DE2559679B2

DE2559679B2 - Atomstrahlröhre

Info

Publication number: DE2559679B2
Application number: DE2559679A
Authority: DE
Inventors: Robert H. Danvers Mass. Kern (V.St.A.)
Original assignee: Frequency & Time Systems Inc Danvers Mass (vsta)
Current assignee: Frequency & Time Systems Inc Danvers Mass (vsta)
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1979-05-23
Also published as: NL7511778A; DE2559679C3; DE2545166A1; FR2325273B1; FR2325273A1; FR2316836B1; AU8557575A; CA1056957A; DE2545166C3; CH599712A5; DE2559678B2; CH596709A5; DE2559590A1; JPS5164895A; FR2318449A1; DE2545166B2; GB1514563A; FR2325272A1; DE2559677A1; DE2559677C3

Description

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

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 Caesiumato- ^M me, 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 ausweisenden Atome aus dem Strahl ausgeblendet und auf einen Detektor geführt Die Frequenz der aufgeprägten Strahlung wird im Bereich der genauen Atomresonanzfrequenz moduliert, wobei vom ^M Detektor ein Signal erzeugt wird, das der Servosteuerung einet Schwungradoszillaton dienen kann. In dieter 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 Hyper- feinniveaus gewählt Diese Hyperfeinniveaus beruhen auf der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Dipol des Kerns und dem magnetischen Dipol des Valenzelektronenspins. Das Caesiumatom weist nun nur zwei stabile Grundkonfigurationen auf, die zwei erlaubten Quantenzuständen zugeordnet sind. Der eine Zustand entspricht der Parallelstellung 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 ZEEMAN-Unterniveaus aufspaltbar ist

Der in einer Caesiumstrahlröhre üblicherweise verwendete Hyperfeinresonanzübergang ist derjenige zwischen den Zuständen (F = 4, it)f = 0) und (F = 3, IBf = 0). Dabei bezieht sich die erste Zustandsangabe F auf die Größe des gesamten atomaren Winkelmomentes, also die Summe der Kern- und Elektronenmomente, während sich die zweite Zustandsangabe niF auf jene Komponente dieses Gesamtwinfceimomentes 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 Caesiumatome untereinander identisch sind, ist auch der Energiebetrag E für alle Atome gleich. Die Frequenz / der elektromagnetirehen Energie, die zur Zustandsänderung erforderlich ist ist durch die Gleichung E = hf gegeben. Dabei ist h das PLANCKsche Wirkungsquantum. Für Caesium ist näherungsweise /=9192,631770MHz.

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 Atomstrahlröhrs.

Auf den so kollimierten Atomstrahl wirkt ein erster Magnet als Zustandsfilter ein. Dieser Magnet wird gebräuchlicherweise und auch im Rahmen dieser Beschreibung kurz als »Λ-Magnct« bezeichnet. Der /!-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 /4-Magneten werden die energetischen Zustände F - 3 und F - 4 in Unterniveaus aufgespalten. Aus dem Atomstrahl werden alle Atome mit dem Zustand F-A mit Ausnahme derjenigen mit /n/r« -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 Strahl verbleiben vor allem auch die Atome des Unterniveaus (3,0).

Nach dem Durchlaufen des Magnetfeldes des /4-Magneten, im folgenden kurz »Λ-Feld« genannt, treten diese Atome in ein Zentralglied ein, wo tie der Einwirkung einet schwachen gleichmäßigen C-Feldes ausgesetzt sind. Dabei werden die Zustände mit /tif-0 energetisch von den benachbarten Zuständen mit ntF Φ 0 getrennt. Dieses schwache Magnetfeld dient auch der räumlichen Ausrichtung der ausgewählten Caesiumatome und damit auch der Festlegung der erforderlichen Richtung des magnetischen Mikrowel-

lenfeldes.

Im Einflußbereich dieses gleichmäßigen schwachen Magnetfeldes sind die Caesiumatome Caesiumatome gleichzeitig der Einwirkung eines äußeren Wechselfeldes ausgesetzt, dessen Frequenz angenähert der s Resonanzfrequenz entspricht, die die Übergänge vom Unterniveau (J, 0) zum Unterniveau (4,0) anregt

Beim Verlassen dieses energetischen Übergangsbereiches w'iTil der Strahl der Einwirkung eines zweiten magnetischen Zustandsfilters ausgesetzt Dieser zweite Magnet erzeugt ein starkes inhomogenes Feld und gleicht dem A-MagneL 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 Oberganges. Die Atome mit diesem Unterniveau werden 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

Aus der DE-OS 14 91 5'j4 ist eine Atomstrahlröhre jo bekannt bei der hinter dem zweiten Zustandsfilter dem B-Magnet ein Massenspektrometer angeordnet ist Die Anordnung des B-Magneten und des Massenspektrometers hintereinander läßt eine kompakte Bauweise nicht zu.

Ausgehend von der aus der DE-OS 14 91534 bekannten Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die sowohl die Funktionsweise des B-Magneten bzw. des zweiten Zustandsfilters als auch die des Massenspektrometer in sich vereinigt, so c'..3 eine kleinere, kompaktere und leichtere Atornstraiilrunre hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Durch das in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildete Hufeisen-Dauermtignetpaar wird eine Einrichtung geschaffen, die sowohl die Funktion des zweiten Zustandsfilters als auch die Funktion des Massenspektrometers in einem einzigen Bauteil vereinigt Auf diese Weise kann die Anordnung für eine Atomstrahlröhre wesentlich vereinfacht werden, und insbesondere ist eine kompaktere und leichtere Bauweise möglich, was insbesondere für Atomstrahlröhren von Bedeutung ist, v> die in Flugzeugen oder Raumstationen Verwendung Tinden sollen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen naher erläutert Es zeigt

F i g. 1 wesentliche Bauglieder einer Atomstrahlröhre, μ

F i g. 2 die in F i g. 1 gezeigten Bauglieder in perspektivischer Darstellung,

F i g. 3 die den B- Feldmagneten und den Detektor in einem Bauteil vereinigende Anordnung in perspektivischer Darstellung.

Fig.4 die in Fig.3 dargestellte Anordnung mu Trägerstruktur,

F i g. 5 den kombinierten β-Feldmagneten und Detektor in Aufsicht sowie

Fig.6 den kombinierten B-Feldmagneten und den Detektor in rückwärtiger Seitenansicht

In den F i g. 1 und 2 sind die wichtigsten Grundelemente der Caeshimstrahlröhre 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 Caesiumstrahl ausgeblendet werden. Der gefilterte Strahl wird dann durch das RF-Wechselwirkungsbauglied 14 geführt In diesem Bauglied wird durch eine Spule 22 ein schwaches homogenes Magnetfeld, das C-F' A, erzeugt Außerdem wirkt auf den Atomstrahl mit Resonanzfrequenz eine Mikrowellenenergie ein, die in einigen der Atome des Strahls die Übergänge (3,0) -»(4,0) induziert

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 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 Caesiumatomen, die durch ein Massenspektrometer 207 ir. 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 den F i g. 3 bis 6 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 Magnetcl98 und 199 sind so angeordnet, daß sie im Abstand von etv/a 180° voneinander zwei Polspalte bilden. Der eine Spalt liegt in Strahlrichtung hinter dem RF-Übertragungsglied 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 d*n Magneten 198 und 199 sind auf df Strahlachse Polschuhe 200 und 201 aus Weicheisen angeordnet, die genau das gleiche Profil wie die Polschuhe de* 4-Magneten aufweisen. Die von den beiden Dauermagneten 198 und IS* beaufschlagt Polschuhe 2OQ 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 Atomstrihls versetz: sind. Die Polschuhe 204 liegen in Strahlrichtung hinter dsm 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

Der Detektortisch 196 ist mit drei senkrechten Laschen versehen, an denen ein Glühfadenionisationsgerät 21 gehaltert ist, dessen wichtigstes Funktionseiement 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 Elektronenvervielfachers ausgerichtet ist Der B-Magnet 16, das Massenspektrometer 207, der Glühfadenionisator 21 und der Elektronenvervielfacher 18 mit der Abschirmung bilden gemeinsam einen 0-Magnet-Detektor-Modu!.

Der das RF-Wechselwirkungsglied 14 (F ig. 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 ß-Magneten 16 ausgewählten Atome treffen auf den heißen Draht 20, der gebräuchlicher Ausbildung ist und daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben zu werden braucht Der heiQe 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

in 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

ι "> Vervielfachers treffenden Atome proportional ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Atomstrahlröhre für ein Frequenznormal mit einer Quelle zur Erzeugung eines gerichteten Atomstrahls, mit einem ersten Zustandsfilter zum Ausfiltern eines Teils der Teilchen aus dem Strahl, mit einem in Strahlrichtung hinter dem ersten Zustandsfilter liegenden HF-Anregungsglied zur Anregung von Resonanzfibergingen in einigen der Teilchen des ausgewählten Strahls, mit Mitteln zur Erzeugung eines schwachen im wesentlichen homogenen Magnetfeldes im HF-Anregungsglied, mit einem zweiten Zustandsfilter in Strahlrichtung hinter dem HF-Anregungsglied zum Ausfiltern eines weiteren Teils des Teilchenstrahls, wobei der ~> ausgefilterte Strahl jene Teilchen enthält, in denen der Resonanzübergang stattgefunden hat, und mit einem Detektor, der die ausgewählten Teilchen registrieren kann und ein Massenspektrometer enthält, gekennzeichnet durch ein Hufei- ^M sen-Dauermagnetpaar (196, i5S)t die ein unter 180° zueinander ausgerichtetes Polspaltpaar schaffen, wobei der erste Polspalt in Strahlrichtung hinter dem H F-Anregungsglied (14) und der zweite Polspalt in Strahlrichtung hinter dem ersten Polspalt liegt, im ersten Polspalt ein erstes Polschuhpaar (200, 201), das von den Dauermagneten (198, 199) beaufschlagt wird, angeordnet ist und im zweiten Spalt ein ebenfalls von den Dauermagneten (198, 199) beaufschlagtes Polschuhpaar (204) angeordnet ^M ist, wobei weiterhin das erste Polschuhpaar (200, 201) den zweiten Zustandet er (16) und das zweite Polschuhpaar (204) das Massenspektrometer (207) im Detektor bilden und. die mgnetischen Flußkreise dieses zweiten Zustandsfilter (16) und des Massen- ^v> spektrometer (207) in Reihe liegen.