DE3405570A1

DE3405570A1 - Verbesserter hohlraumresonator fuer einen atomaren frequenzstandard

Info

Publication number: DE3405570A1
Application number: DE19843405570
Authority: DE
Inventors: Tae Moo Thousand Oaks Calif. Kwon; Howard Ernest Northridge Calif. Williams
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1983-02-16
Filing date: 1984-02-16
Publication date: 1984-09-06
Also published as: GB2136636A; IT8447693A0; IL70916A; SE8400820D0; FR2541047A1; GB8404072D0; IL70916A0; GB2136636B; CA1200859A; US4495478A; SE8400820L; IT1177560B; NO840554L; FR2541047B1; JPS59158102A

Description

Verbesserter Hohlraumresonator für einen atomaren Frequenzstandard .

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei atomaren Dampfkammer-Frequenzstandards. Die Erfindung betrifft insbesondere einen verbesserten Mikrowellen-Hohlraumresonator zum Gebrauch bei solchen Systemen.

Atomare Frequenzstandard-Systeme werden im allgemeinen dazu verwendet, die Frequenz von Quarzkristall-Oszillatoren, die sonst keine Frequenzstabilität aufweisen, einzustellen. Bei solchen Systemen wird im allgemeinen versucht, die Frequenz des Quarzkristall-Oszillators auf die natürliche Oszillationsfrequenz eines Elementes, beispielsweise eines Alkalimetalls, festzustellen. Die dem Element zugehörige Frequenz entspricht der Energiedifferenz zwischen den zwei Hyperfeinstruktur-Niveaus

Oy

des Grundzustands des Atoms, der für das Isotop Rb bei ungefähr 6,83 GHz liegt.

_₅ Der Regelmechanismus für den Quarzoszillator ist ein atomares Resonanzsystem, das im allgemeinen eine Gasentladungslampe aufweist, die mit dem gewünschten Alkalimetall-Dampf (beispielsweise Rubidium) gefüllt ist, die optisch ausgerichtet ist mit einer Kammer, die aus einem

evakuierten Glaskolben besteht, der mit dem verdampften 30

Alkalimetall gefüllt ist, und mit einem photoempfindlichen Lichtempfänger, der so angeordnet ist, daß er von der Lampe ausgehendes Licht nach Passieren der Kammer feststellt. Ein solches System ist beispielsweise in

der US-PS 3 798 565 von Jechart für "Atomaren Frequenz-35

standard bei. Gaskammern kompakter Form" offenbart.

Bei einem solchen System wird das von der Lampe (deren

Entladung im übrigen durch Hochfrequenz-Energie in Gang gesetzt wird) ausgestrahlte Lichtspektrum des ausgewählten Elementes in einem als Resonanzabsorption oder "optisches Pumpen" bekannten Prozeß von dem Rubidium in der Absorptionskammer -absorbiert, wobei die Gleichgewichtsbesetzungen der beiden Hyperfein-Grundzustände vorzugsweise verändert werden. Dieser Prozeß verringert das Licht-Absorptionsvermögen des Dampfes innerhalb der Kammer so, daß nach einer Zeitspanne eine Intensitätserhöhung des bei dem Photodetektor nach Durchtreten der Zelle auftreffenden Lichtes festgestellt werden kann.

Bei einem atomaren Frequenzstandard, einer Art prozeßgekoppelt-geschlossener bzw. Closed-Loop-Regelung, wird dem Effekt des optischen Pumpvorganges gemäß den Lichtabsorptionseigenschaften des Elementes in der Kammer entgegengewirkt und das davon herrührende "Fehlersignal" durch das Einstrahlen elektromagnetischer Energie einer der atomaren Resonanzfrequenz des Elementes in der Absorptionskammer gleichen Frequenz auf Null gebracht. Im allgemeinen ist bei einem atomaren Frequenzstandard-System ein Mikrowellen-Hohlraum vorgesehen, um die eingestrahlte elektromagnetische Energie in die Atome des Dampfes innerhalb der Kammer einzukoppeln. Der Mikrowellen-Hohlraum (Resonator) ist für Resonanz bei der atomaren Frequenz des Elementes ausgelegt, um eine ergiebige Einstrahlung der elektromagnetischen Energie sicherzustellen, die durch Frequenz-Multiplikation des Ausgangssignals des überwachten Quarz-Oszillators abgeleitet ist. Ist die abgeleitete Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Energie exakt gleich der atomaren Frequenz des Elementes, so kehrt sich der Effekt des optischen Pumpvorganges um und die Lichtabsorption des Elementes in der Kammer erhöht sich merklich, ein Effekt, der durch das photoempfindliche Element festgestellt wird. Ein Rückkopplungssystem, das an den Resonator und an den Photodetektor angekoppelt ist, ver-

wendet dann die festgestellte Veränderung der Absorptionseigenschaft, um die Frequenz des'Quarzkristall-Oszillators zu überwachen, sie auf ihren vorbestimmten Nominalwert zu bringen und sie dort zu halten.

:

Zum wirksamen Funktionieren eines atomaren Frequenzstandards, wie er in seiner allgemeinen Ausbildung und Wirkungsweise oben beschrieben wurde, werden an den Mikrowellen-Hohlraumresonator des Systems zahlreiche Anforderungen gestellt. Er muß, wie erwähnt, genau auf die Resonanzfrequenz des Alkalimetalls abgestimmt·sein, damit dort hinein eine ergiebige Einstrahlung elektromagnetischer Energie der gewünschten Frequenz erfolgt. Vorzugsweise sollte er zusätzlich die Wechselwirkung der eingestrahlten elektromagnetischen Energie mit der Kammer und ihren Inhalt steigern. In der Vergangenheit wurden zylindrische Hohlraum-Resonatoren ausgebildet, um die (transversal-elektrischen) TE₀₁₁- und ΤΕ...-Modi zu unterstützen. Die früheren Ausbildungen -(TE₀₁₁) liefern im 'allgemeinen eine ergiebige Ankopplung an die Absorptionskammer. Die Ausbildungen von Hohlräumen waren jedoch für eine Verwendung an Bord von Flugzeugen oder Satelliten unannehmbar groß. Beispielsweise erforderten zylindrische Hohlräume des TE₀₁₁-Modus zumindest einen Durchmesser von ungefähr 63,5 mm (2,5 inch) und eine Länge von ungefähr 25, ^ mm (1 inch), um wirksam zu arbeiten. Der TE₁₁ ,.-Modus-Hohlraum kann mit einer geringeren Größe ausgebildet sein; ein Hohlraum von ungefähr 25,4 mm (1 inch) Durchmesser und Länge unterstützt diesen Modus.

Aufgrund der Natur der TE₁₁₁-Stehwelle wird jedoch die in den Hohlraum eingestrahlte elektromagnetische Energie nicht ergiebig in die innere Absorptionskammer eingekoppelt, da der magnetische Fluß der eingestrahlten Energie sich um die Kanten des Hohlraumes herum konzentriert.

Die vorstehenden und weitere Probleme nach dem Stand

der Technik werden durch die vorliegende Erfindung, die einen rechtwinkligen Hohlraum-Resonator für einen atomaren Dampfkammer-Frequenzstandard vorsieht, aufgegriffen und gelöst. Der Resonator umfaßt einen im wesentlichen rechtwinkligen Korpus,' der einen inneren Hohlraum zum Unterstützen elektromagnetischer Energie des TE.Q₁-Modus aufweist. Vorrichtungen zum bevorzugten Ausrichten elektromagnetischer Energie dieses TE_1Q1-Modus sind vorgesehen.

Die Erfindung umfaßt des weiteren einen TE₁₀₁-Modus-Hohlraumresonator . Der Resonator umfaßt einen Korpus, der einen Deckel und ein unteres Teil mit einem im wesentlichen rechtwinkligen inneren Hohlraum aufweist.

Der Korpus weist zwei Öffnungen an einander entgegengesetzten Enden zum Befestigen optischer Linsen auf. Ein im wesentlichen ebenes dielektrisches Element ist innerhalb des Deckels vorgesehen. Es sind Vorrichtungen vorgesehen zum bevorzugten Anordnen elektromagnetischer

Energie innerhalb des Hohlraums. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale sowohl in der Zeichnung als auch

in der Beschreibung beziehen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen atomaren Resonanzsystems (im allgemeinen als "physikalische Baueinheit" bzw. "physics package"

bezeichnet),

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Hohlraumresonators,

Fig. 3A und 3B ein elektrisches Schaltschema bzw. einen Teilschnitt durch den Deckel des Hohlraum-Resonators zur Darstellung einer Vorrichtung zum

Befestigen eines Schaltkreises zur Energieeinstrahlung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Hohlraumresonator zur
Darstellung der Linien des hierin erzeugten
magnetischen Flusses, und

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung von Ausbildungsparametern für einen erfinduhgsgemäßen Hohlraum-Resonator.

In der Zeichnung stellt Fig. 1 eine Seitenansicht eines atomaren Resonanzsystems dar,das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Das auf einer Richtbank 10 befestigte System umfaßt eine Hochfrequenz-Entladungslampe 12, eine Filterkammer 14 und einen Resonatorhohlraum 16. Leitungen 18 führen hochfrequente Energie
zu einer Spule, die einen elektrodenlosen, einen Alkalimetall-Dampf enthaltenden Kolben innerhalb der Lampe 12 umgibt und anregt. Es· sind Vorrichtungen vorgesehen

zum Regulieren von Temperatur und Druck des Dampfes inner-

87
halb des Kolbens. Sofern Rb verwendet wird, umfassen

seine D.- und D„-Spektrallinien das Spektrum des ausgesandten Lichtes.

Das Licht tritt aus der Lampe 12 aus und durchdringt

als Bündel die Filterkammer 14, in der einer der beiden

87
Grundzustände des 'Rb-Isotops durch Einbringen des

87
Rb-Isotops ■ verringert wird. Durch

das Verringern eines der Grundzustände kann durch das
Rubidiumlicht optisches Pumpen mit dem in einer herkömmlichen Absorptionskammer innerhalb des Hohlraum-Resonators 16 enthaltenen Rubidium durchgeführt werden. 35

Der Resonator 16 weist eine im allgemeinen rechtwinklige Form zweier ausgeholter, metallischer Teile auf, einen

abnehmbaren Deckel 20 und ein unteres Teil 22. Kreisförmige Flanschpaare 24 und 26 sind mit einander entge- . gengesetzten Enden des Resonators 16 ausgebildet und dort angeordnet. Die Flanschpaare 24 und 26 bilden Spulen für die Drahtwicklungen 28 bzw. 30. Den Wicklungen 28 und 30 zugeführte Ströme bewirken, daß sich ein als "C-FeId" bekanntes konstantes Magnetfeld innerhalb des Resonators 16 ausbildet. Dieses Feld bewirkt die "Feineinstellung" der hierin befindlichen Rubidium-Absorptions-« kammer und gewährleistet zusätzlich zu einem stabilen auch einen genaue atomaren Frequenzstandard. Ein Schlitz 32 in einer Seitenwand des Resonators 16 sitzt am Anfang eines horizontalen Durchganges innerhalb des Deckels 20 zum Einführen eines länglichen Leiters, der ein strahlendes Element oder eine Schaltkreis-Schlaufe eines Energieeinstrahlungskreises bildet, der durch den geregelten Oszillator angetrieben wird. Wie in Fig. 3B deutlicher zu sehen ist, gewährleistet die Orientierung dieses Elementes, die durch die besondere Anordnung der Teile des Resonators 16 ermöglicht ist, daß innerhalb des Hohlraums 16 das TE₁₀₁-FeId bevorzugt angeregt wird. Ein zylindrisches Gehäuse 34, das einen Teil des Resonators 16 bildet, kann einen (nicht dargestellten) Photodetektor aufnehmen. Jede beliebige Anzahl solcher Vorrichtungen, die ein Ausgangssignal, das auf die auf eine Fläche einfallende Lichtintensität anspricht, aufweist, läßt sich bei dem atomaren Dampfkammer-Frequenzstandard gemäß Fig. 1 verwenden. Ein spezielles Ausführungsbeispiel eines solchen Systems benützt einen Silizium-Photodetektor "General Purpose Detector", wie er von der Silicon Detector Corporation of Newbury Park, California, im Handel erhältlich ist.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte, perspektivische Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonanzhohlraumes 16. Die in dieser Figur dargestellte Ansicht

ist von der der in Fig. 1 dargestellten Seite entgegengesetzten Seite her aufgenommen , um die vollständige Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Der Resonator 16 umfaßt im allgemeinen, wie ersichtlich, einen Zusammenbau von drei Elementen: den abnehmbaren Deckel 20, das untere Teil 22 und ein im wesentlichen ebenes Element 36 aus dielektrischem Material. In zusammengebautem Zustand ist das Element 36 in den Deckel 20 eingepaßt, wobei seine obere Flache im wesentlichen mit dem oberen Teil des ausgehöhlten Deckels 20 bündig ist. Schrauben 38, 40, 42 und 44 halten in Verbindung mit zueinander passenden Eckenpassungen des Deckels 20 und des unteren Teils 22 die Baueinheit zusammen. Die geteilte bzw. gabelförmige Bauweise des Hohlraumes gestattet bei einem Minimum von Störungen des gewünschten Stehwelleh-Modus*und mit der Möglichkeit zur Wiederverwendung ein vereinfachtes Einführen einer Absorptionskammer in das untere Teil 22 vor einer Benützung und einen !leichten Zugang zu dem Inneren des Hohlraums 16 für Handhabungs- und/oder Reparaturzwecke.

Das untere Teil 22 umfaßt, wie aus Fig. 2 ersichtlich,.

,eine kompakte Einheitenbauweise, wobei die kreisförmigen Flansche 24 und 26 an einander entgegengesetzten Enden der inneren Kammer des aus Metall, vorzugsweise aus Messing,gefertigten unteren Teils 22 ausgebildet sind. Das zylindrische Gehäuse 34 zum Befestigen eines geeigneten Photodetektors ist, wie gezeigt, konzentrisch ausgebildet mit den kreisförmigen Flanschen 24 und 26, die, wie oben ausgeführt, als Spulen für Leiter aus dünnem Draht dienen.

In den einander gegenüberliegenden Stirnwänden des unteren Teils 22 sind öffnungen zum Befestigen von Fokussierlinsen 46 und 48 vorgesehen. In einem vollständig zusammengebauten atomaren Resonanzsystem ist die Linse zwischen der Filterkammer 14 und der (nicht dargestell-

*) in dem Hohlraum

ten) Absorptionskammer innerhalb des ausgehöhlten unteren Teils 22 angeordnet und dient dazu, das gefilterte Rubidium-Spektralbündel in die Absorptionskammer zu fokussieren, während die zwischen der Kammer und dem innerhalb des Gehäuses 34 befestigten (nicht dargestellten) Photodetektor angeordnete Linse 48 dazu dient, das Licht auf der photoempfindlichen Silizium-Fläche des Photodetektors zu sammeln.

Ein halbkreisförmiges Loch 50 ist an einer oberen Kante einer Seitenwand des unteren Teils 22 angeordnet. Das halbkreisförmige Loch 50 paßt mit einem halbkreisförmigen Loch 52 an der dazu passenden unteren Kante einer Seitenwand des abnehmbaren Deckels 20 zusammen, so daß in zusammengabautem Zustand eine kreisförmige öffnung zum Einführen einer Abstimmschraube 54 in den Resonator ausgebildet ist. Ein Schlitz 56 am Boden des dielektrischen Elementes 36, der sich über seine Briete hinweg erstreckt, ermöglicht das Einführen der Abstimmschraube 54 bis auf die geeignete Eindringtiefe für die Feinabstimmung des Resonators 16 zur Korrektur von von Herstellungstoleranzen und dergleichen herrührenden Ungenauigkeiten.

An der oberen Fläche des dielektrischen Elementes 36 ist ein zweiter Schlitz 58 ausgebildet. Dieser Schlitz 58 ist wie der Schlitz 56 parallel ausgerichtet mit den Stirnwänden des unteren Teils 22. Diese Ausrichtung ist, wie aus Fig. 3B ersichtlich, ein kritisches Merkmal des Resonators 16, das das Einführen eines länglichen, eine bevorzugte Ausrichtung aufweisenden strahlenden Schaltkreis-Elementes in den (in Fig. 1 dargestellten) Schlitz 32 an der Seite des Deckels 20 ermöglicht. Die Ausrichtung eines solchen strahlenden Elementes dient dazu, die Stehwelle innerhalb des inneren Hohlraumes des Resonators 16 mit der in Fig. 4 dargestellten Richtung auszurichten, so daß das im Inneren des Hohlraums be-

* findliche, im wesentlichen gleichförmige magnetische Feld optimal in die Absorptionskammer eingekoppelt ist.

Der Schlitz 58 endet ungefähr in der Mitte der oberen Seite des dielektrischen Elementes 36.· Dieses Ende des Schlitzes 58 ist halbkreisförmig ausgebildet und mit einer Bohrung 60 in dem oberen Teil des Deckels 20 ausgerichtet. Die Bohrung 60 nimmt, wie- in Fig. 3B dargestellt, die Speicher-Schaltdiode des Schaltkreises zum Einstrahlen elektromagnetischer Energie in den Hohlraum-Resonator 16 auf.

Fig. 3A stellt ein elektrisches Schaltschema eines herkömmlichen Schaltkreises zum Einstrahlen elektromagneti-

!5 scher Energie in einen Hohlraum, wie beispielweise den Resonator 16, dar. Der Schaltkreis läßt ein Ausgangssignal von ungefähr 120.MHz durch, das von dem Ausgangssignal ^des überwachten Quarzkristall-Oszillators mit Hilfe einer herkömmlichen Anordnung von Frequenzmultiplikations-Stufen abgeleitet ist. Dieses Signal wird an eine Eingagnsklemme 62 des Schaltkreises gelegt, der einen Entkopplungskondensator 64, eine Speicher-Schaltdiode 66, einen länglichen strahlenden Leiter 68 und die obere Wand des Deckels des Hohlraum-Resonators 16 umfaßt. Die Diode 66 arbeitet, wie bekannt, als harmonischer Generator, der ein Ausgangssignal erzeugt, das mehrfache Oberwellen des Eingangssignals enthält, wobei die siebenundfünfzigste Oberwelle der Eingangsfrequenz von 120 MHz die atomare Frequenz von Rubidium, 6,83 GHz, ist. Da der Resonator 16 auf genau diese Frequenz ausgebildet und feinabgestimmt ist, beträgt der gesamte Signaleingang in den Resonator 16 von der Frequenz her im wesentlichen 6,83 GHz. Zwischen der eingestrahlten elektromagnetischen Energie bei dieser Frequenz und der Rubidium-Absorptionskammer tritt, wie oben ausgeführt, eine Wechselwirkung auf, wobei eine nachweisbare Umkehrung des optischen Pumpvorgangs er-

zeugt wird.

Fig. 3B zeigt eine querverlaufende Schnittdarstellung eines Teils des Resonators 16 durch die Bohrung 60. Diese Darstellung umfaßt einen Teil des in Fig. 3A schematisch dargestellten und auch in den anderen Darstellungen nicht anders gezeigten Einstrahlungsschaltkreises. Die in Fig. 3B dargestellten physikalischen Elemente sind mit den Bezugszeichen dieser (schematisch dargestellten) Elemente in Fig. 3A bezeichnet. Darüberhinaus sind die Linien des magnetischen Flusses, die von d^pg den strahlenden Leiter 68 umgebenden Feld herrühren, bei 72 gezeigt. Das magnetische Feld verläuft, wie zu sehen, im wesentlichen parallel zu der Länge des Resonators 16.

Diese Anordnung des TE. .-Feldes ist ein unmittelbares Ergebnis der Ausrichtung des oberen Schitzes 58 quer zu der Länge des Resonators 16. Eine solche Ausrichtung des Schlitzes 58 ermöglicht es, daß die Stromschleife des Leiters 68 korrekt angeordnet ist, so daß sich durch Anwenden der bekannten Rechte-Hand-Regel auf den Stromfluß entlang des länglichen strahlenden Elementes 68 die in Fig. 3B (und Fig. 4) dargestellte H-Feld-Ausrichtung ergibt.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch den Resonator 16, der im rechten Winkel zu dem in Fig. 3B gezeigten Schnitt durch die Bohrung 60 verläuft. Die Absorptionskammer 70, die, wie dargestellt, innerhalb des Resonators 16 angeordnet ist, wird von einer Mehrzahl parallel zu ihrer Länge verlaufenden Mangetfeldlinien, die Linien des magnetischen Flusses des TE₁„.-Modus darstellen, geschnitten. Die Ausrichtung des strahlenden Leiters 68 stimmt, wie oben erwähnt, mit der Ausrichtung der TE.Q.-Stehwelle innerhalb des -Hohlraums überein, so daß das magnetische Feld in eine im wesentlichen parallel zu der Länge des Resonators 16 verlaufende Richtung aus-

gerichtet ist. Daraus ergibt sich, daß ein im wesentlichen gleichförmiger magnetischer Fluß über die gesamte Länge der Rubidium-Kammer 70 vorhanden ist. Bekanntlich erzeugt ein solcher, innerhalb des von der Kammer 70 eingenommenen Bereiches gleichförmiger.Fluß eine hochwirksame Kopplung des magnetischen Feldes mit den Rubidium-Atomen. Daraus ergibt sich, daß die Lichtabsorption des Rubidiums innerhalb der Kammer 70 sehr empfindlich auf die Frequenz anspricht und sich merklich erhöht, wenn die Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Energie gleich der atomaren Resonanzfrequenz ist. Somit erhält man bei einem atomaren Frequenzstandard, bei dem ein Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, durch Analyse der auf den Photodetektor nach Passieren der Absorptionskammer auftreffenden Lichtintensität eine äußerst genaue Anzeige der Frequenz der eingestrahlten Energie, die unmittelbar verknüpft ist mit der Frequenz des überwachten Oszillators.

Dieser Figur ist ferner zu entnehmen, daß das dielektrische Element 36 das magnetische Feld innerhalb des Resonators 16 verdichtet, wobei die Gleichförmigkeit des Freiraum-Bereiches des Feldes (d.h.: innerhalb des unteren Teils 22) erhöht und des weiteren eine kompakte Ausbildung des Hohlraums ermöglicht wird. Während es, wie oben ausgeführt, bei Hohlräumen nach dem Stande der Technik unmöglich war, sowohl eine eleichförmiKe FeIdverteiluncr wie auch eine Kompaktheit zu erhalten, erzielt man bei einem rechtwinkligen TE.„.-Modus-Hohlraum gemäß der vorliegenden Erfindung die in Figur 4 dargestellte gleichförmige Verteilung des magnetischen Flusses zusammen mit einer verhältnismäßig kompakten Bauweise. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde ein recht-

winkliger TE₁₀₁-Modus-Hohlraum für ein atomares Frequenzstandardsystem mit den Abmessungen 12,7 x 17,78 χ 20,32 mm^ (0,5 x 0,7 χ 0,8 inch^) gebaut; eine wesentliche

Größenverringerung über die gegenwärtige Technologie hinaus wurde bereits oben erörtert.

In Fig. 4 sind die Entfernungen a und d eingezeichnet, die der Höhe des Hohlraums innerhalb des Resonators bzw. der Dicke des dielektrischen Elementes 36 entsprechen. Für Zwecke der nachfolgenden Analyse sind in dieser Figur ebenfalls noch die x- und z-Koordinaten eines dreidimensionalen Systems (die dritte oder y-Koordinatenachse liegt in einer Ebene senkrecht zum Papier) eingezeichnet.

Eine elektromagnetische TE-Welle, die längs der eingezeichneten z-Achse durch zwei unterschiedliche Transmissionsmedien "1" und "2" hindurchgeht, kann bekanntlich durch die folgenden Gleichungen definiert werden:

E =0

E=O

Hy =0

H₁ = cos K₁X 25

H_z2 · = A cos (kgX + φ)

(bei χ = a: k~a + φ = TT , φ = tr - kpa)

H₀ = A cos (k_o (x-a) + ir )

= -A cos k₂ (x-a)

H₁ = _V sin k..x

^x Ic₁

'

H _ = -A Y sin k_o (x-a)

y1 ~ ~^JajH- sin k..x

^k1

E 2 · = · j ld μ. sin kp (x-a) ^k2

wobei: k-, kp = Phasenkoeffizienten

y = Fortpflanzungskonstante 10

,u =· Permeabilität

An der Materiengrenze Medium 1 (Freiraum) und 2 (di-

elektrisches Element) sind H und E stetig (d.h.:

H₁ = H₀, E₁ = E_-3), was zu der Gleichung führt: ζ ι Zc y ι yd

. tan Ic, (a-d) tan

^k1 ^k2

Für eine sich in einem Wellenleiter ausbreitende elektromagnetische Energie des TE_1Q-Modus ergibt sich Y= J 2 Tr , wobei j^ die Leiter-Wellenlänge ist.

^g ^s

Man erhält einen konstanten Wert für das magnetische Feld H ₁ des Freiraums, in dem k., zu Null gesetzt wird. Es laßt sich zeigen, daß man diese Bedingung erhält, wenn die Wellenlänge λ der sich durch den Leiter ausbreitenden Energie gegen A_ geht. Geht \ gegen K , so geht kp gegen L₁H , wobei «₂ der Wert der relativen Dielektrizitätskontante des Elementes 36 ist. Löst man nun für die Grenzbedingungen mit den Ausdrücken für die in Fig. 4 eingezeichenten Entfernungen auf, so führt

dies zu der Gleichung tan k₂d = -k₂(a-d). Die vorstehende Gleichung läßt sich, wie durch das ausgedruckte Diagramm in Fig. 5 dargestellt, für gegebene Werte v.on ^ ζ p, a und d lösen. In dieser Figur sind Werte des Verhältnisses a/\ auf der Ordinate und Werte des Verhält nisses (a-d)/\auf der Abszisse abgetragen. Jede Kurve ist für einen gegebenen Wert der relativen Dielektrizitätskonstante cρ ausgedruckt. Somit lassen sich für ein gegebenes X und ein dielektrisches Element die geeigneten Abmessungen für den Hohlraum eines Resonators 16 gemäß der vorliegenden Erfindung und mit den Vorteilen dieser Erfindung in Bezug auf optimales Ankoppeln der Energie an die Dampfkammer aus den Ergebnissen der vorstehenden Analyse bestimmen.

Ein zusätzlicher kritischer Faktor bei der Ausbildung eines Resonators 16 in Übereinstimmung mit-der vorliegenden Erfindung betrifft die Anordnung der horizontalen "Unterbrechungslinie" zwischen dem metallischen Deckel 20 und dem unteren Teil 22. Die Vorrichtung kann zwar mit einer suboptimal angeordneten Unterbrechung zwischen dem Deckel 20 und dem unteren Teil 22 arbeiten, eine optimale Arbeitsweise wird jedoch dann erzielt, wenn keine zu der Unterbrechungslinie senkrecht verlaufende Oberflächenstrom-Komponente vorhanden ist.

In Übereinstimmung mit der vorangehenden Analyse existiert eine solche Anordnung bei demjenigen Wert für x, bei dem der Wert von E ρ in der obenstehenden Gleichung hierfür ein Maxiraum einnimmt.

Hieraus ist ersichtlich, daß sich für das Gebiet der Mikrowellen ein neuer und verbesserter Resonator zum Gebrauch bei atomaren Dampfkammer-Frequenzstandards ergibt.

Claims

Verbesserter Hohlraumresonator für einen atomaren Frequenzstandard

Patentansprüche

(9-

Hohlraumresonator für einen atomaren Dampfkammer-Frequenzstandard, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a) einen im wesentlichen rechtwinkligen Korpus (20, 22), der einen inneren Hohlraum (16) zum Unterstützen elektromagnetischer Energie des TE₁₀₁-Modus aufweist und

b) Vorrichtungen zum bevorzugten Ausrichten dieser elektromagnetischen Energie des TE._Q.-Modus.
2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Hohlraum (16) ein im wesentlichen ebenes Element (36) aus dielektrischem Material aufweist.
3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 oder 2 , d adurch gekennzeichnet, daß der rechtwinklige Korpus einen Deckel (20) und ein unteres Teil (22) aufweist.
4. Hohlraumresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element (36) im wesentlichen innerhalb des Deckels (20) angeordnet ist.
5. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Vorrichtungen zum bevorzugten Ausrichten der elektromagnetischen Energie des TE₁₀₁-Modus dadurch gekennzeichnet sind, daß das dielektrische Element (36) einen Schlitz (58) aufweist, der angeordnet bzw. ausgebildet ist zum vorzugsweisen Befestigen eines strahlenden Elementes (68) innerhalb des Hohlraumes (16).
6. Hohlraumresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (58) einen länglichen Wellenleiter (68) aufnehmen kann.
7. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element (36) einen zweiten Schlitz (56) zum Zulassen einer Abstimmschraube (54) für den Hohlraum (16) aufweist.
8. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (56, 58) auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen des im wesentlichen ebenen Elementes (36) aus dielektrischem Material angeordnet sind.
9. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der

Korpus an einander gegenüberliegenden Stirnwänden Öffnungen zum Befestigen optischer Linsen (46, 48) aufweist.
10. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g'ekennz e-ichnet durch Vorrichtungen zum Befestigen eines Photodetektors.
11. TE₁₀₁-Modus-Hohlraumresonator, gekennzei chnet durch folgende Kombination:

a) einen Korpus, der einen Deckel (20) und ein unteres Teil (22) umfaßt und einen im wesentlichen rechtwinkligen inneren Hohlraum (16) aufweist,

b) zwei Öffnungen an einander entgegengesetzten Seiten des Korpus zum Befestigen von optischen Linsen (46, 48),

c) ein im wesentlichen ebenes dielektrisches Element (36) innerhalb des Deckels (20) und

d) eine Vorrichtung zum bevorzugten Anordnen elektromagnetischer Energie innerhalb des Hohlraumes (16). 25