DE2559677C3 - Atomstrahlröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Atomstrahlröhre der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Atomstrahlröhren sind die frequenzbestimmenden Grundelemente in Vorrichtungen, die als extrem stabiles Frequenznormal dienen! Wesentliches Merkmal eines AtomstrahUFrequenzstandards 1st die Aufnahme bzw, der Nachweis einer Resonanz innerhalb eines atomaren Hyperfeinzuslandes, der als Frequenznormal dient. Zur praktischen Ausnützung dieser Resonanz werden atomare Teilchen, beispielsweise Caesiüfhälöme, 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

ίο genauen Atomresonanzfrequenz moduliert, wobei vom Detektor ein Signal erzeugt wird, das der Servosteuerung eines Schwungradoszillators dienen kann. In dieser Weise kann ein Regelkreis zum Verriegeln der Sollfrequenz 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 Oberganges zwischen zwei Hyperfeinniveaus gewählt Diese Hyperfeinniveaus beruhen auf der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Dipol des Kerns und dem magnetischen Dipol des Vaienteiektronenspins. Das Caesiumatum weist nun nur zwei stabile Grundkonfigurationen auf, die zwei erlaubten Quantenzuständen zugeordnet sind. Der eine Zustand entspricht der Parallelstellung des atomaren und des Elekronenspins, der andere der Antiparallelstellung dieser beiden Spins. In Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes treten also zwei Hyperfeinniveaus auf, von denen jedes in Gegenwart eines äußeren Magnetfeldes in eine Reihe von ZEEMAN-Unterniveaus aufspaltbar ist

Der in einer Cäsiumstrahlröhre üblicherweise verwendete Hyperfeinresonanzübergang ist derjenige zwischen den Zuständen (F = 4, nii = 0) und (F = 3,

Γι nn = 0). Dabei bezieht sich die erste Zustandsangabe F auf die Größe des gesamten atomaren Winkelmomentes, also die Summe der Kern- und Elcktronenmomente, während sich die /weite Zustandsangeabe nif auf jene Komponente dieses Gesamtwiiikelmomentcs bezieht,

■ι» die in der Richtung des aufgeprägten äußeren Magnetfeldes liegt.

Zur Anregung eines Überganges von einem Zustand in den anderen muß dem Atom ein Energiebetrag F zugeführt oder entzogen werden, der der Differenz der

■*> Ausreichtungsenerpie gleich ist. Da alle Caesiumatome untereinander identisch sind, ist auch der Energiebetrag E für alle Atome gleich. Die Frequenz f der elektromagnetischen Energie, die zur Zustandsänderung erforderlich ist. ist durch die Gleichung E=M

w gegeben. Dabei ist Λ das PLANCKsche Wirkungsquantum. Für Caesium ist näherungsweise /'=9192. 631 77OMHz.

Eine gebräuchliche Caesiumatomstrahlröhre enthalt eine Quelle, aus der das Caesium durch einen Kollimator

Vt verdampft. Der Kollimator überführt den Atomdampf in einen schmalen gebündelten Strahl und richtet ihn durch die Atomstrahlröhre.

Auf den so kollimierten Atomstrahl wirkt ein erster Magnet als Zustandsfilter ein. Dieser Magnet wird

6() gebräuchlicherweise und auch im Rahmen dieser Beschreibung kurz als »4-Magnet« bezeichnet. Der /^Magnet erzeugt ein stark inhomogenes Magnetfeld, Die Richtung der auf ein Caesiümatom in einem solchen Feld ausgeübten Kraft hängt vom Zustand des Atoms ab. In diesem Feld des /\-Magneten Werden die energetischen Zustände F = 3 Und F= 4 in Unterniveaus aufgespalten. Aus dem Atomstrahl Werden alle Atome mit deffi Zustand F= 4 mit Ausnahme

derjenigen mit Wf = —4 in eine Richtung abgelenkt, während alle anderen Atome in eine andere Richtung abgelenkt werden. In der Vorrichtung der Erfindung verbleiben die Atome mit dem Zustand F= 3 zusammen mit den Atomen des Unterniveaus (4, —4) im ausgenutzten Strahl, während die anderen ausgeblendet werden. Im verwerteten Stralil verbleiben vor allem auch die Atome des Unterniveaus (3,0).

Nach dem Durchlaufen des Magnetfeldes des Α-Magneten im folgenden kurz »Α-Feld« genannt, treten diese Atome in ein Zentralglied ein, wo sie der Einwirkung eines schwachen gleichmäßigen C-Feldes ausgesetzt sind. Dabei werden die Zustände mit rar = 0 energetisch von den benachbarten Zuständen mit m_F ψ 0 getrennt. Dieses schwache Magnetfeld dient n auch der räumlichen Ausrichtung der ausgewählten Caesiumatome und damit auch der Festlegung der erforderlichen Richtung des magnetischen Mikrowellenfeldes.

Im Einflußbereich dieses gleichmäßigen schwachen _> <> Magnetfeldes sind die Caesiumatome gleichzeitig der Einwirkung eines äußeren Wechsel feldes ausgesetzt, dessen Frequenz angenähert der Resonanzfrequenz entspricht, die die Übergänge vom Unternive3'i (3, 0) zum Unterniveau(4,0)anregt. >·>

Beim Verlassen dieses energetischen Übergangsbereichs wird der Strahl der Einwirkung eines zweiten magnetischen Zustandsfilters ausgesetzt. Dieser zweite Magnet erzeugt ein starkes inhomogenes Feld und gleicht dem Α-Magnet. In diesem Filter werden alle in Atome des Zustandes F = 3 und auch die Atome mit dem Unterniveau (4. —4) ausgeblendet. Lediglich die Atome mit dem Unterniveau (4, 0) werden durchgelassen. Atome mit einer diesem Unterniveau entsprechenden Energie existieren an dieser Stelle jedoch nur r> aufgrund des in der zuvor beschriebenen Weise angeregten Überganges. Die Atome mit diesem Unterniveau werden anschließend auf einen Detektor gerichtet. Der Detektor kann prinzipiell beliebiger Art sein. Vorzugsweise ist der Detektor ein Massenspektro- 4n meter mit Gluhkathodenionisierung.

Die Detektorstromstärke hängt kritisch von der Genauigkeit ab, mit der die aufgeprägte RF Frequenz der Resonanzfrequenz entspricht. Der Detektorstrom steuert nach Verstärkung ein Servosystem zur Regelung 4 ■. der Frequenz der Oszillator-Vervielfacher-Baugruppe, die den RF-Hohlraum anregt.

Die Caesiumstrahlröhren der beschriebenen Art erfordern zum Betrieb zwei Magnete, den A-Magnet und den B-Magnet, die sehr starke Magnetfelder in der w Größenordnung von 1T ^entsprechend 1OkG) erzeugen, während das C-FeId im Bereich zwischen den beiden vorgenannten Feldern relativ schwach, nämlich in einer Größenordnung von 6.0 μΤ (entsprechend 0.060 G) und möglichst homogen sein muß. Diskontinui- .'· täten im C-FcId treten besonders leicht in jenen Bereichen auf, in denen der Atomstrahl in den C-Bereich eintritt und aus diesem austritt. Solche Diskontinuitäten des C-Feldes können spontane Übergänge, sogenannte MA|ORANA-Übergänge, im Atomstrahl verursachen. m> Dadurch tritt eine l.eistungsverzerrung in der Röhre auf.

Aus der DE-AS 12 60 049 ist eine Molekularstrählrölv rc und im Zusammenhang damit eine C-Felderzeüger' einrichtung bekannt, bei dem eine um einen länglichen Unförmigen Kern in axialer Richtung gewickelte C'Feldspule Vorgesehen ist. Um ein kontinuierliches C>Magnetfeld zU erhalte/t, ist es bei dieser bekannten Anordnung erforderlich, bei der Herstellung dieser C-Feldspule sehr enge Toleranzen vorzugeben. Darüberhinaus müssen zusätzliche Maßnahmen und Herstellungsschritte vorgenommen werden, um die einzelnen Windungen in ihrer Lage festzuhalten. Darüberhinaus sind bei der Serienfertigung derartiger C-Feldspulen Streuungen bei der Ausbildung der C-Feldspule und damit des Magnetfeldes nicht zu vermeiden.

Ausgehend von der aus der DE-AS 12 60 049 bekannten Molekularstrahlröhre liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Molekularstrahlröhre mit einem C-Feldelektromagneten zu schaffen, bei dem die Erregerspule auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden kann und ein homogenes C-Magnetfeld gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Abgesehen davon, daß die Magnetfeldwicklung des C-Feldelektromagneten gemäß der vorliegenden Erfindung auf sehr einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden kann, ist es mi' der durch eine gedruckte Schaltung gebildete Spul·* möglich, sehr dünne, relativ breite und sehr dicht nebeneinander liegende Leiterbahnen mit sehr gleichmäßigem Querschnitt und konstanter Leitfähigkeit zu verwendt.i. so daß dadurch eine hohe Homogenität des Magnetfeldes erzielt wird. Bei Serienfertigung derartiger C-Feldnugnete ist die Streuung zwischen den einzelnen Erregerspulen und damit zwischen den jeweils erzeugten Magnetfeldern äußerst gering.

Besondere Ausführungsformen der erfindungsgeniaßen Molekularstrahlröhre mit einer C-Feldwicklung in Form einer gedruckten Schaltung sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch die Überbrückungselemente gemäß Anspruch 2 wird die Homogenität des Magnetfeldes in der Nähe der .Strahlöffnungen weiter verbessert, so daß größere Felddiskontinuitäten und damit dadurch hervorgerufene spontane Übergänge zusätzlich vermindert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erlä tert. Es zeigt

F i g. 1 die wesentlichen Bauglieder einer Atomstrahlröhre in schematischer Darstellung.

F i g. 2 eine perspektivische Wiedergabe der in F i g. 1 gezeigten Bauglieder.

Fig. 3 die Mikrowellenbauelemente und die C-Feldspule in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 die C-Feldwickler in teilweise weggebrochener perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 die Abwicklung der C-Feldspule in Aufsicht, und

F i g. 6 eine Detaildarstellung der Leiter der C-Feldspule im Bereich der Strahiöffnung.

In den Fig. 1 und 2 sind die wichtigsten Grundelemente der Caesium.nrahlröhre der Erfindung dargestellt. Die Grundelemente sind jene der Strahlerzeugung und der Registrierung. Die Quelle für die atomaren Teilchen enthält einen Verdampfer 10, der flüssiges Caesium verdampf, und über einen Kollimator einen Strahl neutraler Caesiumatome aussendet, die statistisch auf die beiden zuvor beschriebenen stabilen Energiezustände verteilt sind; In einem ersten Zustardsfilter oder /!-Magnet 12 Werden diese Energiezustände in Unterniveaus aufgespalten und die Atome im Zustand F = 3 sowie mit dem Unfirniveau (4, —4) durchgelassen, während alle anderen Atome aus dem Caesiumstrahl ausgeblendet werden. Der gefilterte Strahl wird dann

durch das RF-Wechselwirkungsbauglied 14 geführt. In diesem Dauglied wird durch eine Spule 22 ein schwaches homogenes Magnetfeld^ das C-FeId, erzeugt. Außerdem wirkt auf den Atomstrahl mit Resonanzfrequenz eine über Wellenleiter 190 (vgl. Fig.3) eingestrahlte Mikrowellencnergie ein, die in einigen der Atome des Strahls die Übergänge (3,0^(4,O) induziert.

Anschließend werden dann die Atome im Zustand (4, 0) durch den zweiten Zustandsfilter oder ß-Magneten 16 aus dem Strahl ausgefiltert. Alle Atome mit anderen Zuständen werden aus dem Strahl ausgeblendet. Die auf diese Weise durch den ß-Magneten ausgewählten Cacsiumatome treffen auf den zum Ionisieren verwendeten heißen Draht 20. Dabei wird jeweils ein Elektron vom Caesiumatom abgestreift. Dies führt zu einer Remission von Caesiumionen, die durch ein Massenspektrometer 207 in den Elektronenvervielfacher 18 gerichtet werden. Der Elektronenvervielfacher erzeugt einen Ausgangssirom, 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 gehoben worden sind.

In der vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Weise müssen die vom /4-Magneten 12 aus dem Caesiumatomstrahl aussortierten Atome das RF-Wechselwirkungs-Bauglied 14 durchlaufen. In diesem Glied wird ein schwaches homogenes Magnetfeld (OFeId) mit einer magnetischen Flußdichte von angenähert 6 μΤ senkrecht zur Richtung des Strahles erzeugt. Dieses Feld wird durch ein einschichtiges gedrucktes Solenoid 22 neuer Konzeption aufgebaut. Die Ausbildung und die Halterung dieses nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellten Solenoids ist in den F i g. 3 bis 6 näher dargestellt.

Die am besten in fig. 5 erkennbaren Leiterbahnen des Solenoids 22 werden in der zur Herstellung gedruckter Schaltungen gebräuchlichen Weise durch Ätzen aus einer dünnen Kupferschicht hergestellt, die auf einen Träger 152 aus Polyamid aufgebracht ist. Der Träger ist etwa 51 μΐπ dick. Die geometrische Form des

TrätTprs iV> unH rlpr Vprlaiif Apr R in crlpirhpm AhstanH

ο- ο

voneinander angeordneten Leiterbahnen 150-1 bis 150-8 sind der F i g. 5 zu entnehmen. Am Ende jeder der Leiterbahnen 150 sind Anschlußösen 307 ausgebildet. Das so aufgebaute gedruckte Solenoid ist also durch sehr dünne, relativ breite und sehr dichi. nebeneinanderliegenden Leiterbahnen mit sehr gleichmäßigem Querschnitt und konstanter Leitfähigkeit gekennzeichnet.

Das beschriebene gedruckte Solenoid wird zu der in F i g. 4 im wesent'ichen rechtwinkligen Schleife zusammengefügt. Die Anschlußösen 307 der einzelnen Leiterbahnen sind dabei jeweils um eine Leiterbahn gegeneinander versetzt, so daß beim Herstellen des elektrischen Kontaktes zwischen den Anschlußösen ein geschlossener Strompfad gebildet wird, der eine Spule mit spiralförmiger einschichtiger Wicklung bildet. Die schraubenförmig in einer Schicht angeordneten Windungen der Wicklung weisen gleichen Abstand voneinander auf. Der elektrische Kontakt zwischen den gegeneinander versetzt zugeordneten Anschlußösen 307 wird durch Verlöten mittels in den Figuren nicht dargestellter Indiumscheiben und Befestigen durch Nieten 308 hergestellt, die durch die öffnungen der

Ahsclilußösen eingesetzt sind. Die Zuleitung zürn so hergestellten Solenoid werden an den Änschiußösen 304 Und 306, die die beiden Endpunkte der Wicklung bilden, angelötet.

Die solcherart hergestellte geschlossene Stromschleife weist zwei zum Atomstrahl senkrechte Seitenflächen 14Ö und 142 sowie z.wci zum Atomstrahl parallele Flächen auf. Dieses Solenoid muß in der Ebene des Gäcsiürristrahls liegen. Aus diesem Grund müssen in den Seitenflächen 140 und 142 Öffnungen 270 und 271 vorgesehen sein, die so groß sind, daß eine Unterbrechung der Leiterbahnen 150-4 und 150-5 unvermeidbar ist.

Die Öffnung 270 des Trägers 152 weist zwei einander gegenüberliegende Ränder 144 (Fig.5) auf, die die Leiterbahnen 150-4 und 150-5 des geschlossenen Leiters 150 unterbrechen. Dadurch werden an der Öffnung vier innere offene Endpunkte 122 der Leiterbahnen 150-4 und 150-5 geschallen, die an den Kändern der Öffnung liegen. Diese Enden 122 sind mit Anschlußösen versehen. Um den Stromkreis zu schließen, müssen diese offenen inneren Leiterenden über die öffnung geführt werden. Außerdem muß gleichzeitig das C-FeId im Bereich dieser Strahlöffnungen so weit wie möglich gleichmäßig gehalten werden. Größere Felddiskontinuitäten würden in der zuvor bereits beschriebenen Weise unerwünschte Übergänge verursachen.

Die icivor beschriebene Unterbrechung der Leiterbahn wird durch zwei Überbrückungsstücke 318 überbrückt, die aus einem ähnlichen gedruckten Leitermaterial wie das Solenoid Deslehen. Durch diese Überbrückungsstücke 318 wird einerseits die Unterbrechung des Strompfades überbrückt, gleichzeitig aber die Gleichmäßigkeit des C-Feldes gewahrt. Jedes der Überbrückungsslücke weist eine öffnung 319 auf. Zwei mit Anschlußösen versehene Leiterbrücken 166 und 168 sind auf der Trägerschicht 320 mit rechtwinklig gebogenem Verlauf um die Öffnung 319 herum geführt. In der am besten aus den Fig.4 und 6 ersichtlichen Weise sind die Überbrückungsstücke 318 durch Verlöten von Nieten 182 mit der Windung verbunden.

Πιο Miptpn 1Ä2 σι-pifpn Hnrrh Hip AnsrhliiRncpn Hpr Überbrückungsleiterpfade und der inneren offenen Endpunkte 122 der Spulenleiterbahnen. Auf diese Weise wird der Stromkreis durch den gesamten Leiter 150 geschlossen und auch an den Fenstern für den Atomstrahl nicht unterbrochen. Die Überbrückungsieiterbahnen 166 und 168 führen den Strom um jede der Öffnungen 270 und 271 herum und verdoppeln dadurch die magnetische Flußdichte an den Rändern der Öffnungen. Dadurch wird auch über die öffnungen hinweg das C-FeId in im wesentlichen gleichmäßiger Flußdichte aufrechterhalten. Durch die beschriebene Art der Überbrückung bzw. Umführung der Öffnungen wird in außerordentlich guter Annäherung der Idealfall einer absolut gleichmäßigen und ungestörten Stromfläche erreicht.

Die elektrische Isolation um das Solenoid herum ist durch Polyamidstreifen 184 und 186 (Fi g. 4) gewährleisteL Die Isolatorstreifen 184 und 186 weisen die gleiche Geometrie wie die gedruckte Schaltung 152 bzw. deren Träger auf. Einer der Streifen 184 liegt auf, der andere unter der gedruckten Schaltung 152.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Atomstrahlröhre für ein Frequenznormal mit einer Quelle zur Erzeugung eines gerichteten Strahls atomarer Teilchen, mit einem Zustandsfilter zum Ausfiltern eines Teils der Teilchen aus dem Strahl, mit einem HF-Anregungsglied in Strahlrichtung hinter dem Zustandsfilter zur Anregung von Resonanzübergängen in einigen der ausgefilterten Teilchen des Strahls, und mit C-Feldmitteln, zur Erzeugung eines im wesentlichen homogenen Magnetfeldes senkrecht zur Richtung des Strahls im HF-Anregungsglied, wobei die C-Feldmittel einen aus mehreren im gleichen Abstand voneinander schraubenförmig angeordneten Windungen bestehenden elektrischen Leiter enthalten, der eine geschlossene Stromschleife bildet, welche im wesentlichen in der Ebene des Strahls liegt, die Bahn des gerichteten Strahls einschließt und zwei senkrecht zur Strahlrichtung stehende Seitenflächen mit je einer Strahlöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (150) aus mehreren auf einen isolierenden Träger (152) gedruckten, in gleichem Abstand voneinander angeordneten Leiterbahnen (150-1 bis 150-8) besteht, wobei der Träger (152) eine im wesentlichen rechtwinklige Schleife mit einer Unterbrechungsstelle bildet und an der Unterbrechungsstelle zwei einander gegenüberliegende Enden aufweist, deren Kanten jeweils im wesentlichen senkrecht zu den Leiterbahnen verlaufen, und an denen gegenüberliegende Leiterbahnen jeweils um eine Bahn versetzt derart miteinander verbunden sind, daß sie die geschlossene Stromschlcife bilden.

2. Atomstrahlröhre nach An-.pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (150-1 bis 150-8) Anschlußösen (307) aufweisen, die gleichzeitig zur mechanischen Befestigung der Enden des Trägers (152) und zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen (150-1 bis 150-8) dienen.

3. Atomstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Strahlöffnungen (270,271), die je zwei gegenüberliegende, senkrecht zu den Leiterbahnen befindliche Kanten aufweisen, welche zumindest zwei benachbarte Leiterbahnen (150-4, 150-5) unterbrechen, (iberbrückerelemente (318) angebracht sind, welche aus mindestens zwei auf einem ein Loch aufweisenden Träger (320) gedruckten Leitern (166, 168) bestehen, wobei diese Leiter (166,168) um das Loch herum geführt sind, je mit einem der unterbrochenen Leiterbahnen (150-4, 150-5) elektrisch verbunden sind und einen ununterbrochenen Strompfad um die Öffnungen (270,271) herum bilden.