DE3915315A1

DE3915315A1 - Atomic clock which is insensitive to magnetic influences

Info

Publication number: DE3915315A1
Application number: DE3915315A
Authority: DE
Inventors: Avinoam Stern
Original assignee: T F L Time & Frequency Ltd
Current assignee: T F L Time & Frequency Ltd
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 1989-11-23
Also published as: IL86339A0

Abstract

The invention relates to atomic standards and atomic clocks of increased accuracy, in particular under the influence of an uncontrolled magnetic field. According to the invention, the influence of such an uncontrolled magnetic field is effectively eliminated by the use of a periodic magnetic field whose mean value is zero. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Atomuhren mit einer hohen Genauigkeit auch unter Einfluß eines unkontrol lierten Magnetfelds.The present invention relates to improved atomic clocks a high accuracy even under the influence of an uncontrolled magnetic field.

In Atomfrequenzstandards und Atomuhren wird die Frequenz eines Oszillators stabiliert, indem dieser über eine Phasen regelschleife an eine bestimmte Magnetresonanzlinie der ver wendeten Atomart angekoppelt wird. Derartige Atomuhren sind weit verbreitet und verwenden im allgemeinen als Basis Rubi dium, Cäsium oder Wasserstoffatome. Die Ausgabe dieser Stan dards und Uhren wird von dem Oszillator abgenommen. Fig. 1 zeigt das Prinzip einer Phasenregelschleife in Blockdia grammform.In atomic frequency standards and atomic clocks, the frequency of an oscillator is stabilized by coupling it to a specific magnetic resonance line of the atom type used via a phase-locked loop. Such atomic clocks are widely used and generally use rubium, cesium or hydrogen atoms as a base. The output of these standards and clocks is accepted by the oscillator. Fig. 1 shows the principle of a phase locked loop in block diagram form.

In herkömmlichen Standards und Atomuhren dieses Typs wird ein "C"-Feld eingerichtet, das ein magnetisches Gleichfeld (D.C.-Magnetfeld) ist, mit dem die Magnetresonanzfrequenz, bei der die Atome in Resonanz sind, bestimmt wird. Im allge meinen werden derartige Resonatoren soweit als möglich mit tels sehr komplizierten und starken magnetischen Abschirmun gen (Schutzschilder) von dem Einfluß äußerer magnetischer Felder abgeschirmt. Dennoch ist die Abschirmung nicht voll ständig. Die Schilder können magnetisiert werden und haben selbst nach Wegfall des äußeren Magnetfelds eine Rest magnetwirkung.In conventional standards and atomic clocks of this type set up a "C" field, which is a DC magnetic field (D.C. magnetic field) with which the magnetic resonance frequency, at which the atoms are in resonance. Generally I think that such resonators are included as much as possible very complicated and strong magnetic shielding against the influence of external magnetic Shielded fields. However, the shield is not full constantly. The signs can be magnetized and have even after the external magnetic field has disappeared magnetic effect.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem der störende Einfluß unkontrollierter Magnetfelder auf die Ge nauigkeit von Atomuhren im wesentlichen vollständig ausge löscht ist.The present invention has for its object a To provide an apparatus and a method in which the disruptive influence of uncontrolled magnetic fields on the Ge accuracy of atomic clocks essentially completely clears.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentan sprüche.This object is achieved with the features of the patent claims.

Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere verbesserte Einrichtungen bereit zum vollständigen Auslöschen der Beein flussung durch magnetische Störungen und stellt automatische Einrichtungen bereit zum Korrigieren derartiger Störungen, wodurch eine höhere Genauigkeit bei Atomstandards und Uhren erreicht wird.The present invention particularly provides improved Facilities ready to completely wipe out the legs flow through magnetic interference and restores automatic Facilities ready to correct such disturbances, resulting in higher accuracy in atomic standards and clocks is achieved.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichung näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below by means of examples and the Drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Phasenregelschleife und Fig. 1 is a block diagram of a phase locked loop and

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer verbesserten Atomuhr. Fig. 2 is a block diagram of an improved atomic clock.

Wie in den Figuren dargestellt, weist die Atomuhr einen Os zillator 11 auf, der zwei Signale mit Frequenzen F 3 und F 4 erzeugt, die nahezu proportional zueinander sind. Das Signal mit der Frequenz F 3 wird mit einem Signal mit einer Frequenz F 1 mit Hilfe eines FM-Modulators 13 moduliert, wobei eine Resonanzfrequenz F 2 innerhalb des Modulationsbereichs liegt. Dieses Beispiel bezieht sich auf eine Rubidium-Atomuhr, die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Uhrentyp beschränkt. Des weiteren ist ein Rubidium-Referenzsystem 14 vorgesehen, das ein Ausgangssignal bei einer Frequenz F 1 liefert, wenn die modulierte Frequenz von der Spitze der Resonanzlinie abweicht. Dabei ist das Vorzeichen der Phase dieses Signals abhängig von dem Vorzeichen der Abweichung der Frequenz F 3 von der erforderlichen Frequenz. Das Signal wird in einem Phasendetektor 16 gemessen und in einem Integrator 17 gefil tert, wobei dessen Ausgabe zur Korrektur der Frequenz des Oszillators 11 verwendet wird. Die Ausgabe der Uhr, das Sig nal mit der Frequenz F 4 ist nahezu proportional zu der Re sonanzfrequenz F 3 und wird auf diese Weise im wesentlichen stabilisiert.As shown in the figures, the atomic clock has an Os zillator 11 , which generates two signals with frequencies F 3 and F 4 , which are almost proportional to each other. The signal with the frequency F 3 is modulated with a signal with a frequency F 1 with the aid of an FM modulator 13 , a resonance frequency F 2 being within the modulation range. This example relates to a rubidium atomic clock, but the invention is not limited to this type of clock. Furthermore, a rubidium reference system 14 is provided, which delivers an output signal at a frequency F 1 when the modulated frequency deviates from the tip of the resonance line. The sign of the phase of this signal depends on the sign of the deviation of the frequency F 3 from the required frequency. The signal is measured in a phase detector 16 and filtered in an integrator 17 , the output of which is used to correct the frequency of the oscillator 11 . The output of the clock, the signal with the frequency F 4 is almost proportional to the resonance frequency F 3 and is essentially stabilized in this way.

In Atomstandards und -uhren wird im allgemeinen ein soge nanntes magnetisches "C"-Feld eingesetzt, das ein magneti sches Gleichfeld ist, mit dem die magnetische Resonanzfre quenz, bei der die Atome in Resonanz sind, bestimmt wird. Diese Frequenz steht, wie nachstehend erläutert wird, direkt mit der Ausgabe der Uhr in Beziehung.In atomic standards and clocks, a so-called called magnetic "C" field used, which is a magneti is constant field with which the magnetic resonance fre frequency at which the atoms are in resonance is determined. This frequency is direct, as will be explained below in relation to the issue of the watch.

Das "C"-Feld wird erzeugt durch Hindurchleiten eines Gleich stroms (DC) durch eine Spule 14. Der durch die Spule hin durchgeleitete Strom wird von einem Stromgenerator 18 er zeugt. Das System weist im allgemeinen komplizierte magneti sche Schutzschilder auf, die den Einfluß von äußeren Magnet feldern um einen Faktor von 3000 bis 10 000 verringern. Diese Abschirmung ist in den Figuren nicht gezeigt. Der Nachteil von magnetischen Schutzschildern ist, daß sie bis zu einem bestimmten Grad magnetisiert werden können, wobei Restmag netfelder selbst nach Wegfall eines äußeren magnetischen Einflusses zurückbleiben.The "C" field is generated by passing a direct current (DC) through a coil 14 . The current passed through the coil is generated by a current generator 18 . The system generally has complicated magnetic shields that reduce the influence of external magnetic fields by a factor of 3000 to 10,000. This shield is not shown in the figures. The disadvantage of magnetic protective shields is that they can be magnetized to a certain degree, with residual magnetic fields remaining even after an external magnetic influence is eliminated.

In einem Rubidium-Atomstandard oder einer Rubidium-Atomuhr wird die Magnetresonanzfrequenz von Rubidium-87 Atomen ver wendet zum Stabilisieren der Ausgabe des Oszillators 11, der über eine Phasenregelschleife an das Rubidium-Referenzsystem angekoppelt ist. Diese Resonanzfrequenz ist eine kubische Funktion und steht mit einem magnetischen Feld H gemäß fol gender Gleichung in Beziehung:In a rubidium atomic standard or a rubidium atomic clock, the magnetic resonance frequency of rubidium-87 atoms is used to stabilize the output of the oscillator 11 , which is coupled to the rubidium reference system via a phase locked loop. This resonance frequency is a cubic function and is related to a magnetic field H according to the following equation:

F=F ₀+aH ² F = F ₀ + aH ²

wobei F ₀ die Frequenz bei fehlendem Magnetfeld und "a" eine für das verwendete bestimmte Atom charakteristische Kon stante ist. Die Intensität des Magnetfelds H wird einge stellt über die C-Feld-Spule. Diese Magnetspule umgibt die Resonanzregion in 14. Zusätzlich werden Magnetschildeinrich tungen verwendet, um den Einfluß von äußeren Magnetfeldern und die durch sie hervorgerufenen Störungen drastisch zu verringern. Es gilt also H=Hc+Hr, wobei Hc von der C- Feld-Spule herrührt und wobei Hr die Intensität eines mögli chen äußeren (oder inneren) unkontrollierten magnetischen Felds darstellt.where F _{0 is} the frequency in the absence of a magnetic field and "a" is a constant characteristic of the particular atom used. The intensity of the magnetic field H is set via the C field coil. This magnetic coil surrounds the resonance region in FIG . 14 . In addition, Magnetschildeinrich lines are used to drastically reduce the influence of external magnetic fields and the interference caused by them. So H = Hc + Hr , where Hc comes from the C-field coil and where Hr represents the intensity of a possible external (or internal) uncontrolled magnetic field.

Erfindungsgemäß werden Einrichtungen bereitgestellt, mit denen die Wirkungen von nicht kontrollierten magnetischen Feldern im wesentlichen vollständig ausgelöscht werden. Dies wird erreicht durch Bereitstellen eines periodischen "C"- Felds (Wechselfeld), dessen Mittelwert 0 beträgt.According to the invention, devices are provided with which the effects of uncontrolled magnetic Fields are essentially completely wiped out. This is achieved by providing a periodic "C" - Field (alternating field), whose mean value is 0.

Durch Anlegen eines Wechselfelds Hc, dessen Mittelwert 0 ist, und durch Mitteln der sich ergebenden Frequenz F erhält man:By applying an alternating field Hc , the mean value of which is 0, and by averaging the resulting frequency F , one obtains:

<F< = <F₀ + a(Hc + Hr)²< = F₀ + a (<Hc²< + 2Hr <Hc< + Hr²) = F₀ + a (<Hc²< + -Hr²)< F <= < F ₀ + a (Hc + Hr) ² <= F ₀ + a (< Hc ² <+ 2 Hr < Hc <+ Hr ²) = F ₀ + a (< Hc ² <+ - Hr ² )

wobei der Klammerausdruck < < einen zeitlichen Mittelwert angibt. Daraus ist ersichtlich, daß die resultierende Fre quenz <F< von Hr nur in zweiter Ordnung abhängt und daß die Empfindlichkeit d<F</dHr verringert ist.where the expression in brackets <<indicates a time average. From this it can be seen that the resulting frequency < F <depends on Hr only in second order and that the sensitivity d < F < / dHr is reduced.

Fig. 2, die sich von Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, daß ein Bauteil 23 das Bauteil 18 ersetzt, stellt einen Atom standard oder eine Uhr gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die übrigen Komponenten entsprechen den oben beschriebenen. Das Bauteil 23 ist ein Signalformgenerator, der ein Magnet feld erzeugt, das im allgemeinen innerhalb des Frequenzbe reichs von 0,1 Hz bis etwa 1000 Hz liegt. Der bevorzugte Be reich reicht etwa von 10 Hz bis etwa 100 Hz. Der Generator 23 erzeugt mit Hilfe der Feldspule das Magnetfeld Hc(t). Das Magnetfeld Hc(t) erfüllt die folgende Gleichung FIG. 2, which differs from FIG. 1 only in that a component 23 replaces component 18 , represents an atomic standard or a clock according to the present invention. The other components correspond to those described above. Component 23 is a waveform generator that generates a magnetic field that is generally within the frequency range from 0.1 Hz to about 1000 Hz. The preferred range is from about 10 Hz to about 100 Hz. The generator 23 generates the magnetic field Hc (t) with the aid of the field coil. The magnetic field Hc (t) satisfies the following equation

wobei T die Periode von Hc(t) ist. Damit ergibt sich für den Frequenzmittelwert über eine Periode T where T is the period of Hc (t) . This results in the mean frequency value over a period T.

Dies zeigt, daß das Restfeld Hr eine Frequenzänderung in der Größenordnung von a · Hr ² bewirkt. Im Vergleich dazu ist die Änderung für ein permanentes magnetisches "C"-Feld in der Größenordnung von a(Hc + Hr). Da Hr wesentlich kleiner als Hc ist (Hr « Hc) ist die Empfindlichkeit gegen ein Restfeld we sentlich verbessert. Die Integration von F wird automatisch durch den Schleifenintegrator 17 bewirkt, vorausgesetzt, daß dessen Zeitkonstante größer als T ist.This shows that the residual field Hr causes a frequency change in the order of a · Hr ² . In comparison, the change for a permanent magnetic "C" field is on the order of a (Hc + Hr) . Since Hr is much smaller than Hc (Hr « Hc) , the sensitivity to a residual field is significantly improved. The integration of F is automatically effected by the loop integrator 17 , provided that its time constant is greater than T.

Das folgende Ausführungsbeispiel beschreibt die Erfindung anhand einer Rubidiumuhr. Selbstverständlich sind andere Uh rentypen und Ausführungsarten möglich.The following embodiment describes the invention based on a rubidium clock. Of course, other Uh Rent types and types possible.

Die Vorrichtung entspricht der in Fig. 2 als Blockdiagramm gezeigten Ausführungsform. Folgende Parameter werden einge stellt:The device corresponds to the embodiment shown as a block diagram in FIG. 2. The following parameters are set:

F 3 beträgt 10 MHz, F 1 beträgt 500 Hz und F 2 beträgt etwa 6,84 GHz. Die Zeitkonstante des Integrators wird auf 10 Se kunden und die Zeitkonstante des Phasenregelschleifensystems wird ebenfalls auf 10 Sekunden eingestellt. F 3 is 10 MHz, F 1 is 500 Hz and F 2 is approximately 6.84 GHz. The time constant of the integrator is set to 10 seconds and the time constant of the phase locked loop system is also set to 10 seconds.

Der Signalformgenerator 23 erzeugt ein Feld mit Rechteck form, das folgendermaßen definiert ist. The waveform generator 23 generates a field with a rectangular shape, which is defined as follows.

wobei Hc 0,3 Gauss beträgt und T=1 Sekunde ist. Wenn die ses Feld bei einer Rubidiumuhr eingesetzt wird, die von einem "unkontrollierten" äußeren magnetischen Feld einer Größenordnung von 10 Gauss ausgesetzt ist, und wenn die Dämpfung durch die magnetische Abschirmung mit einem Faktor von 6000 angesetzt wird, beträgt Hr=1,67 milliGauss. Die Resonanzfrequenzabweichung infolge eines solchen Feldes ist kleiner als 0,01 Hz bei der verbesserten Uhr. Im Vergleich dazu liegt bei einer üblichen Uhr des gleichen Typs die ge messene Abweichung in der Größenordnung von 1 Hz.where Hc is 0.3 Gauss and T = 1 second. If this field is used in a rubidium clock which is exposed to an "uncontrolled" external magnetic field of the order of 10 Gauss, and if the damping by the magnetic shielding is applied with a factor of 6000, Hr = 1.67 milliGauss . The resonance frequency deviation due to such a field is less than 0.01 Hz in the improved watch. In comparison, with a conventional clock of the same type, the measured deviation is of the order of 1 Hz.

Im allgemeinen wird das eingesetzte periodische Feld in der Größenordnung von etwa 0,01 Gauss bis etwa 3 Gauss liegen. Die Periode des "C"-Felds liegt im allgemeinen bei einer Frequenz im Bereich von etwa 0,1 Hz bis 1000 Hz, der bevor zugte Bereich reicht von etwa 10 Hz bis etwa 100 Hz.In general, the periodic field used in the Of the order of about 0.01 Gauss to about 3 Gauss. The period of the "C" field is generally one Frequency in the range of about 0.1 Hz to 1000 Hz before range ranges from about 10 Hz to about 100 Hz.

Die verwendete Signalform kann jede beliebige Form haben, solange die obengenannten Bedingungen erfüllt sind. Bei spielsweise können rechteckförmige, sinusförmige oder ähnli che Wellenformen verwendet werden.The waveform used can be any shape as long as the above conditions are met. At for example, rectangular, sinusoidal or similar che waveforms are used.

Es ist möglich, die verwendete magnetische Abschirmung zu verringern, da das erfindungsgemäße System den Einfluß eines ungesteuerten magnetischen Felds wirksam verringert.It is possible to use the magnetic shield used reduce, since the system according to the invention has the influence of a uncontrolled magnetic field effectively reduced.

Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls anwendbar bei op tisch gepumpten Cs-Atomuhren und ebenfalls bei Uhren, die als Basis Wasserstoffatome verwenden.The present invention is also applicable to op table-pumped Cs atomic clocks and also clocks that use hydrogen atoms as the basis.

Claims

1. Atomic clock in particular for use in the presence of a uncontrolled magnetic field with a device device to extinguish such magnetic interference, this device being a periodic "C" field generated, the mean value of which is zero.

2. atomic clock according to claim 1, wherein as the base Rb, Hg, Cs or H is used.

3. atomic clock according to claim 1 or 2, wherein the inserted periodic "C" field has rectangular waveform.

4. atomic clock according to claim 1 or 2, wherein the inserted has periodic "C" field sine waveform.

5. atomic clock according to one of claims 1 to 4, wherein the pe periodic "C" field a frequency of about 0.1 Hz to about 1000 Hz, particularly preferably 10 Hz to 100 Hz for has the H clock.

6. atomic clock according to one of claims 1 to 4, wherein an op table-pumped Cs atomic clock is used, the Frequency of the periodic "C" field used 0.1 Hz to about 1000 Hz.

7. atomic clock according to one of claims 1 to 4, wherein the Atomic clock is a hydrogen clock and its frequency of the periodic "C" field used about 0.1 Hz to is about 1000 Hz.

8. atomic clock according to one of claims 1 to 7, wherein the Peak value of the periodic magnetic field used an intensity between about 0.01 Gauss to about 3 Gauss has.

9. atomic clock according to one of claims 1 to 8, wherein the mag Netic shielding from clocks with a common structure is significantly reduced.

10. Procedure for maintaining the accuracy of one Atomic clock that emanated an uncontrolled magnetic field is set, the effects of magnetic interference gen can be erased by a periodic "C" field is used, the mean value of which is zero.

11. The method of claim 10, wherein the frequency of the "C" - Field is about 0.1 Hz to about 1000 Hz, preferably is about 10 to about 100 Hz.