Kolbens einer möglichst homogenen Lichtintensität ausgesetzt ist. Der ursprüngliche Druck des

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Monomergases beträgt ungefähr 2 bis 2,5 nun Hg. Während des Photopolymerisationsprozesses erfolgt eine Druckabnahme des Tetrafluoräthylens im Kolben, die mittels eines Vorvakuum-Messgerätes kontrolliert wird. Eine mehrfache Beschichtung kann zur Vergrößerung der Schichtdicke angewendet werden. Auf einem kugelförmigen Kolben von 15 cm Durchmesser beträgt die durch einen Beschichtungszyklus erreichbare Schichtdicke ungefähr I5OO A. Der BeSchichtungsprozeß dauert etwa 3 bis 5 h für einen Beschichtungszyklus. Die Abscheidungstemperatur beträgt 3O°C.

Die vorbeschriebene Methode hat sich als zuverlässig erwiesen. Sie erlaubt insbesondere Kolben mit kleinen Öffnungen und von komplizierter Form sowie geringem Ausmaß zu beschichten. Sie hat aber noch andere Vorzüge, nämlich die wirksame Reinigung der zu beschichtenden Flächen, die Reinheit, Riss- und Porenfreiheit der Schicht, die Möglichkeit, den Prozess mit einfachen Mitteln zu überwachen und gleichzeitig und/oder nacheinander verschiedene Polymerschichten aus unterschiedlichen Monomeren abzuscheiden.

Außer aus dem beispielsweise erwähnten Tetrafluoräthylen lassen sich Schichten auch durch Polymerisieren anderer Monomeren. Typische Beispiele hierfür sind die Fluor- und Chlorfluorkohlenstoffe, wie

1,2-Dichlor-i,2-Difluoräthylen (CFCE = CFCE) Hexafluorpropylen (CF^-F=CF₉) und Ootafluor-2-butylen (CF^-CF=CF-CF-)

Die in gleicher Weise erhaltenen Schichten zeichnen sich durch hervorragende Relaxationszeiten aus, die ganz außergewöhnlich gute Schwingungsbedingungen im Maser zur Folge haben.

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Claims

Ansprüche t

/I. J Wasserstoffmaser nLt Speicherkolben, der auf seiner Innenwand eine Polymersclxiclit trägt, dadurch, gekennzeichnet, daß die Polymerschicht durch Photo- oder Entladungspolymerisation des entsprechenden Monomeren in Gasform mittels ultraviolettem Licht oder einer elektrischen Entladung erhalten ist.
2. Wasserstoffmaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch Polymerisieren von monomerem Tetrafluoräthylen gebildet ist.
3. Fasserstoffmaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch Polymerisieren einer Mehrzahl von Monomeren des Fluorkohlenstoffs und bzw. oder Chlorfluorkohlenstoffs gebildet ist.
k, Wasserstoffmaser nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht aus einer Mehrzahl von nacheinander polymerisierten Monomeren gebildet ist.
5. Wasserstoffmaser nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einer Mehrzahl von nacheinander und gleichzeitig polymerisierten Monomeren gebildet ist.

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