DE3686555T2

DE3686555T2 - Integrierter mikrowellen-hohlraumresonator und magnetische abschirmung fuer einen atomfrequenz-standard.

Info

Publication number: DE3686555T2
Application number: DE8686115440T
Authority: DE
Inventors: Werner Weidemann
Original assignee: Ball Corp
Current assignee: Efratom Time and Frequency Products Inc
Priority date: 1985-11-25
Filing date: 1986-11-07
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2006-11-08
Also published as: JPS62151002A; DE3686555D1; US4661782A; ATE79993T1; EP0224093B1; ES2033670T3; JPH0754909B2; EP0224093A3; EP0224093A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenhohlraumresonator für ein atomares Frequenznormal, umfassend:
(a) einen Hohlraumresonator, der dazu geeignet ist, darin einen Vorrat an Atomen zu enthalten, die in der Lage sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums durchzumachen;
(b) eine Einrichtung zum Injizieren von Mikrowellenstrahlung innerhalb des Resonators, die in der Lage ist, atomare Übergänge von Atomen zu erzeugen; und
(c) eine Einrichtung zum Anwenden eine magnetischen Felds in der Gegenwart des Hohlraumresonators.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines atomaren Übergangs von Atomen, die fähig sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums innerhalb eines magnetischen Felds durchzumachen, um eine stabile Frequenz hieraus zu induzieren, umfassend:
(a) Abschirmen eines gegebenen Volumens der Atome;
(b) Erzeugen eines magnetischen Felds in einem Hohlraumresonator, um eine Trennung zwischen Energieunterniveaus der Atome aufzubringen; und
(c) Injizieren von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator, um den atomaren Übergang der Atome zu induzieren, so daß die Frequenz erzeugt wird.
Ein Mikrowellenhohlraumresonator und ein Verfahren zum Erzeugen eines atomaren Übergangs der obigen Art sind aus dem Dokument "Proceedings of the 39th Annual Frequency Symposium", Philadelphia, PA, 29. bis 31. Mai 1985, Seiten 54-58, IEEE, New York, USA; K. Chiba et al.: "An Ultra-Miniature Rubidium Frequency Standard" bekannt, welches ein atomares Frequenznormal offenbart, das einen Aluminiumhohlraumresonator und eine magnetische Mumetall-Abschirmung aufweist und welches unten in einer etwas detaillierteren Art und Weise erörtert wird.
Generell bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Gebiet der atomaren Frequenznormale, insbesondere optisch gepumpte atomare Frequenznormale. Mehr im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf einen effektiven integrierten Mikrowellenhohlraumresonator und zugehörige Komponenten von wesentlich verminderter Größe für atomare Frequenznormale, insbesondere eine physikalische Baugruppe der optisch gepumpten Art.
Ein atomares Frequenznormal ist eine Einrichtung, die ein die Basis bildendes resonantes System hat, das von einer atomaren oder molekularen Spezies abgeleitet ist, die einen Übergang zwischen zwei gut definierten Energieniveaus des Atoms oder Moleküls erfährt. Der Übergang tritt in einem ziemlich günstigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, dem Mikrowellenbereich, auf. Der Übergang wird als in hohem Maße stabiles Frequenznormal angewandt, auf welches die Frequenz eines Quarzkristallresonators oder spannungsgesteuerten Kristalloszillators (VCXO) elektronisch eingerastet werden kann. Demgemäß wird die hohe Stabilität und relative Unempfindlichkeit, die mit einer atomaren Bezugsfrequenz verbunden ist, dadurch auf den Quarzkristallresonator oder VCXO übertragen.
Wasserstoff-, Cäsium- und Rubidiumfrequenznormale sind atomar gesteuerte Oszillatoren, in welchen die Frequenz von üblicherweise einem 5MHz- oder 10MHz-Quarzkristalloszillator mittels einer physikalischen Baugruppe und verbundener Elektronik gesteuert wird, die dazu gewidmet sind, diese zugewiesene Ausgangsgröße auf einer sehr langzeitigen, außerordentlich genauen und stabilen Basis aufrechtzuerhalten. Durch richtiges Nachführen des Quarzkristalloszillators auf die Frequenz des atomaren Übergangs wird die Tendenz des Quarzkristalls, ein Driften aufgrund von Alterung und anderen inhärenten wie auch umgebungsmäßigen Effekten zu zeigen, bemerkenswert unterdrückt.
Die physikalische Baugruppe eines atomaren Frequenznormals vom optisch gepumpten Nichtatomstrahl-Typ umfaßt gewöhnlich einen Mikrowellenhohlraumresonator, eine Isotopfilterzelle, eine Absorptionszelle, eine Lichtquelle, einen Photodetektor, eine Temperatursteuer- bzw. -regeleinrichtung, und wenigstens eine magnetische Abschirmung, die diese Komponenten umgibt. Über die Jahre hinweg sind wesentliche Bemühungen durch solche, die auf dem Fachgebiet arbeiten, zur Modifizierung der Baugruppe unternommen worden, um deren physische Gesamtdimensionen zu vermindern, ohne natürlich deren Betriebseigenschaften zu verändern.
Wie in US-A-3 903 481 offenbart ist, wurde eine frühe Entwicklung, die dazu gemacht wurde, die Gesamtgröße für Rubidiumdampffrequenznormale zu vermindern, dadurch zustande gebracht, daß von der optisch-physikalischen Baugruppe eines ihrer Elemente, die Filterzelle, welche dazu diente eine der durch die Lampe emittierten hyperfeinen Komponenten zu entfernen, eliminiert wurde. Das wurde einfach durch Kombinieren ihrer Funktion mit einer zugeordneten Absorptionszelle erreicht. Demgemäß wurde das Filtermaterial, generell das Isotop Rb85 zusammen mit einem Puffergas, direkt in die Rb87 enthaltende Absorptionszelle inkorporiert. Auf diese Weise hatte die Absorptionszelle gleichzeitige Funktionen; sie wirkte nicht nur als eine Absorptionszelle zum Erzeugen einer Populationsdifferenz für Rb87, sondern zusätzlich als eine Filterzelle. Es folgte, daß durch Kombinieren dieser beiden Funktionen innerhalb einer Absorptionszelle eine Größenverminderung der optisch-physikalischen Baugruppe resultierte.
Obwohl es solche Methoden denjenigen, die auf dem Fachgebiet erfahren sind, ermöglicht haben, kleinere optisch-physikalische Baugruppe ohne Verlust an wesentlichen Betriebseigenschaften herzustellen, sind noch beträchtliche Bemühungen unternommen worden, noch weitere Wege zu finden, um ihre Dimensionen zu vermindern.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige optisch-physikalische Baugruppe von wesentlich verminderter Größe für die Verwendung bei atomaren Frequenznormalen zur Verfügung zu stellen, die eine optisch-physikalische Baugruppe des optisch gepumpten Typs anwenden.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige optisch-physikalische Baugruppe von außergewöhnlicher Kompaktheit und trotzdem im Aufbau stark vereinfacht zur Verfügung zu stellen, die nicht an einem Verlust von Betriebseigenschaften leidet, insbesondere für solche Umgebungen, die bei Nachrichtenverbindung und Navigation bestehen.
Ein noch anderes Ziel dieser Erfindung ist es, eine optisch-physikalische Einrichtung von weniger physischer Masse im Vergleich mit konventionellen Einrichtungen zur Verfügung zu stellen;
Dieses Ziel wird mit einem Mikrowellenhohlraumresonator der eingangs genannten Art erreicht, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Hohlraumresonator selbst aus in hohem Maße magnetisch permeablem Material ausgebildet ist.
Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art für das Erzeugen eines atomaren Übergangs von Atomen innerhalb eines magnetischen Felds zum Induzieren einer stabilen Frequenz hieraus zur Verfügung, welches Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß das gegebene Volumen von Atomen magnetisch mittels des Hohlraumresonators abgeschirmt wird, welcher selbst aus in hohem Maße magnetisch permeablem Material ausgebildet wird.
Zusätzlich zum Erreichen der obigen Ziele stellt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise folgendes zur Verfügung:
(1) Eine physikalische Baugruppe, die Mittel zum Begrenzen eines Mikrowellenhohlraumresonators für das Abschirmen der darin einen hyperfeinen Übergang, welcher als ein atomares Frequenznormal dient, erfahrenden Atome vor Magnetfeldern, die außerhalb des Hohlraumresonators erzeugt werden, hat.
(2) Eine optisch-physikalische Baugruppe, die Mittel für das Begrenzen eines Mikrowellenhohlraumresonators für das magnetische Abschirmen eines homogenen oder eines inhomogenen Vorspannungsmagnetfelds innerhalb des Hohlraumresonators für atomare Frequenznormale hat.
(3) Eine optisch-physikalische Baugruppeneinrichtung zum Verhindern, daß unerwünschte äußere Magnetfelder in das Innere des Mikrowellenhohlraumresonators eindringen und die höchst besonders vorteilhaft in ihrer Verwendung ist, worin homogene oder gleichförmige Felder dahingehend angewendet werden, daß diese Felder rein und frei von äußerer Interferenz, die ihre Feldhomogenität stören würde, aufrechterhalten werden können.
(4) Einen neuartigen Mikrowellenhohlraumresonator, der Aspekte hat, die ihn nicht nur auf dem Gebiet von optisch-physikalischen Baugruppen brauchbar machen, sondern auch ebensogut als einen Hohlraumresonator für Atom- oder Molekularstrahl-Frequenznormale.
Diese, zusammen mit anderen Zielen und Vorteilen, welche nachfolgend ersichtlich werden, beruhen auf den Einzelheiten des Aufbaus und Betriebs, wie vollständiger hier nachstehend beschrieben und beansprucht ist.

Kurzer Abriß der Erfindung

Hohlraumresonatoren, die in Verbindung mit Frequenznormalen verwendet werden, nehmen eine Anzahl von generellen Formen an, sind aber gewöhnlich zylindrisch oder rechteckig in der Form und sind aus leitfähigen Nichteisenmetallen, wie Kupfer, Aluminium u. dgl., aufgebaut. Diese Resonatoren sind generell so gestaltet, daß sie entweder die TE&sub0;&sub1;&sub1; oder TE&sub1;&sub1;&sub1; Betriebsweise unterstützen, da beide Betriebsweisen eine gute Kopplung an konventionelle Absorptionszellen liefern. Darüber hinaus war es die Praxis im Stand der Technik, magnetische Abschirmungseinrichtungen zu verwenden, die solche Hohlraumresonatoren einschließen und davon beabstandet sind. Diese Einrichtungen sind oft innerhalb einander ineinandergesetzt, wobei sie eine Mehrzahl von konzentrischen oder verschachtelten Abschirmungen bilden, welche die optisch-physikalische Baugruppe, die den Hohlraumresonator aufweist, umgeben, wobei jedes Abschirmungselement aus einem Material zusammengesetzt ist, das eine hohe Permeabilität in niedrigen Magnetfeldern hat, wie Mumetall, Molypermalloy u. dgl. Ein Beispiel einer solchen Abschirmungsstruktur, welche die gesamte physikalische Baugruppe umgibt, ist zum Beispiel in dem oben erwähnten Dokument "Proceedings of the 39th Annual Frequency Symposium", Philadelphia, PA, 29. bis 31. Mai 1985, Seiten 54-58, IEEE, New York, USA, beschrieben.
Es wird gewürdigt, daß, obwohl derartige Abschirmungsstrukturen selbst zu der äußeren relativen Größe und dem äußeren Umfang von konventionellen atomaren Frequenznormalen beigetragen haben, diesen Strukturen wenig Beachtung geschenkt worden ist, da solche Abschirmungen im Verhältnis zu den anderen Komponenten tatsächlich notwendige Komponenten der gesamten optisch-physikalische Baugruppe sind. Da der Trend besteht, die Dimensionen von atomaren Frequenznormalen zu miniaturisieren oder wesentlich zu vermindern, wurde es der Anmelderin ersichtlich, daß gewisse Änderungen oder Abwandlungen in solchen Hauptstrukturen wesentlich zu der Größenverminderung beitragen würden.
Obwohl das Konzept des Änderns der funktionellen oder zusammensetzungsmäßigen Art eines Hohlraumresonators retrospektiv etwas als eine unkomplizierte Methode erscheinen mag, haben diese Entwicklung und ihre Weiterungen ersichtlich andere darauf hingewiesen, weil sie ersichtlich nicht durch diejenigen vorweggenommen oder angeregt worden ist, die auf dem Fachgebiet erfahren sind, insbesondere solche, die auf dem Gebiet der atomaren Frequenznormale welche eine physikalische Baugruppe des optisch gepumpten Typs haben, arbeiten.
Es wurde entdeckt, daß eine wesentliche Verminderung in der Größe leicht ohne irgendeinen merklichen funktionellen Verlust erreicht werden kann, indem ein in hohem Maße magnetisch permeables Material für den Mikrowellenhohlraumresonator selbst verwendet und daher der Mikrowellenhohlraumresonator nach dem Stande der Technik, der aus nichtmagnetischen Materialien hergestellt ist, völlig ausgeschaltet wird. Durch die Verwendung eines in hohem Maße magnetisch permeablen Materials dazu, innerhalb der Grenzen des Hohlraumresonators selbst zu dienen, folgt, daß das Feld, das durch Erregen des Raums dann mit Mikrowellenenergie erzeugt wird, koextensiv oder im wesentlichen koextensiv mit demjenigen eines magnetischen Vorspannungsfelds wird, welches entweder statisch oder langsam variierend innerhalb des Mikrowellenhohlraumresonators erzeugt werden kann. Dieses Vorspannungsfeld kann homogen (gleichförmig) oder inhomogen (nichtgleichförmig) sein.
Von einem etwas breiten und ziemlich wichtigen Aspekt her stellt die vorliegende Erfindung eine neuartige Resonatorstruktur für atomare Frequenznormale zur Verfügung, die leicht nicht nur jene Normale des Typs der optisch-physikalischen Baugruppe aufnehmen kann, sondern auch jene, die Atom- oder Molekularstrahltechniken anwenden, insofern als die Resonatorstruktur nicht nur als ein Hohlraumresonator für das Empfangen von Mikrowellenstrahlung zum Erzeugen von wünschbaren und brauchbaren atomaren Übergängen funktioniert, sondern auch als ein begrenzendes Gehäuse mit magnetischen Abschirmungseigenschaften für das Erzeugen von entweder einem homogenen oder einem inhomogenen Magnetfeld darin, um eine Trennung zwischen Energieunterniveaus von atomarer oder molekularer Spezies aufzubringen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in großen Zügen auf einen Mikrowellenhohlraumresonator für ein atomares Frequenznormal, umfassend einen Hohlraumresonator, der aus in hohem Maße magnetisch permeablem Material ausgebildet ist, eine Einrichtung zum Injizieren von Mikrowellenstrahlung innerhalb des Resonators, die fähig ist, atomare Übergänge von Atomen zu erzeugen, und eine Einrichtung zum Anwenden eines Magnetfelds in der Gegenwart des Hohlraumresonators. Weiter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren für das Erzeugen eines atomaren Übergangs von Atomen innerhalb eines magnetischen Felds zum Induzieren einer stabilen Frequenz hiervon, umfassend das magnetische Abschirmen eines gegebenen Volumens von Atomen, das Erzeugen eines Magnetfelds, das auf dasselbe Volumen beschränkt ist, um eine Trennung zwischen Energieunterniveaus der Atome aufzubringen, und das Injizieren von Mikrowellenenergie in das Volumen zum Induzieren des Übergangs der Atome, um die Frequenz zu erzeugen.
Von einem noch anderen Aspekt her bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein atomares Frequenznormal, umfassend eine Lichtquelle, eine Absorptionszelle von einem vorbestimmten Volumen, die eine Menge an Atomen enthält, welche fähig sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums zu erfahren, und die zu Empfang des Lichts von der Quelle angeordnet ist, einen integralen Mikrowellenhohlraumresonator, der aus einem ferromagnetischen oder magnetisch äquivalenten Material zusammengesetzt ist und einen Hohlraum in Kongruenz oder im wesentlich gleich groß im Volumen mit dem vorbestimmten Volumen der die Atome enthaltenden Zelle ist, eine Einrichtung zum Detektieren des durch die Absorptionszelle übertragenen Lichts und zum Erzeugen eines Detektionssignals, welches die Transmission von Licht durch dieselbe hindurch repräsentiert, eine Einrichtung, welche die Absorptionszelle innerhalb des Hohlraums elektromagnetischen Wellen unterwirft, welche den hyperfeinen Übergang der Atome induzieren, um die Absorption des Lichts durch die Absorptionszelle zu erhöhen, eine Einrichtung zum Erzeugen eines homogenen oder inhomogenen Magnetfelds innerhalb des Hohlraums, um ein wesentliches magnetisches Vorspannungsfeld in dem Hohlraum zu liefern, und eine auf das Detektionssignal ansprechende Steuer- bzw. Regeleinrichtung zum Modifizieren der Frequenz der elektromagnetischen Wellen so, daß die Frequenz derselben auf die Frequenz des hyperfeinen Übergangs der interessierenden Atome gelenkt wird.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als eine Verbesserung in einer optisch-physikalischen Baugruppe, insbesondere für die Verwendung bei einem atomaren Frequenznormal, gesehen werden, wobei die Baugruppe eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum Vorsehen eines Hohlraumresonators für Mikrowellenstrahlung darin und eine magnetische Abschirmung zum Begrenzen eines Magnetfelds innerhalb desselben resonanten Hohlraums, und eine Absorptionszelle, die damit verbunden und so konturiert ist, daß sie den darin positionierten resonanten Hohlraum für gleichzeitiges Aussetzen an das Vorspannungsmagnetfeld und das elektromagnetische Mikrowellenfeld aufnimmt, umfaßt.
Von einem anderen Gesichtspunkt her bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine optisch-physikalische Baugruppe für Atome, die fähig sind, atomare Übergänge zu erfahren, wie sie mit atomaren Frequenznormalen verbunden sind, umfassend einen Mikrowellenhohlraumresonator, wobei die Verbesserung eine Einrichtung für das Vorsehen eines Mikrowellenenergiefelds innerhalb des Hohlraumresonators zum Einleiten von atomaren Übergängen in der Population der Atome und eine Einrichtung zum Vorsehen eines magnetischen Vorspannungsfelds innerhalb des gleichen Hohlraumresonators, worin beide Felder in Kongruenz sind und innerhalb im wesentlichen der gleichen Grenzen, wie sie durch den Hohlraumresonator definiert sind, umfaßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügte Zeichnung, welche in diese Patentbeschreibung aufgenommen wird und einen Teil dieser Patentbeschreibung bildet, veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dient, zusammen mit der Beschreibung hierin dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Die beigefügte Zeichnung ist eine Seiten-Schnittansicht der optischphysikalischen Baugruppe zusammen mit den zugehörigen elektrischen Komponenten, schematisch dargestellt und die Lehren der vorliegenden Erfindung enthaltend.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der Ausführungsform der optisch-physikalischen Baugruppe 10, die in der Zeichnung dargestellt ist, welche auf eine Ausführungsform gerichtet ist, die eines der Alkalimetalle, nämlich Rubidium, verwendet, ist eine elektrodenlose Gasentladungslampe 11, welche evakuiert und mit Rubidium, plus einem geeigneten Puffergas bei einem Druck, generell etwa 0,27 kPa (2 Torr), gefüllt ist, von einer Erregerspule 17 umgeben, wobei die Spule 17 mittels eines Hochfrequenzoszillators 24 aktiviert wird. Die Lampe 11 innerhalb eines Lampengehäuses 12 der optisch-physikalischen Baugruppe 10 ist mit einem Thermostaten 22 eingerichtet, welcher eine steuer- bzw. regelbare Temperatur, gewöhnlich etwa 115ºC, macht, welche zum Erzeugen des notwendigen Rubidiumdampfdrucks in der Lampe 11 erforderlich ist. Wie gewürdigt werden kann, hält der Thermostat 22 die Temperatur des flüssigen Rubidiummetalls innerhalb enger Grenzen konstant, da das von der Lampe 11 emittierte Licht von Änderungen im Rubidiumdampfdruck, und demgemäß von dieser Temperatur, abhängt.
Das von der Lampe 11 ausgestrahlte Licht kommt an einem Photodetektor 16 nach Durchlaufen einer Absorptionszelle 25, die zwischen der Lampe 11 und dem Photodetektor 16 positioniert ist, an. Die Absorptionszelle 25 umfaßt einen evakuierten zylindrischen Glaskolben, welcher ebenfalls mit verdampftem Rubidium gefüllt ist, das einen geeigneten Dampfdruck hat, und mit einem Puffergas, wie Stickstoff oder Argon, oder irgendeiner Mischung solcher Puffergase.
In der speziellen Ausführungsform der hier gezeigten optisch-physikalischen Baugruppe 10 sollte beobachtet werden, daß keine separate Filterzelle verwendet wird, wie es oft konventionell in solchen Einrichtungen ist, aber statt dessen wird eine Absorptionszelle 25 von spezieller Gestaltung, wie diejenige, die in dem US-Patent 3 903 481 für Ernest Jechart beschrieben ist, erwogen. Demgemäß ist die Absorptionszelle 25 eine solche, die eine isotopische Mischung enthält, und mehr im besonderen eine Mischung von Rb85 und Rb87; die Lampe 11 enthält auch eine Mischung von Rb85- und Rb87-Atomen gemäß der Lehre des Jechart erteilten Patents. Wenn das Rb87 in der Lampe 11 erregt wird, emittiert es Licht, das ein Spektrum hat, welches die beiden starken optischen Linien von Rb87 (D&sub1; bei 794,8 nm und D&sub2; bei 780,0 nm) enthält, von denen jede ihrerseits zwei Haupt-Hyperfeinkomponenten enthält. Ein Bündel solchen Lichts, das die Absorptionszelle 25, die das Puffergas wie auch die Mischung von Rb85und Rb87-Isotopen enthält, durchquert, bewirkt die bevorzugte Absorption von einer der Hyperfeinkomponenten für sowohl die D&sub1;- als auch die D&sub2;-Linie. Die übrige D&sub1;- und D&sub2;-Spektralkomponente dient als optisches Pumplicht und bringt eine Populationsinversion zwischen den beiden Grundzustands-Hyperfeinniveaus von Rb87 in der Absorptionszelle 25 zustande. Vorzugsweise absorbieren nur diejenigen Atome, die in dem unteren Hyperfeinzustand sind, das optische Pumplicht und werden in optisch erregte Hochenergiezustände angehoben. Weiterhin kehren solche Atome durch spontane Emission zu einem der Grundhyperfeinzustände zurück. Da die Anzahl von Atomen, die fähig sind, das optische Pumplicht zu absorbieren, in der Zahl weniger wird, hat die Absorptionszelle 25 die Tendenz, transparent zu werden. Beim Einführen von Mikrowellenstrahlung mittels der Einrichtung 31 zum Erzeugen solcher Strahlung innerhalb eines Mikrowellenhohlraums 35, der bei einer Frequenz von 6,834... GHz resonant ist, der Frequenz, die der Energielücke zwischen den beiden Grundzustandshyperfeinniveaus entspricht, wird eine Populationszunahme der Atome in dem unteren hyperfeinen Niveau erzeugt. Das führt zu einer Zunahme in der Lichtabsorption. Die Atome, die in diesen niedrigeren Zustand ankommen, werden natürlich optisch gepumpt und auf höhere Energiezustände angehoben. Wenn die Atome von den oberen Grundzustandshyperfeinniveaus in das niedrigere Grundzustandshyperfeinniveau fallen, erreicht ein entsprechend kleinerer Betrag an Licht den Photodetektor 16, da Licht aktiv durch Rb87 absorbiert wird. Wenn weniger Licht den Photodetektor 16 erreicht, gibt es eine entsprechende Verminderung in dem Photostrom, der durch den Photodetektor 16 erzeugt wird. Diese Herabsetzung im Licht, wenn die Mikrowellenfrequenz gleich der sehr scharf definierten Rubidiumfrequenz ist, wird dann elektronisch in ein Fehlersignal mit Amplituden- und Phaseninformation umgewandelt, die dazu benutzt wird, den VCXO 27 (spannungsgesteuerter Kristalloszillator) über seine Steuerspannung zu steuern, um ihn auf einer Frequenz von 10 MHz zu halten. Auf dieses Ereignis hin wird der VCXO 27 auf die stabile atomare Übergangsfrequenz frequenzeingerastet. Demgemäß ist durch Verwendung des oben beschriebenen Schemas der VCXO 27 exakt auf 10 MHz, wenn die Mikrowellenfrequenz exakt gleich der Frequenz des Rubidiumübergangs ist.
Es ist zu bemerken, daß der Photodetektor 16 und die Absorptionszelle 25 vollständig innerhalb des Mikrowellenhohlraumresonators 35 eingeschlossen sind, welcher von zylindrischer Gestalt ist und einen zylindrischen Körper 14 aufweist, der ein lichtdurchlässiges dielektrisches Fenster 30 darin hat und einen Deckel 15, der mit dem Körper 14 integral verbunden ist, so daß derselbe dadurch vollständig abgedichtet ist. Gemäß dieser Erfindung wurde es als am vorteilhaftesten gefunden, daß der Hohlraumresonator 35 aus einem Material aufgebaut wird, das eine hohe magnetische Permeabilität in niedrigen Magnetfeldern hat. Es ist ersichtlich, daß der Hohlraumresonator 35 gegenüber der Außenluft abgeschlossen ist und demgemäß, wenn er mit einem Heizerring 18 verbunden ist, vorteilhafterweise geregelt werden kann, um mittels einer Wärmeregelungseinrichtung 22 eine konstante Temperatur, zum Beispiel 75ºC, aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform kann das Material des Hohlraumresonators 35 eine Nickel- Stahl-Legierung umfassen, die etwa 17 bis etwa 20% Eisen, etwa 5% Kupfer und niedrige Prozentsätze an Mangan oder Chrom enthält. Im allgemeinen jedoch kann irgendeine Menge von ferromagnetischen Zusammensetzungen oder Materialien, die in der Lage ist, äquivalente magnetisch-permeable Eigenschaften zu liefern, wie Metalle oder Legierungen von hoher magnetischer Permeabilität, als der resonante Hohlraum 35 dienen, solange eine derartige Permeabilität wenigstens gleich derjenigen, wenn nicht merklich größer als diejenige von reinem Eisen mit oder ohne zusätzliche Bestandteile, wie Kobalt und Chrom, ist. Derartige Metalle liefern, wie bekannt, eine wirksame Abschirmung von dem Erdmagnetfeld und von irgendeinem anderen Magnetfeld oder irgendwelchen anderen Magnetfeldern, welches bzw. welche Interferenz verursachen könnte bzw. könnten, um die gewünschte genaue Steuerung bzw. Regelung der resonanten Frequenz des Betriebs zu erreichen. Der Resonatorhohlraum 35 ist generell silberplattiert oder zunächst kupferplattiert und danach silberplattiert.
Ein den Wicklungen 19 zugeführter Strom bewirkt, daß ein Magnetfeld, welches als ein "C-Feld" bekannt ist, hergestellt wird. Eine Anzahl von C-Feld-Wicklungen 19 sind um die innenseitige Wand des Mikrowellenhohlraumresonators und demgemäß um die Absorptionszelle 25 herum hergestellt. Auf diese Weise sind die Wicklungen 19 innerhalb des Hohlraumresonators 35 zum Erzeugen eines Magnetfelds von einer vorbestimmten Intensität mittels eines C-Feld-Leistungs-und-Steuer- bzw. Regelgeräts 23 angeordnet. Generell könnte dieses über einen weiten Bereich variieren, aber ist üblicherweise zwischen etwa 0 bis etwa 1 Gauss. Obwohl irgendeine Anzahl von gewickelten Abschnitten verwendet werden kann, können ohne weiteres zwei separate erregbare Abschnitte verwendet werden, wie gezeigt, 19a und 19b. Eine der Funktionen der C-Feld-Wicklungen 19 ist es, im Betrieb ein magnetisches Vorspannungsfeld in dem Mikrowellenhohlraumresonator 35 und daher innerhalb der Absorptionszelle 25 zu erzeugen. Die Spulen 19a und 19b können um die Außenseite der Absorptionszelle 25 gewickelt sein, und irgendeine Trennung oder irgendein Zwischenraum 32 zwischen der Absorptionszelle 25 und dem Hohlraumresonator 35 kann ohne weiteres mit einem nichtmagnetischen Polymermaterial, wie polymeren Siliconelastomeren, umfassend raumtemperaturvulkanisierende Silicongummi-Verbindungen, Organosiloxanpolymere u. dgl., gefüllt werden. Generell besteheil die Wicklungen 19 aus einer einzigen Schicht von Windungen von isoliertem Kupferdraht. Die C-Feld-Wicklungen 19 werden in einer angemessenen Position plaziert, um in der vorliegenden Ausführungsform ein vorbestimmtes inhomogenes Magnetfeld zu erzeugen, das angenähert 1 Gauss nicht übersteigt, um die Absorptionszelle 25 magnetisch vorzuspannen und dadurch die Zeeman-Niveaus von jedem hyperfeinen Zustand der Dampfatome zu trennen. Durch die Wand des Deckels 15 ist eine Mikrowelleneingabeeinrichtung angeschlossen, die einen Durchgangskondensator 13 umfaßt, der mittels eines Leiters 33 an eine stufenweise Entionisierungsdiode 20 angekoppelt ist. Durch eine derartige Eingabeeinrichtung wird Mikrowellenenergie in das Innere des Hohlraumresonators 35 geliefert, um eine Mikrowellenkopplung an denselben vorzusehen.
Ausgenommen für das C-Feld, sieht die vorliegende Einrichtung Mittel zum Ausschließen von außen erzeugten Magnetfeldern, einschließlich von Niederfrequenz-Magnetfeldern, innerhalb des Mikrowellenhohlraumresonators vor, welche, wenn es ihnen ermöglicht würde, durch denselben einzudringen, ungünstige Wirkungen auf Atome verursachen würden, die in der Lage sind, hyperfeine Übergänge in der vorteilhaften Weise, die hierin beschrieben ist, durchzumachen. Durch die Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein signifikanter Fortschritt gegenüber anderen konventionellen Mikrowellenhohlraumresonatoren gemacht, speziell denjenigen, die in optisch-physikalischen Baugruppen verwendet werden, indem Mittel zum Vorsehen und Aufrechterhalten eines C-Felds innerhalb der und gleich groß in den Dimensionen mit den Grenzen des Mikrowellenhohlraumresonators selbst unterbreitet werden. Es kann gewürdigt werden, daß in einer konventionellen optisch-physikalischen Baugruppe eine stromtragende Komponente (zum Beispiel ein Heizelement), die sich außerhalb des Standardmikrowellenhohlraumresonators, trotzdem innerhalb der magnetischen Abschirmungsstruktur der Baugruppe befindet, anscheinend Interferenz in dem Betrieb der Absorptionszelle bewirken würde, und mehr im einzelnen die Atome innerhalb der Zelle, die in der Lage sind, hyperfeine Übergänge durchzumachen, zu stören. Die störenden Wirkungen eines solchen interferierenden oder unerwünschten Felds, welches durch eine derartige Komponente verursacht wird, wird durch die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung dadurch vollständig ausgeschaltet, daß die Absorptionszelle und die darin eingeschlossenen Atome vollständig von solchen Wirkungen isoliert werden. In einer Ausführungsform wurde dieses besonders vorteilhaft insofern gefunden, als es die Herstellung eines homogenen oder gleichförmigen Magnetfelds innerhalb eines derartigen Resonators betrifft, da, wenn einmal ein solches homogenes Feld hergestellt ist, es leicht in seiner reinen Form, frei von äußerer Interferenz, die die Tendenz hat, seine Homogenität zu zerstören, aufrechterhalten werden kann.
Wie vorher erörtert, wird der Mikrowellenhohlraumresonator 35 mit Mikrowellenenergie bei der atomaren Resonanzfrequenz des atomaren Dampfs innerhalb der Absorptionszelle 25, und in dem Fall von Rubidium bei einer Frequenz von 6,834... GHz, erregt. In der Praxis wird dieses Signal von dem 10 MHz VCXO 27 mittels eines Frequenzsynthetisierers und -modulators 21 abgeleitet. Demgemäß wird die an den Hohlraumresonator 35 angelegte Mikrowellenenergie mit einer niedrigen Modulationsfrequenz, generell etwa 150 Hz, frequenzmoduliert. Der Ausgang des Synthetisierers 21, welcher generell etwa 60 MHz plus einem zusätzlichen Signal von 5,3125 MHz ist, wird an eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung angelegt, die den Durchgangskondensator 13, die stufenweise Entionisierungsdiode 20 und die Länge des Leiters 33 aufweist. Wie es bekannt ist, funktioniert die stufenweise Entionisierungsdiode 20 als ein harmonischer Generator und Mischer, der ein Ausgangssignal erzeugt, das vielfache Harmonische des Eingangssignals enthält, wobei die 114. Harmonische der 60 MHz-Eingangsfrequenz 6,84 GHz ist. Zusätzlich funktioniert die Diode 20 als ein Mischer, um Mikrowellenenergie bei einer Frequenz von 6834,6875 MHz (6840,0000 MHz- 5,3125 Mz), der Frequenz von Rb87, gemäß der bevorzugten Ausführungsform, zu machen. Wie bereits erörtert, tritt die Injektion von elektromagnetischer Energie bei dieser Frequenz in Wechselwirkung mit der Rubidiumabsorptionszelle 25, um eine detektierbare teilweise Umkehr des optischen Pumpprozesses zu erzeugen.
Mittels des folgenden Schemas wird ein Fehlersignal erzeugt, um den VCXO 27 zu steuern bzw. zu regeln. Das Wechselstromsignal von dem Photodetektor 16 wird an einen Verstärker angekoppelt, der sich in einer Station 26 befindet, und das verstärkte Signal wird an einen synchronen Demodulator in der Station 26 angelegt, welcher außerdem ein Signal von einem Modulationsgenerator 29 empfängt. Durch dieses Mittel kann bestimmt werden, ob die Trägerfrequenz des an den Hohlraumresonator 35 angelegten Signals richtig auf die Frequenz des hyperfeinen Übergangs 6,834... GHz zentriert ist. Jede Abweichung oder Verlagerung führt zu einem Fehlersignal an dem Ausgang des Demodulators in der Station 26. Dieses Signal wird dazu verwendet, den VCXO 27 zu steuern bzw. zu regeln, welcher so abgewandelt sein kann, daß er die Frequenz des synthetisierten Mikrowellensignals auf 6,834... GHz, zentriert auf die Frequenz des hyperfeinen Übergangs von Rubidium, aufrechterhält.
Es versteht sich, daß eine Anzahl von Modifizierungen der oben beschriebenen Erfindung von denjenigen, die auf dem Fachgebiet erfahren sind, gemacht werden kann, und es ist beabsichtigt, alle solche Modifizierungen, welche in den Geist und Bereich der beigefügten Ansprüche fallen, abzudecken.
Die vorliegende Erfindung stellt unter anderem das folgende zur Verfügung:
In einer optisch-physikalischen Baugruppe für die Verwendung bei einem atomaren Frequenznormal, das einen Mikrowellenhohlraumresonator aufweist, die Verbesserung, umfassend eine Einrichtung zum Vorsehen von Mikrowellenenergie innerhalb des Hohlraumresonators, um ein stehendes Wellenfeld darin einzuleiten, und eine Einrichtung zum Vorsehen eines wesentlichen magnetischen Vorspannungsfelds innerhalb des gleichen Hohlraumresonators, worin beide Felder den gleichen Hohlraumresonator einnehmen und im wesentlichen in Kongruenz miteinander sind. In einer Ausführungsform ist das magnetische Feld ein gleichförmiges magnetisches Vorspannungsfeld, das durch Ströme erzeugt wird, die mittels Wicklungen innerhalb des Hohlraumresonators geführt sind. In einer anderen Ausführungsform ist das magnetische Feld ein nichtgleichförmiges magnetisches Vorspannungsfeld, das mittels Strömen erzeugt wird, die durch Wicklungen innerhalb des Hohlraumresonators zugeführt werden. Vorzugsweise ist der Hohlraumresonator aus magnetischem Abschirmungsmaterial zusammengesetzt.
In einer optisch-physikalischen Baugruppe für die Verwendung bei einem atomaren Frequenznormal, das einen Mikrowellenhohlraumresonator aufweist, die Verbesserung umfassend eine Einrichtung zum Vorsehen von Mikrowellenenergie innerhalb des Hohlraumresonators, um ein stehendes Wellenfeld darin einzuleiten, und eine Einrichtung zum Vorsehen eines magnetischen Vorspannungsfelds, das im wesentlichen innerhalb des Hohlraumresonators eingeschlossen ist, wobei der Hohlraumresonator aus magnetischem Abschirmungsmaterial zusammengesetzt ist und eine Überschicht aus Nichteisenmetall hat, wobei das stehende Wellenfeld und das magnetische Vorspannungsfeld im wesentlichen koextensiv miteinander innerhalb des Hohlraumresonators sind. Vorzugsweise ist der Hohlraumresonator so gestaltet, daß er die TE&sub1;&sub1;&sub1;-Betriebsweise unterstützt. In einer Ausführungsform ist das magnetische Feld ein nichtgleichförmiges magnetisches Vorspannungsfeld, das durch einen Gleichstrom erzeugt wird, der durch Wicklungen innerhalb des Hohlraumresonators geführt ist. In einer anderen Ausführungsform ist das magnetische Feld ein gleichförmiges magnetisches Vorspannungsfeld, das durch Ströme erzeugt wird, die mittels Wicklungen innerhalb des Hohlraumresonators zugeführt werden. Vorzugsweise besteht der Hohlraumresonator aus Nickel-Stahl-Legierung.
Ein atomares Frequenznormal, umfassend eine Lichtquelle, eine Zelle, die ein vorbestimmtes Volumen von Atomen enthält, welche in der Lage sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums durchzumachen und welche so angeordnet sind, daß sie Licht von der Quelle empfangen, eine Einrichtung zum Begrenzen eines Mikrowellenhohlraumresonators für das magnetische Abschirmen der Atome, die hyperfeine Übergänge innerhalb des Hohlraumresonators durchmachen, eine Einrichtung zum Detektieren des Lichts, das durch die Zelle übertragen wird, und zum Erzeugen eines Detektionssignals, welches die Transmission von Licht durch dieselbe hindurch repräsentiert, eine Einrichtung zum Aussetzen der Zelle innerhalb des Hohlraumresonators an elektromagnetische Wellen, welche den hyperfeinen Übergang der Atome induzieren, so daß die Absorption des Lichts erhöht wird, und eine Einrichtung zum Steuern bzw. Regeln in Ansprechung auf das Detektionssignal für das Modifizieren der Frequenz der elektromagnetischen Wellen, so daß ihre Frequenz auf die Frequenz des hyperfeinen Übergangs der Atome abgestimmt wird. Vorzugsweise enthält die Absorptionszelle eine isotopische Mischung von Atomen. Es wird weiter bevorzugt, daß die Absorptionszelle Mitglieder enthält, die aus der aus Thallium, Rubidium, Wasserstoff, Cäsium, Magnesium, Calcium und Quecksilber bestehenden Gruppe ausgewählt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die besagte Einrichtung zum Begrenzen eines resonanten Hohlraums für die elektromagnetische Abschirmung eine Nickel-Eisen-Legierung, und die besagte Legierung ist mit einer Nichteisen-Überschicht versehen. Vorzugsweise ist der resonante Hohlraum im wesentlichen koextensiv mit der Absorptionszelle.
Ein atomares Frequenznormal, umfassend eine Lichtquelle, eine Zelle, die ein vorbestimmtes Volumen von Atomen enthält, welche in der Lage sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums durchzumachen und welche so angeordnet sind, daß sie Licht von der Quelle empfangen, einen integralen Resonator, der aus einem in hohem Maße magnetisch permeablen Material besteht und einen Hohlraum hat, welcher im wesentlichen gleich groß im Volumen wie das vorbestimmte Volumen ist, eine Einrichtung zum Detektieren des Lichts, das durch die Zelle übertragen worden ist, und zum Erzeugen eines Detektionssignals, welches die Transmission des Lichts durch dieselbe hindurch repräsentiert, eine Einrichtung zum Aussetzen der Zelle innerhalb des Hohlraums an elektromagnetische Wellen, die den hyperfeinen Übergang der Atome induzieren, so daß die Absorption des Lichts erhöht wird, eine Einrichtung zum Anwenden eines Magnetfelds auf die Zelle, um ein wesentliches Vorspannungsfeld in dem Hohlraum vorzusehen, wobei die Einrichtung zum Anwenden des Magnetfelds innerhalb des Hohlraums erzeugt wird, und eine auf das Detektionssignal ansprechende Steuer- bzw. Regeleinrichtung zum Modifizieren der Frequenz der elektromagnetischen Wellen, so daß ihre Frequenz auf die Frequenz des hyperfeinen Übergangs der Atome abgestimmt wird. Vorzugsweise ist das in hohem Maße magnetische permeable Material des resonanten Hohlraums eine silberplattierte Nickel-Stahl-Legierung. Es wird weiter bevorzugt, daß die Länge durch den Resonatorhohlraum, welche von dem Licht durchquert wird, im wesentlichen gleich der Länge des Resonatorhohlraums ist.
Eine optische-physikalische Baugruppe von verminderter Größe für die Verwendung bei einem atomaren Frequenznormal, umfassend eine Lichtquelle, einen Hohlraumresonator, der eine Einrichtung zum Liefern von Mikrowellenerregung und eines Magnetfelds innerhalb des Hohlraums hat, und eine Absorptionszelle, die so konturiert ist, daß sie dem Hohlraumresonator angepaßt ist, und die darin zum gleichseitigen Aussetzen an die Mikrowellenerregung, das magnetische Feld und die Lichtquelle desselben positioniert ist. Vorzugsweise ist der Hohlraumresonator so gestaltet, daß er die TE&sub1;&sub1;&sub1;-Betriebsweise unterstützt. In einer Ausführungsform ist das Magnetfeld innerhalb des Hohlraumresonators ein homogenes Feld. In einer anderen Ausführungsform ist das Magnetfeld innerhalb des Hohlraumresonators ein inhomogenes Feld. Es wird bevorzugt, daß die Einrichtung zum Liefern der Mikrowellenerregung eine stufenweise Entionisierungsdiode und das Magnetfeld mittels einer stromführenden Wicklung innerhalb des Hohlraumresonators und die Absorptionszelle umgebend umfaßt. Weiterhin umfaßt der Hohlraumresonator vorzugsweise eine Nickel-Stahl-Legierung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Legierung Mumetall. Es ist möglich, daß die Legierung mit einer Überbeschichtung von elektroplattiertem Silber versehen ist.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines atomaren Übergangs von Atomen innerhalb eines Magnetfelds zum Induzieren einer stabilen Frequenz hieraus, umfassend das magnetische Abschirmen eines gegebenen Volumens von Atomen, das Erzeugen eines Magnetfelds in der Gegenwart des gegebenen Volumens, um eine Trennung zwischen Energiesubniveaus der Atome aufzubringen, und das Injizieren von Energie E mittels Mikrowellenstrahlung von einer vorbestimmten Frequenz f worin die Frequenz f mit E durch die Gleichung E = hf in Beziehung steht, worin h die Plancksche Konstante ist, wobei die Frequenz einen atomaren Übergang von Atomen erzeugt. Das erzeugte Magnetfeld kann ein homogenes oder ein inhomogenes Magnetfeld sein.

Claims

1. Mikrowellenhohlraumresonator für ein atomares Frequenznormal, umfassend:

(a) einen Hohlraumresonator (35), der dazu geeignet ist, darin einen Vorrat an Atomen zu enthalten, die in der Lage sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums durchzumachen;

(b) eine Einrichtung (31) zum Injizieren von Mikrowellenstrahlung innerhalb des Resonators (35), die in der Lage ist, atomare Übergänge der Atome zu erzeugen; und

(c) eine Einrichtung (19a, 19b, 23) zum Anwenden eines magnetischen Felds in der Gegenwart des Hohlraumresonators (35);

dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (35) selbst aus in hohem Maße magnetisch permeablem Material ausgebildet ist.

2. Mikrowellenhohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (35) durch eine eisenhaltige Legierung begrenzt ist.

3. Mikrowellenhohlraumresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Nickel- Stahl-Legierung ist.

4. Mikrowellenhohlraumresonator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19a, 19b, 23) zum Anwenden eines magnetischen Felds eine Einrichtung zum Anwenden eines homogenen magnetischen Felds umfaßt.

5. Mikrowellenhohlraumresonator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19a, 19b, 23) zum Anwenden eines magnetischen Felds eine Einrichtung zum Anwenden eines inhomogenen magnetischen Felds umfaßt.

6. Mikrowellenhohlraumresonator nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (31) zum Injizieren von Mikrowellenstrahlung Energie E mittels Mikrowellenstrahlung einer vorbestimmten Frequenz f injiziert, worin die Frequenz f mit der Energie E durch die Gleichung E = hf in Beziehung steht, worin h die Plancksche Konstante ist und die Frequenz einen atomaren Übergang von Atomen erzeugt.

7. Mikrowellenhohlraumresonator nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19a, 19b, 23) zum Anwenden eines magnetischen Felds ein vorgespanntes magnetisches Feld innerhalb des Hohlraumresonators (35) anwendet.

8. Optisch-physikalische Baugruppe, gekennzeichnet durch einen Mikrowellenhohlraumresonator nach Anspruch 7 und durch eine Lichtquelle (11), und eine Absorptionszelle (25), die so konturiert ist, daß sie zu dem Hohlraumresonator (35) paßt und darin positioniert ist, um gleichzeitig dem Licht von der Lichtquelle (11) und dem vorgespannten magnetischen Feld, das von der Einrichtung (19) zum Anwenden eines magnetischen Felds erzeugt wird, ausgesetzt zu werden.

9. Optisch-physikalische Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (35) so ausgebildet ist, daß die TE&sub1;&sub1;&sub1;-Betriebsweise unterstützt wird.

10. Optisch-physikalische Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld innerhalb des Hohlraumresonators (35) ein homogenes Feld ist.

11. Optisch-physikalische Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld innerhalb des Hohlraumresonators (35) ein inhomogenes Feld ist.

12. Optisch-physikalische Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszelle (25) Thallium, Rubidium, Wasserstoff, Cäsium, Magnesium, Kalzium oder Quecksilber enthält.

13. Optisch-physikalische Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszelle (25) eine isotopische Mischung von Atomen enthält.

14. Optisch-physikalische Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isotopische Mischung Rb85 und Rb87 umfaßt.

15. Verfahren zum Erzeugen eines atomaren Übergangs von Atomen, die fähig sind, einen hyperfeinen Übergang innerhalb eines Mikrowellenbereichs des Spektrums innerhalb eines magnetischen Feldes durchzumachen, um eine stabile Frequenz hieraus zu induzieren, umfassend:

(a) Abschirmen eines gegebenen Volumens der Atome;

(b) Erzeugen eines magnetischen Felds in einem Hohlraumresonator (35), um eine Trennung zwischen Energieunterniveaus der Atome aufzubringen; und

(c) Injizieren von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (35), um den atomaren Übergang der Atome zu induzieren, so daß die Frequenz erzeugt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß das gegebene Volumen von Atomen magnetisch mittels des Hohlraumresonators (35) abgeschirmt wird, welcher selbst aus in hohem Maße magnetisch permeablem Material ausgebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte magnetische Feld ein homogenes Feld ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte magnetische Feld ein inhomogenes Feld ist.