DE2559679A1

DE2559679A1 - Molekularstrahlroehre

Info

Publication number: DE2559679A1
Application number: DE19752559679
Authority: DE
Inventors: Robert H Kern
Original assignee: FREQUENCY AND TIME SYSTEMS Inc
Current assignee: FREQUENCY AND TIME SYSTEMS Inc
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1977-06-23
Also published as: NL7511778A; DE2559679C3; DE2545166A1; FR2325273B1; FR2325273A1; FR2316836B1; AU8557575A; CA1056957A; DE2545166C3; CH599712A5; DE2559678B2; CH596709A5; DE2559590A1; JPS5164895A; FR2318449A1; DE2545166B2; GB1514563A; FR2325272A1; DE2559677A1; DE2559677C3

Description

MolekülarStrahlrohre
(Priorität: 9. Oktober 1974 - U.S.A. - Nr. 513*289)

Die Erfindung betrifft eine Molekularstrahlröhre, speziell eine Atomstrahlröhre, und zwar insbesondere eine Atomctrahlröhre, die sich die magnetischen Hyperfeinresonanzübergänge zunutze macht.

Atomstx~ahlröhren sind die frequenzbestimrnenden 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 Caesiumatoine, 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 Strahlausgeblendet 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 Schwungradoszillators dienen kann. In dieser Yieise kann ein Regelkreis zum Verriegeln der Sollfrequenz oder der Mittenfrequenz der aufgeprägten Strahlung auf der Atomresonanzlinie dienen.

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Bei der Verwendung von Caesiumatomen für den Atomstrahl in einer Atomstrahlröhre wird die Resonanzfrequenz des Überganges zwischen zwei Hyperfeinniveaus gewählt. Diese Hyperfeinniveaus beruhen auf der Wechselwirkung zwischen den magnetischen Dipol des Kerns und dem magnetischen Dipol des Valnzelektronenspins. Das Caesiumatom weist nun nur zwei stabile Grundkonfigurationen auf, die zwei erlaubten Quantenzuständen zugeordnet sind. Der eine Zustand entspricht der Parallclstellung des atomaren und des Elektronenspins, 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 ZEEtÄN-Unterniveaus aufspaltbar ist.

Der in der Auomstrahlröhre der Erfindung verwendete Hyperfeinresonanzübergang ist derjenige zwischen den Zuständen (F =ä A₁ rf, zz ο) und (F = 3, m = 0). Dabei bezieht sich die erste Zustandsangabe F auf die Grosse des gesamten atomaren Winke !moment es, also die Summe der Kern- und Elektronenmomente, während sich die zweite Zustandsangabe m„ auf jene Komponente dieses Gesamtwinkelmomentes bezieht, die in der Richtung des aufgeprägten äusseren Magnetfeldes liegt.

Zur Anregung eines Überganges von einem Zustand in den anderen muss dem Atom ein Energiebetrag E zugeführt oder entzogen werden, der der Differenz der Ausrichtungsenergie gleich ist. Da alle Caesiumatoine 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 = hf gegeben. Dabei ist h das PLANCKsche Wirkungsquantum. Für Caesium ist näherungsweise f = 9192, 631770 MHz.

7 η 9 ρ 2 ^r> / η ? 7 0

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 wirkt ein erster Magnet als Zustandsfilter ein. Dieser Magnet wird gebräuchlicherweise und auch im Rahmen dieser Beschreibung kurz als "Α-Magnet" bezeichnet. Der Α-Magnet erzeugt ein stark inhomogenes Magnetfeld. Die Richtung der auf ein Caesiumatom in einem solchen Feld ausgeübten Kraft hängt vom Zustand des Atoms ab. In diesem Feld des Α-Magneten werden die energetischen Zustände F = 3 und F = 4 in Unterniveaus aufgespalten. Aus dem Atomstrahl werden alle Atome mit dem Zustand F = 4 mit Ausnahme derjenigen mit iru, = -4 in eine Richtung abgelenkt, während alle anderen Atome in eine andere Richtung abgelenkt v/erden. 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 strahl verbleiben vor allem auch die Atome des Unterniveaus (3, 0).

Nach dem Durchlaufen des Magnetfeldes des A-Magneten, im folgenden kurz "A-FeId" genannt, treten diese Atome in ein Zentralglied ein, wo sie der Einwirkung eines schwachen gleichmässigen C-Feldes ausgesetzt sind. Dabei werden die Zustände mit nip = 0 energetisch von den benachbarten Zuständen mit nip, j^ 0 getrennt. Dieses schwache Magnetfeld dient auch der räumlichen Ausrichtung der ausgewählten Caesiumatome und damit auch der Festlegung der erforderlichen Richtung des magnetischen Mikrowellenfeldes.

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Im Einflussbereich dieses gleichmässigen schwachen Magnetfeldes sind die Caesiumatome gleichzeitig der Einwirkung eines äusseren Wechselfeldes ausgesetzt, dessen Frequenz angenähert der Resonanzfrequenz entspricht, die die Übergänge vom Unterniveau (3, 0) zum Unterniveau (4, 0) anregt.

Beim Verlassen dieses energetischen Übergangsbereichs wird der Strahl der Einwirkung eines zweiten magnetischen Zustandsf.ilters ausgesetzt. Dieser zweite Magnet erzeugt ein starkes inhomogenes Feld und gleicht dem A-Magnet. In diesem Filter werden alle 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 aufgrund des in der zuvor beschriebenen Weise angeregten Überganges. Die Atome mit diesem Unterniveau v/erden anschliessend auf einen Detektor gerichtet. Der Detektor kann prinzipiell beliebiger Art sein. Vorzugsweise ist der Detektor ein Massenspektrometer mit Glühkathodenionisierung.

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 der Frequenz der Oszillator-Vervielfacher-Baugruppe, die den RF-Hohlraum anregt.

Die bekannten Caesiumstrahlröhren sind nur unter hohem finanziellem und technischem Aufwand herstellbar. Für die Herstellung von Caesiumstrahlröhren, die der Schaffung von Atomfrequenznormalen dienen, ist insbesondere eine

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ausserordentlich genaue riEchanische Justierung der einzelnen Komponenten erforderlich. Bereits kleinste Dejustierungen lassen den Frequenzstandard unbrauchbar werden. Die beschriebenen Baugruppen der Atomstrahlröhre müssen mit einem ungewöhnlich hohen Präzisionsgrad justiert und gehaltert sein. Für einen zufriedenstellenden Betrieb müssen die Baugruppen der Röhre relativ zur Achse des abgelenkten Strahls mit einer Genauigkeit von angenähert 25 /um justiert sein. Diese Justierung muss auch mechanischen Schwingungen und Stössen standhalten. Sie darf auch nicht durch Temperaturänderungen verändert werden, die beim Einsatz der Röhre unvermeidbar sind. Zu diesem Zweck sehen bekannte Atomstrahl lröhren komplizierte Halterungen zwischen den inneren strukturellen Baugruppen und entweder einem inneren oder einem äusseren vakuumdichten Gehäuse vor. Solche Halterungen sollen die einander gegenläufigen Anforderungen hinsichtlich einer Starrheit der Konstruktion zur Unterdrückung der mechanischen Stoss- oder Schwingungsanfälligkeit und hinsichtlich einer Flexibilität der Struktur zum Ausgleich und zur Anpassung an unterschiedliche Ausdehnungskräfte erfüllen, die durch beim Betrieb unvermeidbare thermische Gradienten hervorgerufen werden. Solche thermischen Spannungsgradienten sind auch dadurch unvermeidbar, dass die Röhre beim Herstellen ausgeheizt werden muss, während sie gebräuchlicherweise dann bei Raumtemperatur betrieben wird.

Durch die bekannten aufwendigen Halterungsmechanismen, mit denen diese Bedingungen hergestellt werden sollen, •werden die bekannten Atomstrahlröhren relativ gross und schwer. Diese Eigenschaften sind jedoch für eine Reihe wichtiger Anwendungsgebiete von Atomstrahlröhren höchst unerwünscht, insbesondere bei der Verwendung solcher Röhren in Flugzeugen oder Raumstationen.

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Weiterhin ist eine Caesiumstrahlröhre bekannt, die in zwei voneinander getrennten Gehäusen eingeschlossen ist. Das erste Gehäuse ist ein innenliegender Kanal zur Halterung der fraktionellen Baugruppen. Dieses innere Gehäuse dient gleichzeitig der mechanischen Stabilisierung und der Wärmeisolation. Das innere Gehäuse ist in einem äusseren Vakuumgehäuse aufgehängt. Zwischen beiden Gehäusen muss die Möglichkeit einer Relativbewegung geschaffen werden. Dadurch werden die Kompliziertheit des konstruktiven Aufbaus der Röhre und die Kompliziertheit des Herstellungsverfahrens weiter erhöht. Ausserdem führt dieser Röhrenaufbau zu einer relativ anfälligen mechanischen Struktur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und insbesondere eine Atomstrahlröhre zu schaffen, die bei konstruktiv einfachem und billigem /Aufbau einen hohen Grad an mechanischer und thermischer Unanfälligkeit, vor allem hoher «Justagestabilität, aufweist.

Zusammengefasst schafft die Erfindung eine Atomstrahlröhre (Molekularstrahlröhre) mit einer einzigen, hermetisch verschlossenen Gehäusestruktur, die sowohl als Vakuumgehäuse als auch als Halterungselement dient, an dem die funktioneilen Bauglieder befestigt sind. Das Gehäuse besteht aus einem schweren und relativ starrem Rahmen und einer relativ dünnen und flexiblen Haube, die dichtend mit dem Rahmen zu einer Einheit verbunden ist. Die einzelnen funktionellen Bauglieder sind getrennt voneinander zu voneinander unabhängigen Baugruppen zusammengefasst, die ihrerseits mit der geringstmöglichen Anzahl von Fixierungspunkten am Rahmen befestigt sind. Diese Art der Halterung schafft eine fixierte Justage und eine thermische Isolierung der funktioneilen Bauglieder und ermöglicht ihre einfache Austauschbarkeit .

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Die Erfindung vereinigt also den Innenaufbau und das Vakuumgehäuse zu einer einzigen Struktur- bzw. Baueinheit. Dadurch werden die bei bekannten Atomstrahlröhren erforderlichen Trägerelemente zwischen beiden Strukturelementen überflüssig. Ausserdem schafft die Erfindung eine in Modulbauweise aufgebaute Atomstrahlröhre, in der drei Baugruppen mit insgesamt nur zehn Maschinenschrauben an einem Hauptkonstruktionselement befestigt sind, das gleichzeitig ein Teil des Vakuumgehäuses der Röhre ist. Durch weitere erfindungswesentliche Merkmale werden ausserdem eine gute Wärmeisolation, kleinere magnetische Strukturen mit grosserem Wirkungsgrad, ein nahtloser Übergang zwischen starken und schwachen Magnetfeldern und Mittel geschaffen, die ein Aufprägen der RF-Energie mit einer geringeren Störeinwirkung auf das magnetische C-Feld als bei bekannten Röhren ermöglichen. Durch diese, weiter unten eingehend beschriebenen,neuen erfindungswesentlichen Merkmale wird insgesamt eine Atomstrahlröhre geschaffen, die den in der Praxis herrschenden Einsatzbedingungen besser Rechnung trägt als Röhren nach dem Stand der Technik, insbesondere wesentlich leichter als diese ist. Die Atomstrahlröhre der Erfindung wiegt rd. 4 kg gegenüber rd. 7 kg für gebräuchliche Atomstrahlröhren vergleichbarer Leistung.

Darch den Aufbau der Atomstrahlröhre der Erfindung werden die teuren und komplizierten inneren Halterungsstrukturen überflüssig. Die Röhre der Erfindung weist eine einfache Modulstruktur auf. Vor allem die Modu!struktur führt zu einer unerwartet hohen Stabilität der Justierung gegenüber äusseren mechanischen Störungen, insbesondere gegenüber Stoss und Schwingung. Ausserdem gewährleistet der Aufbau der Röhre der Erfindung eine hervorragende Wärmeisolation der thermisch empfindlichen Bauelemente.

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Die Atomstrahlröhre der Erfindung schafft ein einziges Konstruktionselement, das sowohl die Funktion eines Vakuumgehäuses als auch die Funktion eines Trägers für die Funktionskomponenten erfüllt. Dieses, im folgenden kurz als Gehäuse bezeichnete, Konstruktionselement besteht aus einem massiven und relativ starren Rahmen und einer relativ dünnen und flexiblen Haube, die dichtend mit dem Rahmen verbunden ist. Die Funktionselemente der Röhre sind am Rahmen befestigt. Dadurch wird eine fixierte Justierung dieser Elemente ermöglicht. Die flexible Haube nimmt von aussen einwirkende mechanische Störungen schadlos auf, ohne sie auf den Rahmen oder die Funktionselemente zu übertragen. Die dichtend verschlossene Einheit wirkt als Vakuumgehäuse. Die Funktionselemente der Röhre sind mit der kleinstmöglichen Zahl von Befestigungsstellen am schweren Rahmen gesichert. Die Verbindungspunkte sind so ausgelegt, dass sie eine nur sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch wird eine wirksame thermische Isolation der Funktionselernente von der Umgebung erreicht. So ist beispielsweise der Verdampfer der Quelle über eine Verbindungsstruktur am Rahmen gehaltert, die so ausgelegt ist, dass sie zur Umgebung einen relativ langen Wärmeleitungspfad aufweist.

Die Betriebsdauer der Caesiumatomstrahlrohren ist in der Praxis durch die Erschöpfung des Caesiumgetters begrenzt. Es ist in der industriellen Praxis gebräuchlich, die Atomstrahlröhre bei Sättigung des Caesiumgetters zu öffnen und abzubauen, um die weiterverwendbaren Komponenten der Röhre auszubauen. Diese Praxis erfordert einen relativ hohen Aufwand an Gerät und Arbeitszeit, ist also teuer. Die Röhre der Erfindung ist dagegen aus nur drei Modulgruppen der funktioneilen Teile aufgebaut, die mit insgesamt nur zehn Schrauben am Rahmen befestigt sind. Die funktioneilen Baugruppen sind also rasch und einfach aufbaubar, abbaubar

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und austauschbar.

Die Caesiumstrahlröhren der beschriebenen Art erfordern zum Betrieb zwei Magnete, den Α-Magnet und den B-Magnet, die sehr starke Magnetfelder in der Grössenordnung von .1 T (entsprechend 10 kG) erzeugen, während das C-FeId im Bereich zwischen den beiden vorgenannten Feldern relativ schwach, nämlich in einer Grössenordnung von 6,0 /UT (entsprechend 0,060 G) und möglichst homogen sein muss. Diskontinuitäten im C-FeId 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 MAJORANA-Übergänge, im Atomstrahl verursachen. Dadurch tritt eine Leistungsverzerrung in der Röhre auf. Die Erfindung schafft eine C-Feldwicklung neuer Anordnung, die ein C-FeId überlegener Gleichförmigkeit in der Röhre erzeugt.

Eine gute Caesiumstrahlröhre soll vor allem kompakt, leicht und so einfach wie möglich aufgebaut sein. Die spezielle Ausbildung des Α-Magneten und des B-Magneten der Erfindung ermöglichen einen solchen Aufbau und sind insbesondere der zuvor beschriebenen Modulbauweise angepasst.

Gebräuchliche Molekular strahlrohr en sind in der Weise aufgebaut und werden in der Weise betrieben,, dass das Ouellenmaterial für den Molekularstrahl in einer Ampulle untergebracht ist, die während des Ausheizens und Evakuier ens der Röhre verschlossen ist. Diese Ampulle wird im letzten Betriebsvorbereitungsstadium nach dem Äusheizen der Röhre, jedoch noch bei laufender Pumpe, geöffnet. Beim Öffnen der Ampulle entweichende Gase können dann noch vor dem endgültigen Verschliessen der Rönre abgewerden.

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• vf/f.

Zum Öffnen der Ampulle sind verschiedene Verfahren bekannt. Nach 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. 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 beiden Verfahren müssen lediglich diesem Zweck dienende zusätzliche Bauteile in die Röhre eingebaut werden. Insbesondere müssen zusätzliche elektricche Durchführungen durch die Vakuumglocke geschaffen werden, die den konstruktiven Aufbau der Röhre weiter komplizieren.

Die Erfindung schafft ausserdem eine neue Ampullenstruktur und neue Mittel zum Öffnen der Ampulle, die insbesondere keine zusätzlichen Bauteile erfordern. Vor allem werden keine zusätzlichen elektrischen oder mechanischen Durchführungen durch das Vakuumgehäuse erfordert.

Die Erfindung ist im folgenden mit weiteren Merkmalen anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die

wesentlichen Bauglieder zur Ausbildung des Atomstrahls und des Detektors der Röhre;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung

der in Fig. 1 gezeigten Bauglieder;

Fig. 3 in vergrösserter Darstellung die

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Einzelteile des Verdampfers und der Ampulle;

Fig. 4 die Ampulle im Querschnitt;

Fig. 5 die zusammengesetzte Quelle in

perspektivischer Darstellung;

Fig. 6 die Quelle mit Reflektor und Träger;

Fig. 7 ein ZEEMAN-Diagranrnfür 133_n im

LS

Grundzustand mit Darstellung des in der Röhre der Erfindung angeregten Überganges;

Fig. 8 * ein Blockschaltbild des Regelkreises

der für den Betrieb der Röhre eingesetzt werden kann;

Fig. 9 in perspektivischer Darstellung den

ersten Zustandsfiltermagneten und die Ionenpumpe;

Fig. 10 in auseinandergezogener perspekti

vischer Darstellung den ersten Zustandsfiltermagneten mit Abschirmung und

ig, 11 den ersten Sustandsfilter und die

Ionenpumpe im Längsschnitt;

Fig. 12 den ersten Zustandsfilter und die

Ionenpumpe im Querschnitt;

Fig. 13 in perspektivischer Darstellung die 709825/0220

Mikrowellenbauelemente und die C-Feldspule;

Fig. 14 in perspektivischer Darstellung,

teilweise weggebrochen, die C-FeIdwicklung;

Fig. 15 eine Draufsicht auf die Abwicklung

der C-Feldspulej

Fig. 16 im Querschnitt eine gehalterte

C-Feldspule im Bereich der Strahlöffnung}

Fig. 17 eine Detaildarstellung der Leiter

der C-Feldspule im Bereich der S trahlöffnung;

Fig. 18 in ausexnandergezogener Darstellung

eine perspektivische Ansicht der Einzelteile der Magnetfeldabschirmung;

Fig. 19 einen Querschnitt im Bereich der

Röhrenmitte durch das Aussengehäuse und das Innere der Röhre;

Fig. 20 in perspektivischer Darstellung den

B-Feldmagnet und den Detektor;

Fig. 21 die in Fig. 20 gezeigten Bauelemente

mit Trägerstruktur;

Fig. 22 den B-Feldmagneten und den Detektor

in Draufsicht;

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Fig. 2 3 den B-Feldmagneten und den Detektor

in rückwärtiger Seitensicht;

Fig. 24 in auseinandergezogener Darstellung

das Aussengenause, die Anschlüsse und die Modulbaugruppen sowie

Fig. 25 in Seitensicht sowie teilweise im

Längsschnitt die in Fig. 24 gezeigten Elemente in zusammengebauter Form.

In den Figuren 1 und 2 sind die wichtigsten Grundelemente der Caesiumstrahlröhre 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 verdampft und über einen Kollimator einen Strahl neutraler Caesiumatome aussendet, die statistisch auf die beiden zuvor beschriebenen stabilen Energiezustände verteilt sind. 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 Caesium— strahl ausgeblendet werden. Der gefilterte Strahl wird dann durch das HP-Wechseiwirkungsbauglied 14 geführt. In diesem Bauglied wird durch eine Spule 22 ein schwaches homogenes Magnetfeld, das C-FeId, erzeugt. Ausserdem wirkt auf den Atomstrahl mit Resonanzfrequenz eine Mikrowellen energie ein, die in einigen der Atome dee Strahls die in Fig. 7 gezeigten Übergänge (3, 0) ·—^ {4_t 0} induziert.

Anschliessend werden dann die Atome im Zustand (4, 0) durch den zweiten Zustandsf ilter oder B-Magneten 16 aus dem Strahl ausgefiltert. Alle Atome mit anderen Zuständen

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werden aus dem Strahl ausgeblendet. Die auf diese Weise durch den B-Magneten ausgewählten Caesiumatome treffen auf den zum Ionisieren verwendeten heissen 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 einen 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.

In der in Fig. 8 gezeigten Weise wird das Ausgangssignal der Atomstrahlröhre 11 auf eine elektronische Regelvorrichtung

260 gegeben, an deren Ausgang ein Fehlersignal 261 auftritt, das auf einen Kristalloszillator 262 geprägt wird. Die typischerweise etwa 5 MHz betragende Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators wird durch das verarbeitete Fehlersignal

261 aus der Caesiumstrahlröhre gesteuert. Die Ausgangsfrequenz wird anschliessend in der Frequenzvervielfacherkette 264 vervielfacht und in dieser Form wiederum der Röhre 11 aufgeprägt. Die der Röhre aufgeprägte Frequenz entspricht genau der Resonanzfrequenz bei rd. 9192 MHz.

Die Frequenzvervielfacherkette 264 und der geregelte Oszillator 262 bilden gemeinsam den Mikrowellengenerator 266. Die Nutzfrequenz wird am Ausgang 268 des auf diese Weise geregelten Oszillators 262 abgenommen.

Die im Blockschaltbild der Fig. 8 gezeigten Bauelemente des Regelkreises sind ihrer Art nach an sich bekannt. Auch Caesiumstrahlröhren sind an sich bekannt. Die vorliegend verwendete Caesiumstrahlröhre der Erfindung ist jedoch aus drei Baugruppenmoduln und einem Aussengehäuse für die gesamte Röhre aufgebaut, die insgesamt und jeweils für

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sich neu sind. Die drei Moduln sind: (1) eine Caesiumampulle und ein erster magnetischer Zustandsfilter in Kombination mit einer Ionenpumpe, (2) ein zweiter magnetischer Zustandsfilter in Kombination mit einem Massenspektrometer und (3) eine C-Feldspule mit Mikrowellenstruktur.

Um die zuvor beschriebenen Vorteile der Modulbauweise der Erfindung erzielen zu können, sind der Verdampfer mit der Caesiumampulle und dem Kollimator und der A-Magnet mit der Ionenpumpe, die in den schematischen Figuren 1 und 2 getrennt voneinander dargestellt sind, zu einem Verdampfer-Α-Magnet-Modul 240 (Fig. 24) zusammengefasst. Das RF-Wechselwirkungsglied 14 und das C-FeId, die in den schematischen Figuren 1 und 2 offen gezeigt sind, sind in einer magnetischen Abschirmung 179 (Fig. 24) als zweites Modul zusammengefasst. Der B-Magnet 16, der der Ionisierung dienende heisse Draht 20, das Massenspektrometer 207 und der Elektronenvervielfacher 18 sind zu einem Detektormodul 244 {Fig. 24) zusammengefasst, Die in den Figuren 24 und 25 gezeigten Moduln 240 und 244 und die magnetische Feldabschirmung 179 sind im wesentlichen unabhängig voneinander und stellen Unterbaugruppen innerhalb des äusseren Gehäuses der Atomstrahlröhre dar. Sie sind, wie weiter unten im einzelnen beschrieben ist, mit insgesamt nur Schrauben am Gehäuse gehaltert*

Im folgenden sind die Modulkomponenten im einzelnen beschrieben.

Verdampf er -Ά -Magnet -Modul t Verdampfer und Ampulle

Die neue Quelleneinheit 10 der Erfindung wirkt als Quelle zur Erzeugung eines Strahls von Caesiumteilchen. Die Baugruppe

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ist in den Figuren 3 bis 6 dargestellt. Die Baugruppe 10 umfasst den hier nicht näher zu beschreibenden Kollimator 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 Deckel 37 mit einem Einfüllröhrchen 38 sitzt. Der Deckel 37 und der zylindrische Korpus 30 bilden gemeinsam ein Ampullengefäss. Die Wandstärke dieses Gefässes beträgt typischerweise etwa ο,38 mm.

An der dem Deckel 37 gegenüberliegenden Stirnseite des Gefässkorpus 30 ist eine Öffnung 49 vorgesehen. Ein napfförmiger Bodenverschluss 34 ist hermetisch dichtend in die Öffnung 49 des Gefässes 27 eingesetzt, und zwar mit Hilfe eines eutektischen Metalls 32, das so zusammengestellt ist, dass sein Erweichungspunkt bzw. mechanischer Schwächungspunkt bei einer Temperatur im Bereich von ca. 600 ⁰C liegt. Als Beispiel für ein solches eutektisches Metall sei eine Legierung genannt, die zu 45 Gew.-% aus Kupfer und zu 55 Gew.-% aus Indium besteht. Eine schwache Druckfeder 35 ist zwischen dem Bodenverschluss und dem Deckel 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

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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 Ampullen träger 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. 4) 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 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 die eutektische Dichtung nach. Durch die kombinierte Einwirkung des Caesiumdampf druckes in der Ampulle 27 und der Kraft der schwachen Druckfeder 35 wird eine Spannung erzeugt, die grosser als die dichtende Kraft der Metalldichtung 32 bei dieser Temperatur ist. Der Bodenverschluss 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 Bodenverschluss 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

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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 V7ärraeverlust 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 Α-Magneten befestigt werden kann. Unter jeder dieser Laschen liegt ausserdem eine etwa 76 /um dicke Unterlagscheibe 99 aus wärmeisolierendem Material, die eine Wärmeableitung von der Ofeneinheit 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 Vi Betriebsleistung.

Verdampf er-A-Maqn et -Modul; A-Ma gn et und Ionenpumpe

In der in den Figuren 9 bis 12 gezeigten Weise sind an einem Dauermagnetring 111 sowohl der erste Zustandsfilter (A-Magnet) 12 und die Ionenpumpe 110 ausgebildet. Die Ionenpumpe arbeitet in an sich bekannter Weise und dient der Aufrechterhaltung des Vakuums in der Röhre während des

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Betriebes. Der Dauermagnet 111 weist im wesentlichen die gebräuchliche offene Ringform auf, ist jedoch zusätzlich mit einer neuartig eingezogenen Ausbildung der Innenfläche versehen. Dadurch wird ein zweites Polschuhpaar für die Ionenpumpe geschaffen. Der eine einzige Ringdauermagnet dient aufgrund seiner Ausbildung also sowohl zum Betrieb des Zustandsfilters als auch gleichzeitig zum Betrieb der Ionenpumpe. Die Zentralachse des Magneten 111 liegt parallel zum Atomstrahl.

Im Polspalt des Ringdauermagneten 111 sind Weicheisenpolschuhe 112 und 114 mit der an sich bekannten Dipolkonfiguration angeordnet. Zwischen diesen Polschuhen verläuft das stark inhomogene Ablenkfeld des ersten Zustandsfilters 112.

Weiter zur Zentralachse des Magneten 111 zu sind eingezogene nach innen vorspringende Ringteile des Dauermagneten 111 ausgebildet, die einen Polspalt bilden, in dem ein Paar kurzer zylindrischer Polschuhe 116 und 118 das Magnetfeld für die Ionenpumpe 110 schaffen. Die Ionenpumpe 110 ist zwischen den Polschuhen 116 und 118 angeordnet. Die Ionenpumpe ist an sich bekannter und gebräuchlicher Konstruktion und daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben.

Der Dauermagnet 111 erzeugt im Endergebnis also zwei parallele magnetische Dauerfeider, mit denen sowohl der erste Zustandsfilter "A" 12 als auch die Ionenpumpe 110 betrieben werden. Das magnetische Kraftsystem ist so ausgelegt, dass im Zustandsfilter eine magnetische Flussdichte von angenähert 1 T herrscht, während zwischen den Polschuhen für die Ionenpumpe eine magnetische Flussdichte von angenähert 0,1 T eingestellt ist. Durch die Kompaktheit dieser Kombination kann die Atomstrahlröhre insgesamt kleiner, leichter und billiger als die nach

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dem Stand der Technik bekannten Atomstrahlröhren gebaut werden. Ausserdem kommt diese Bauweise vor allem der Modulbauweise der Röhre der Erfindung entgegen bzw. ermöglicht diese erst.

Eine Magnetfeldabschirmung 132 bedeckt etwa die obere Hälfte der äusseren Oberfläche des Magneten 111. Ausserdem greift eine V7and dieser Abschirmung zwischen den Magneten 111 und das C-Feld-Mikrowellenstruktur-Modul 179 (Fig. 24). Die Abschirmung 132 weist eine Öffnung 138 für den Durchtritt des Atorastrahls vom A-Magneten 12 zum Modul 179 auf. Die Ausbildung der magnetischen Abschirmung 132 dient weiterhin der Feldkontrolle, die erforderlich ist, um die im Α-Magneten erforderliche magnetische Flußdichte von 1 T auf die im C-FeId im RF-Übergangsglied 14 erforderliche magnetische Flussdichte von 6,0 /UT abzuschwächen.

Eine Montageplatte 128 liegt in Strahlrichtung vor dem Dauermagneten 111 und ist mit Laschen 134 und 136 versehen. Die magnetische Abschirmung 132, Abstandstücke 113 aus rostfreiem Stahl, der Magnet 111 und ein weiteres Paar Abstandhalter 117 aus rostfreiem Stahl werden miteinander durch ein Paar Maschinenschrauben 115 zusammengehalten, die durch Bohrungen in den einzelnen miteinander zu verbindenden Teilen durchsteckbar und in einer Gewindebohrung in der Montageplatte 128 verschraubbar sind.

Die in Fig. 6 gezeigte Quelle 10 ist über die Trägerlaschen 100 und 102 auf den Laschen oder Bügeln 134 und 136 befestigt. Durdidie Ausbildung der Laschen 134 und 136 in Form offener Bügel statt als feste Platten wird ein relativ langer Wärmepfad für die Wärmeleitung von der Quelle bzw. vom Verdampfer über die Laschen und die Klammern bis zu möglichen Überleitungspunkten zum Aussengehäuse der Atomstrahlröhre geschaffen. Thermisch isolierende Unterlagscheiben 99 mit einer Dicke von etwa

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76 /Um schaffen ausserdem eine zusätzliche Wärmeisolation zwischen den Laschen 100 und 102 einerseits und den Klammerlaschen 134 und 136 andererseits.

Die QiB lie 10 und der A-Magnet 12 mit der Ionenpumpe 110 bilden gemeinsam das Verdampfer-A-Magnet-Modul 240 (Fig. 24).

C-Feld-Mikrowellenstruktur-Modul

Das in den Figuren 1, 2 und 4 gezeigte C-FeId und das RF-Übergangsglied 14 sind mit weiter_tunten näher beschriebenen magnetischen Abschirmungen zu einem zweiten Modul 179 zusammengefas st.

In der vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Weise müssen die vom A-Magneten 12 aus dem Ca esiuma tomstrahl aussortierten Atome das RF-Übergangsglied 14 durchlaufen. In diesem Glied wird ein schwaches homogenes Magnetfeld (C-FeId) mit einer magnetischen Flussdichte von angenähert 6 yuT senkrecht zur Richtung des Strahles erzeugt. Dieses Feld wird durch ein einschichtiges gedrucktes Solenoid 22 neuer Konzeptxon aufgebaut. Die Ausbildung und die Halterung dieses nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellten Solenoids ist in den Figuren 13 bis 19 näher dargestellt.

Die am besten in Fig. 15 erkennbaren Leiterbahnen des Solenoids 22 werden in der zur Herstellung gedruckter Schaltungen gebräuchlichen Weise durch Ätzen aus einer dünnen Kupferschicht hergestellt ₄ die auf einen Träger 152 aus Polyamid aufgebracht ist * Der Träger ist etwa 51 /um dick. Die geometrische Form des Trägers 152 und der Verlauf der 8 in gleichem Abstand voneinander angeordneten Leiterbahnen 150-1 bis 150-8 sind der Fig, 15 zu entnehmen. Am Ende jeder der Leiterbahnen 150 sind Anschlussösen 307 ausgebildet. Das so aufgebaute gedruckte Solenoid ist also

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durch sehr dünne, relativ breite und sehr dicht nebeneinanderliegende Leiterbahnen mit sehr gleichmässigem Querschnitt und konstanter Leitfähigkeit gekennzeichnet.

Das beschriebene gedruckte Solenoid wird zu der in Fig. im wesentlichen 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 Anschlussösen eingesetzt sind. Die Zuleitung zum so hergestellten Solenoid werden an den Anschlussösen 304 und 306, die die beiden Endpunkte der Wicklung bilden, angelötet.

Die solcherart hergestellte geschlossene Stromschleife weist zwei zum Atomstrahl senkrechte Seitenflächen 140 und 142 sowie zwei zum Atomstrahl parallele Flächen auf. Dieses Solenoid muss in der Ebene des Caesiumstrahls 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 unverrne idbar ist.

Die Öffnung 270 des Trägers 152 weist zwei einander gegenüberliegende Ränder 144 (Fig. 15) auf, die die Leiterbahnen 150-4 und 150-5 des geschlossenen Leiters 150 unterbrechen. Dadurch werden an der Öffnung vier innere

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offene Endpunkte 122 der Leiterbahnen 150-4 und 150-5 geschaffen, die an den Rändern 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 wurden in der zuvor bereits beschriebenen Weise unerwünschte Übergänge verursachen.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht nun darin, dass die zuvor beschriebene Unterbrechung der Leiterbahn durch zwei Überbrückungsstücke 318 überbrückt wird, die aus einem ähnlichen gedruckten Leitermaterial wie das Solenoid bestehen. Durch diese Überbrückungsstücke 318 wird einerseits die Unterbrechung des Strompfades überbrückt, gleichzeitig aber die Gleichmässigkeit des C-Feldes gewahrt. Jedes der Überbrückungsstücke 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 Figuren 14 und 17 ersichtlichen Weise sind die Überbrückungsstücke 318 durch Verlöten von Nieten 182 mit der Windung verbunden. Die Nieten 182 greifen durch die Anschlussösen der Uberbruckungsleiterpfade 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 Uberbrückungsleiterbahnen 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

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Öffnungen wird in ausserordentlich guter Annäherung der Idealfall einer absolut gleichmässigen und ungestörten Stromflache erreicht.

Die elektrische Isolation um das Solenoid herum ist durch .Polyimidstreifen 184 und 186 (Fig. 14) gewährleistet. 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.

Die innere magnetische Abschirmung

Die montierte C-Feldspule 22 aus den drei zuvor beschriebenen Schichten und den beiden Überbrückungsstücken ist an der Innenfläche einer inneren magnetischen Abschirmung 154 (Fig. 18) und einer inneren Abschirmgrundplatte gehaltert. Die Halterung erfolgt über Nieten, die durch die Abschirmung und Randbereiche des Trägers 152 des Solenoids sowie der Isolatorstreifen 184 und 186 und schließlich durch Aluminiumbleche 282 greifen. In der Fig. 18 sind lediglich andeutungsweise einigedieser Aluminiumbleche 282 gezeigt. An den Öffnungen 270 und 271 weisen die Aluminiumbleche 280 Einschnitte oder Öffnungen auf, die mit den Öffnungen 270 und 271 zur Deckung gebracht werden können.

Eine Kippspule 192 (Figuren 2 und 18) ist an einem der in der Mitte der Anordnung liegenden Aluminiumbleche angebracht und an der inneren magnetischen Abschirmung so gehaltert, dass sie koaxial mit der Achse des Atomstrahls liegt. Diese Spule dient in gebräuchlicher Weise der Aufprägung eines 20 kHz-Signals zur Justierung des C-FeIdsolenoidstroms. Diese Justierung ist an sich bekannt und daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben.

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Die parallel zum Atomstrahl ausgerichteten Flächen der inneren magnetischen Abschirmung 154 (Fig. 18) weisen magnetische Abschlusskappen für das Solenoid 22 auf. Das auf diese Weise über die Fläche des Solenoids 22 resultierende Magnetfeld erreicht dadurch in ausserordentlich guter Näherung das klassische gleichmässige Feld eines unendlich langen Solenoids mit senkrecht zur Richtung des Caesiumatomstrahls verlaufenden magnetischen Flusslinien. Die innere magnetische Abschirmung 154 schwächt in Kombination mit einer im Abstand von dieser angeordneten äusseren magnetischen Abschirmung 157 ausserordentlich wirksam die starken Magnetfelder der Magneten A und B ab und schützt ausserdem den Bereich der RF-Übergangszone vor äusseren magnetischen Störeinflüssen.

Mikrowellen strahlung

In der insbesondere in den Figuren 1, 2 und 18 gezeigten Weise wird im RF-Wechselwirkungsglied 14 die Mikrowellenstrahlung durch eine Wellenleiterstruktur 190 eingestrahlt, die die gebräuchliche RAMSEY-Struktur aufweist und an dieser Stelle daher nicht näher beschrieben zu werden braucht.

Bekannte Atomstrahlröhren sind, wie eingangs bereits beschrieben, mit konstruktiv voneinander getrennten Gehäusen für den mechanischen Schutz und das Vakuum ausgerüstet. Relatiwerschiebungen, die zwischen beiden Gehäusen unvermeidbar sind, erfordern eine flexible Verbindung zwischen der Mikrowellenstruktur und dem Aussengehäuse der Röhre, die solche Relatiwerschiebungen auffangen und ausgleichen kann. Solche flexiblen Halterungen erfordern aber für ihre Montage relativ grosse Öffnungen in der magnetischen Abschirmung. Diese Öffnungen betragen gebräuchlicherweise etwa 5 cm im Durchmesser. Durch diese

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grossen Öffnungen entstehen jedoch wiederum durch Kriecheffekte und Leckeffekte Störungen im magnetischen C-FeId. Diese Störungen müssen ihrerseits wiederum kompensiert werden, beispielsweise durch ein System von Abschirmungsblechen (US-PS 3 670 171).

Das Erfordernis eines Ausgleichs solcher ReIatiwerSchiebungen entfällt bei der Röhre der Erfindung, bei der die mechanische Halterung der Funktionselemente und das Vakuumgehäuse in einem einzigen Strukturelement zusammengefasst sind. Der Einlassarm 190 der Mikrowellenstruktur kann daher fest mit der unteren Oberfläche der Grundplatte 156 der inneren magnetischen Abschirmung verlötet oder verschweisst sein. Durch diese Ausbildung entfällt das Erfordernis, eine grosse Öffnung in der magnetischen Abschirmung vorsehen zu müssen. In der Grundplatte 156 (Fig. 18) ist lediglich eine relativ kleine Öffnung 194 mit den Abmessungen von ca. 25 mm χ 13 mm erforderlich. Durch diese Öffnung werden im C-FeId kaum Störungen verursacht. Abschirmbleche und andere Kompensationsmassnahmen sind nicht erforderlich. Die Struktur der Erfindung ist also nicht nur einfacher und billiger, sondern auch effektiver.

Die äussere magnetische Abschirmung

In der am besten aus den Figuren 18 und 19 ersichtlichen Weise ist die innere magnetische Abschirmung von einer äusseren magnetischen Abschirmung 157 und einer äusseren Grundplatte 159 umgeben. In der äusseren magnetischen Abschirmung sind Öffnungen 167 und 169 für den Durchtritt des Caesiumstrahls vorgesehen. Die gesamte einheitliche Baugruppe bestehend aus der äusseren magnetischen Abschirmung, der inneren magnetischen Abschirmung und dem RF-Übergangsglied in diesen Abschirmungen bildet das C-Feld-Mikrowellenstruktur-Modul 179 (Fig. 24).

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Das den zweiten Zustandsfilter (B-Magnet) und den Detektor umfassende Modul

In den Figuren 20 bis 23 sind Dauermagnete 198 und 199 gezeigt, die im wesentlichen Hufeisenform haben und auf •einem Detektortisch 196 befestigt sind. Die Magnete liegen in einer horizontalen Ebene, in der auch die Achse des Atomstrahls liegt. Die Magnete 198 und 199 sind so angeordnet, dass sie im Abstand von etwa 180° voneinander zwei Polspalte bilden. Der eine Spalt liegt in Strahlrichtung hinter dana RF-Übergangsglied 14 auf der Strahlachse. Der andere Polspalt liegt in Strahlrichtung hinter dem ersten Polspalt, ist zu diesem unter einem Winkel von etwa 180 ausgerichtet und axial geringfügig gegen diesen versetzt. Im ersten Polspalt zwischen den Magneten 198 und 199 sind auf der Strahlachse Polschuhe 200 und 201 aus Weicheisen angeordnet, die genau das gleiche Profil wie die Polschuhe des Α-Magneten aufweisen. Die von den beiden Dauermagneten 198 und 199 beaufschlagten Polschuhe 200 und 201 dienen als zweites Zustandsfilter (oder "B-Magnet") 16. Im zweiten Polspalt zwischen den Dauermagneten 198 und 199 sind Polschuhe 204 in der Weise angeordnet, dass sie geringfügig seitlich gegen die Achse des Atomstrahls versetzt sind. Die Polschuhe 204 liegen in Strahlrichtung hinter dem Polschuhpaar 200 und 201. Die Polschuhe 204 werden ebenfalls von den Dauermagneten 198 und 199 beaufschlagt und wirken als Massenspektrometer 207. Mit anderen Worten werden also der zweite Zustandsfilter und das Massenspektrometer in Reihe durch ein einziges Dauermagnetpaar 198 und 199 beaufschlagt. Auch durch diese Kombination wird erreicht, dass die Caesiumstrahlröhre der Erfindung kleiner und leichter als bekannte Röhren hergestellt werden kann.

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Der Detektortisch 196 ist mit drei senkrechten Laschen versehen, an denen ein Glühfadenionisationsgerät 21 gehaltert ist, dessen wichtigstes Funktionselement ein heisser Draht 20 ist. Unter dem Detektortisch 196 sind ein Elektronenvervielfacher und eine Abschirmung 18 befestigt. Im Detektortisch 196 ist eine Öffnung 203 ausgebildet, die mit einer entsprechenden Öffnung 205 in der Abschirmung des Elektronenvervxelfachers ausgerichtet ist. Der B-Magnet 16, das Massenspektrometer 207, der Glühfadenionisator 21 und der Elektronenvervielfacher 18 mit der Abschirmung bilden gemeinsam das B-Magnet-Detektor-Modul 244 (Fig. 24).

Der das RF-Wechselwirkungsglied 14 (Fig. 2) verlassende Caesiumatomstrahl enthält Atome, in denen der Energieübergang stattgefunden hat. Alle anderen Atome müssen aus diesem Strahl ausgeblendet werden. Die vom zweiten Zustandsfilter oder B-Magneten 16 ausgewählten Atome treffen auf den heissen Draht 20, der gebräuchlicher Ausbildung ist und daher an dieser Stelle nicht naher beschrieben zu werden braucht. Der heisse Draht 20 streift von jedem der auftreffenden neutralen Caesiumatome ein Elektron ab und reemittiert ein positiv geladenes Caesiumion. Diese Caesiumionen werden dann durch das Massenspektrometer 207 von den unvermeidbar vom heissen Draht 20 mitemittierten Verunreinigungen abgetrennt und in den Elektronenvervielfacher 18 gerichtet. Der Elektronenvervielfacher 18 liefert ein verstärktes Ausgangssignal, das der Anzahl der auf die erste Dynode des Vervielfachers treffenden A-tome proportional ist.

Das äussere Gehäuse

Das äussere Gehäuse der Atomstrahlröhre der Erfindung ist in den Figuren 24 und 25 dargestellt. Es besteht aus einem einzigen vakuumdichten Gehäuse, das aus einer starren Basis 210 (Fig. 24) und einer relativ dünnen und flexiblen

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Haube 212 besteht. Die Basis besteht aus einem 3,2 mm dicken rostfreiem Stahlblech. Die Haube besteht ebenfalls aus einem rostfreien Stahlblech, das jedoch nur 1 mm dick ist. Die Basis 210 enthält die erforderlichen vakuumdichten Durchführungen für die elektrischen Zuleitungen und die RF-Quellen. Diese Durchführungen sind an sich bekannt und hier deshalb nicht näher beschrieben. Ausserdem sind auf der Basis 210 die drei zuvor beschriebenen Moduln 179, 240 und 244 befestigt.

Das Verdampf er -A-Magnet-Modul 240 ist auf zwei Tragkonsolen 222 und 224, die an der Basis 210 befestigt sind, mit zwei Maschinenschrauben 400 befestigt. Der Wärmeleitungspfad vom Verdampfer 10 zur Aussenseite des Gehäuses der Caesiumröhre verläuft also über die offenen Klammer la sehen 1 34 und 136 und über die Konsolen 222 und 224 auf den Rahmen 210. Dadurch wird der Wärrnepfad so lang, dass er der thermischen Isolation des Verdampfers 10 von der Umgebung der Röhre dient.

Das C-Feld-Mikrowellenstruktur-Modul 179 ist auf vier senkrechten Zapfen 226 gehaltert, auf denen es durch vier Maschinenschrauben 228 verschraubt ist. Das B-Magnet-Detektor-Modul 242 ist über U-Profile 234 und 236, an denen es durch ebenfalls vier Schrauben 237 befestigt ist, auf der Basis 210 gehaltert. Der Detektortisch 196 und die U-Profile 234 und 236 bilden gemeinsam einen relativ langen Wärmepfad zwischen dem heissen Draht 20 der Ionisationsvorrichtung und der äusseren Umgebung der Röhre.

Die Haube 212 ist nach Herstellung der Anschlüsse zu den Durchführungen mit der Basis 210 verschweisst. Die Röhre wird dann unter Hochvakuumjjnd hohen Temperaturen evakuiert.

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Diese Modulbauweise der Atomstrahlröhre, bei der jede Baugruppe oder jedes Modul mit einem Minimum von Befestigungspunkten auf einem starren Rahmen des einzigen Gehäuses der Röhre gehaltert und befestigt und justiert sind, ermöglicht in der beschriebenen Weise nicht nur die Justierung und die Halterung der Moduln, sondern gleichzeitig auch ihre Warrneisolation und den Schutz der funktionellen Komponenten in den Moduln vor mechanischen Störeinflüssen aus der Umgebung. Dabei nimmt gleichzeitig die relativ flexible Haube die thermischen und mechanischen Spannungen auf, die insbesondere beim Verschweissen der Röhre unvermeidbar sind. Ein aus einem gleichmässig dielten Material aufgebautes äusseres Gehäuse der Atomstrahlröhre weist diese Möglichkeit und diese Flexibilität der Anpassung und der Aufnahme mechanischer Spannungen und thermischer Verspannungen nicht auf. In einem aus gleichmässig starkem Material hergestellten Auasengehäuse wäre die erforderliche Präzisionsjustierung der Komponenten praktisch nicht möglich.

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Leerseite

Claims

Patentanspruch 6Q0<3v f

Molelcularstrahlrohre mit einer Quelle zur Erzeugung eines gerichteten Molekularstrahls, mit einem ersten Zustandsfilter zum Ausfiltern eines Teils der Teilchen aus dem Strahl, mit einem in Strahlrichtung hinter dem ersten Zustandsfilter liegenden Ηττ-Anregungsglied zur Anregung von Resonanzübergängen in einigen der Teilchen des ausgewählten Strahls, mit Mitteln zur Erzeugung eines schwachen im wesentlichen homogenen Magnetfeldes im HF-Anregungsglied, :nit einem zweiten Zustandsfilter in Strahlrichtung hinter den -Ip-Anregungsglied zum Ausfiltern eines weiteren Teils des Teilchenstrahls, wobei der ausgefilterte Strahl jene Teilchen enthält, in denen der Resonanzübergang stattgefunden hat, und mit eines Detektor, der die ausgewählten Teilchen registrieren kann und ein Massenspektrometer enthält, gekennzeichnet durch ein Hufeisen-Dauermagnetpaar (193, 199)5 cLie sin unter 180 ° zueinander ausgerichtetes Polspaltpaar schaffen, wobei der erste Polspalt in Strahlrichtung hinter dem HF-Anregungsglied (14·) und der zweite Polspalt in Strahlrichtun.g hinter dem ersten Polspalt liegt, in ersten Polspalt ein erstes Polschuhpaar (200, 201), das von den Dauermagneten (193, 199) beaufschlagt wird, angeordnet ist und im zweiten Spalt ein ebenfalls von den Dauermagneten (193, 199) beaufschlagtes Polschuhpaar (204) angeordnet ist, wobei weiterhin das erste Polschuhpaar (700, 701) den zweiten Zustandsfilter (16) und das zweite Polschuhpaar (204·) das Massenspektrometer (207) im Detektor bilden und die magnetischen Plußkreise dieses zweiten Zustandsfilters .(16) und des Massenspektrometers (207) in Reihe liegen.

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