JPH029228A - 受動的周波数標準装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野］ 本発明は受動的周波数標準装置に関し、例えばガスセル
タイプ又は受動的メーザ−タイプの周波数標準装置に関
る、。

特にかかる周波数標準装置の容積を減少させるように、
該周波数標準装置のインテロゲーション（ｉｎｔｅｒｒ
ｏｇａｔｉｏｎ）手段を構成る、ことに関る、。

〔従来の技術］ 既知の技術では、該受動的標準装置は、一様な静磁界に
さらされて原子又は分子状のエレメントをガス状に蓄積
る、ための蓄積手段と、これらのエレメントを所定のエ
ネルギーレベルにる、ことによって反転分布（ｐｏｐｕ
ｌａｔｉｏｎ　１ｎｖｅｒｓｉｏｎ）を生成させるため
の手段と、所定の周波数においてかかるエレメントの工
ふルギーレベルの遷移を刺激る、ためのインテロゲーシ
ョン（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）手段と、該刺激さ
れた遷移によって発せられた放射線に依存る、信号の関
数として該インテロゲーション手段の周波数を制御る、
ためのスレーブ（ｓｌａｖｅ）手段とをそなえている。

周波数標準装置および特に受動的周波数標準装置の動作
の一般的原理は特にＣ，５ｔｅｉｎｅｒによる論文ｌ′
原子時計”　（Ｌｅｓ　Ｈｏｒｌｏｇｅｓ　Ａｔｏｍｉ
ｑｕｅｓ）に特に記述されており、この論文はＣｈａｍ
ｂｒｅ　５ｕｉｓｓｅ　ｄｅｌ　’　Ｈｏｒｌｏｇｅｒ
ｉｅにより発行された”Ｌａ　ＳｕｉａｓｅＨｏｒ−１
ｏｇｅｒｅ”　２月／３月号、１９６７に掲載されてい
る。

ガスセルと受動的メーザ−を使用した受動的周波数標準
装置の具体例はそれぞれスイス特許文献ＣＨ−Ａ−６４
０３７０および米国特許文献ＵＳ−Ａ−４３１６１５３
に記述されている。

既知の受動的周波数標準装置の１例として、ガスセルを
使用した原子による周波数標準装置が第１図を参照して
以下に記述される。

この周波数標準装置は実質的には光学的ポンプ装置１０
、水晶発振器１２、および原子系の共振周波数をスレー
ブ用の発振器の周波数と比較る、電子回路１４をそなえ
ている。

装置１０内においては、カリウム、ナトリウム又はルビ
ジウムのような通常アルカリ金属である原子の基底状態
の超微細なレベルの間での反転分布が、光学的ポンプ動
作によってなされる。ルビジウムを用いた周波数標準装
置の場合には、標準の光学的ポンプ動作が次のようにし
てなされる。

セル１６はアイソトープＲｂ（ルビジウム）８７をそな
え、そのスペクトルは２つの超微細な成分ＡおよびＢを
そなえている。セルはＲｂ（ルビジウム）８７ランプ１
８によってフィルタ２０を通して照明され、該フィルタ
２０はアイソトープＲｂ（ルビジウム）８５をそなえて
おり、その吸収スペクトルは超微細な成分ａおよびｂを
含んでいる。成分Ａおよびａは事実上一致しており、−
力成分Ｂおよびｂは完全に隔離されている。ランプ１８
の放射スペクトルのうちの成分Ａはフィルタ２０によっ
て除去され、セル１６に到達る、光はその大部分が成分
Ｂによって構成される。より低い超微細なレベル（Ｆ＝
１）に位置しているセル１６のＲｂ８７の原子のみが光
を吸収してより高い状態に移行される。それらは自然的
な放射によってより高い超微細なレベルＣＦ＝２）に移
るかより低い超微細なレベルに戻る。これらの原子は光
が到来る、と直ちに励起されるので、より低いレベル（
Ｆ＝１）はより高いレベル（Ｆ＝２）によって減らされ
る。このようにしてこれらの２つのレベルの間での反転
分布が引き起され、それによってセル１６はランプ１８
からの放射に対し実用上透明となる。

セル１６はマイクロウニイブの空洞２２内に配置され、
該空洞は、超微細なレベルＦ＝１．ｍＦ＝０およびＦ＝
２．ｍＦ＝ｏの分離したエネルギーに対応る、６８３５
ＭＨｚ　（メガヘルツ）に近い周波数で励起され、この
エネルギーはこれら２つのレベルの間で電磁的な放射を
伴った超微細な遷移を引き起す。刺激された放射に関係
る、原子がより低い超微細なレベル（Ｆ＝１）に到達る
、とすぐに、それらは光学的に吸い上げられ、励起され
た状態に移行される。

刺激された遷移の数が大きいほど、セル１６に吸収され
る光の量は増加し、光電セル２４に到達る、光の量は減
少し、光電セル２４の電流は少なくなる。したがって空
洞の励起信号の周波数が遷移の周波数に正確に等しくな
るとき光電電流は最小になる。

水晶発振器１２は５ＭＨｚ（メガヘルツ）の信号を生成
る、。この信号は低周波発電機２８によって生成される
比較的低い周波数（典型的には１００Ｈｚ（ヘルツ）の
オーダーにある）に位相変調器２６において変調される
。

変調された信号は６８３５ＭＩ（ｚの刺激放射周波数を
有る、信号をうるために乗算合成器（ｍｕｌｔｉｐｌｉ
ｅｒｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）　３０に印加される。こ
の信号はマイクロウェーブの空洞２２を励起る、ために
使用される。

光電セル２４から供給される信号は増巾器３２によって
受信され、次いで位相コンパレータ３４に印加され、該
位相コンパレータはまた発電機２８から基準信号を受け
て、それにより空洞２２に印加された信号のキャリア周
波数が、超微細な遷移周波数（６８３５ＭＨｚ）のとこ
ろによく集中しているか否かの決定を可能にる、同期検
出を行う。何らかのシフトがあれば位相コンパレータ３
４の出力側においてエラー信号として表示される。この
信号は積分器３６に送られて、該発振器１２に結合され
た可変キャパシタ３８を制御る、ために使用される。こ
れにより該発振器１２は、ルビジウムによる超微細な遷
移の周波数の周波数のところに集中している該水晶から
の乗算された周波数を維持る、ように、該発振器の周波
数を修正る、。

第１図に示された標準的な周波数標準装置は円筒状の共
振空洞２２をそなえている。該空洞は周波数標準装置の
小型化に対して制約を有る、。

効果的には、該共振空洞は、セルが実質上軸方向のフィ
ールドにさらされるように、セルの寸法より十分大きな
寸法を有しなければならない。史に共振空洞の寸法は自
由に選定る、ことができず、逆に共振周波数に依存る、
。

第１図はガスセルタイプの受動的周波数標準装置の一般
構成を示す。受動的メーザ−は小型化に関る、限り同様
の制約を受ける。効果的には、受動的メーザ−において
は、上記光学的ポンプ装置は、開口をそなえかつ共振空
洞内に配置された貯蔵バルブ（ｓｔｏｒｉｎｇ　ｂｕｌ
ｂ）をそなえた装置によって置き換えられ、原子水素の
ようなガス源が粒子のビームを貯蔵フラスコ（ｓｔｏｒ
ａｇｅ　ｆｌａｓｋ）の開口に向かって放射し、更に該
ビームの軌道内に配置された状態選択手段があって、所
定のエネルギー状態にない粒子を偏向させる。このよう
にして上記貯蔵バルブ内で反転分布を行う。該装置には
また刺激放射によって放射された放射綿を検出る、ため
の結合ループが設けられる。

〔発明が解決しようとる、課題〕

このようにして受動的メーザとガスセルはともに共振空
洞をそなえ、この共振空洞はこれらの周波数標ｔＶ装置
に対る、小型化の可能性に制約を与える。

本発明の目的は、受動的周波数標準装置をよりコンパク
トにる、ことである。この目的は共振手段の新たな構成
によって達成される。

〔課題を解決る、ための手段〕

上記目的を達成る、ために本発明においては、ガスの形
態で原子又は分子状の要素（エレメント）を蓄積る、た
めの一様な静的磁界にさらされた蓄積手段と、該蓄積手
段内に第１のエネルギー状態を有る、要素を生成る、た
めの反転手段と、所定の周波数において該第１のエネル
ギーレベルを有る、要素のエネルギーレベルの遷移を刺
激る、ためのインテロゲーション（ｉ　ｎ　ｔｅｒｒｏ
ｇａ　ｔ　ｔｏｎ）手段と、該刺激された遷移によって
放射された放射線に依存る、信号の関数として該インテ
ロゲーション手段の所定周波数を制御る、ためのスレー
ブ（ｓｌａｖｅ）手段とをそなえた受動的周波数標準装
置であって、該インテロゲーション手段がらせん状の共
振器をそなえ、該共振器内に該蓄積手段が配置されてい
ることを特長としている。

該らせん状体の共振周波数はそのピッチＰ（又はその進
み角ψ）、その直径りおよびその長さしに依存している
。このようにして同じ共振周波数が異なるらせん状体で
えられる。このことはそれぞれの場合において最適のら
せん形態を選択る、ことができる。

本発明の特長と利点は、添付図面を参照した以下の記述
が一層理解しうるであろう。

（実施例〕 第２図に示される本発明の装置は、本質的にランプ４０
、ガスセル４２、らせん状の共振器４４、および光電セ
ル４６をそなえている。

ランプ４０は主としてトリガ用のガスとして作動る、２
トル（Ｔｏｒｒ）の圧力を有る、アルゴンとともにＲｂ
（ルビジウム）８７を含んでいる。ランプ４０は同軸ケ
ーブル５０と結合された励磁コイル４８内に配置され、
該同軸ケーブル５０は約１００乃至１５０ＭＨｚ　（メ
ガヘルツ）の周波数を有る、信号をラジオ周波数発振器
から受は入れる。グリッド５２は上記したアセンブリの
周りに配置され、それによってガスセルと光電セルに向
かう信号の放射を避ける。

標準の加熱回路（図示されていない）は加熱抵抗と温度
センサをそなえており、その正常な動作温度に該ランプ
を維持る、ように使用される。

ガスセル４２はランプ４０に対向して配置される。図示
された例においては、このセルはＲｂ（ルビジウム）８
５とＲｂ（ルビジウム）８７を含み、それとともに、８
トル（Ｔｏｒｒ）の分圧を有る、窒素と５トル（Ｔｏｒ
ｒ）の分圧を有る、メタンとの混合物からなるバッファ
ガスを含んでいる。該ガスセルはその直径が１６ｍｍで
長さは２５胴であり、したがってその容積は約５ｃｎｆ
である。

このセルはまた第１図に示される光学的ポンプ装置にお
ける同位元素性フィルタと吸収セルとを構成る、。

ランプ４０に最も接近したセル４２の部分に配置された
Ｒｂ８５の原子はランプのスペクトル成分Ａを吸収して
フィルタリングを行い、またランプ４０から最も遠いセ
ル４２の部分に配置されたＲｂ８７の原子はランプのス
ペクトル成分Ｂを吸収して光ポンプ作用を行う。

よく知られているように、同位元素性のフィルタと吸収
セルとを分離させて使用る、ことも可能であるが、第２
図に示される実施例ではよりコンパクトになるという利
点を有る、。

すべての場合において、セル４２はその温度を正常な動
作値に維持る、ために、加熱および温度制御を行うため
の標準的な手段（図示しない）をそなえる。

別の実施例としては、ランプ４０をレーザダイオードに
置き換える点にあり、その容積が減少る、点で同様に有
利である。該レーザダイオードは単にスペクトル成分Ｂ
を含むように十分に狭いスペクトルを有る、。したがっ
て成分Ａを吸収る、ように機能る、同位元素性のフィル
タはもはや必要としない。したがってセル４２の寸法を
減少る、ことかできる。

セル４２は磁性スクリーン５４によって外部の磁界から
保護される。セル４２は巻線５６によって形成された一
様な静磁界とインテロゲーション手段によゲζ形成され
たラジオ周波数の磁界にさらされており、該インテロゲ
ーション手段は本発明によればらせん状の共振器４４を
そなえている。

このラジオ周波数の磁界は導電性スクリーン５日によっ
て閉じ込められる。

共振周波数はらせん状体の幾何学的形状の関数である。

例えば、長さしは、■、＝（２ｎ＋１）λ （−）・Ｋ−１４ψによって決定される。ここでλは真
空中における共振波の長さであり、ψはらせん状体の進
み角であり、ｎは整数であり、Ｋは１に近い係数であっ
て、該係数は導電性スクリーン５８を考慮に入れている
。

このようにして６８３５ＭＨｚ　（メガヘルツ）の共振
周波数すなわちλ＝４．３９ｃｍは、Ｒｂ８７の原子に
対る、Ｆ＝２．ｍＦ＝ｏのレベルからＦ−１゜ｍＦ＝０
のレベルへの超微細な遷移周波数に対応し、ｎ＝７．ψ
＝　５．７　’に対る、Ｌ　＝１７．９ｍ＋＋＋によっ
てえられる。このようにしてセルの寸法に匹敵る、よう
な寸法を打る、らせん状の共振器を構成る、ことが可能
である。このことは共振空洞をそなえた既知の周波数標
準装置に対して実質的に容積を減少る、ことができる。

第３図にはらせん状の共振器内における磁界の分布が概
略的に示されている。この磁界は実質的に軸方向になる
ように設定る、ことができる。セルは共振器の全容積を
十分に占有しうるので、共振器のファイリングファクタ
（ｆｉｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ）は高くなる。

共振器は第２図に示されるようにセル４２に適用される
ことができ、このことは例えば金属の真空蒸着によって
行われうる。共振器はまたセルと接触る、ことなくセル
の周りに配置されうる。

らせん状の共振器４４はらせん状体の軸に垂直な平面に
配置されたマイクロウェイプループ６２によって励起さ
れ、コネクタ６４と同軸ケーブル６６を経て外部の発振
器によって付勢される。ループ６２はＳ　ＲＤダイオー
ド（ステップ回復ダイオード）をそなえ、該ダイオード
は発振器によって供給される信号の周波数を乗算る、。

したがって比較的低い周波数の発振器を使用る、ことが
できる。

セル４２におけるＲＢ８７の原子によるスペクトル成分
Ｂの吸収は光電セル４６によって検出される。この吸収
信号はループ６２によって放射される質問信号の周波数
を、Ｒｂ８７のＦ−２゜ｍＦ＝ｏのレベルからＦ＝１、
ｍＦ＝ｏのレベルへの超微細遷移周波数に従属させるよ
うによ（知られた方法で使用される。

実験によれば第２図に示される周波数標準装置の長期間
のドリフトは１ケ月当りｉｏ−”以下である。同様な方
法で、短期間の周波数安定度σ（τ）（アラン（ＡＬＬ
ＡＮ）変動）は１〈τ〈１００秒当り５．１０−”・τ
１よりすぐれている。

第２図に示されている本発明の装置は、約３５ｃｉの容
積を存る、（直径が３ｃｍで長さが５ｃｍ）。

二のことは５．１０−１０以下の誤差での周波数を得る
ために約１分までウオームアツプ（ｗａｒｐ　ｕｐ）時
間を減少させることができる。

外被６０とカバー６８とによって形成されたコンテナは
真空状態のちとに置かれるのが好適である。このことは
ランプとセルが真空状態にない従来技術に比較して多く
の有利性をもつ。

第１にランプ４０とセル４２（例えばそれぞれ約１４０
°Ｃと８０°Ｃの温度である）の間の対流にもとづく熱
的フラックスが除去されて双方の温度の正確な制御を可
能にる、。

第２にコンテナを真空状態のもとに配置る、ことは、ラ
ンプとセルを危険なくより接近させて配置る、ことを可
能にし、このことはコンテナの容積の付加的な減少をも
たらす。

第３に温度範囲とこの範囲内での周波数安定度が改善さ
れる。本発明による装置では一５５°Ｃから＋７５°Ｃ
までの温度範囲を有し、この範囲に日って３．１０−”
すなわち２．３１０−１２だＣの周波数安定度を有る、
。

第４に真空状態のもとに配置る、ことは電力消費を減少
させうる。第２図に示される本発明装置の電力消費は７
Ｗである。

本発明によって、らせん状の共振器をそなえたガスセル
を用いた周波数標準装置が第２図に示されている。この
ような共振器は第４図に概略的に示されたような受動的
メーザ−による他の受動的周波数標準装置にも同様に使
用される。

該他の標準装置は実質的にガス源７２と、状態選択器７
４と、蓄積バルブ７６と、検出ループ７８と、真空状態
下でのコンテナ７０内に配置されたインテロゲーション
ループ８０とをそなえる。蓄積バルブ７６は磁性スクリ
ーン８２によって外部の磁界から絶縁され、巻線８６に
より発生された一様な静的磁界と本発明によるらせん状
の共振器８日によって生成されＥＬ電性スクリーン８４
によって閉じ込められた共振周波数の磁界にさらされる
。

ループ７８はコンテナ７０の外部において発振器９２の
周波数に従属る、サーボ手段９０に結合され、該発振器
９２の信号はループ８０に印加される。

ガス源７２は蓄積バルブ７６の開口に向かって放射され
、その原子又は分子のジェットは通常、原子状水素又は
アルカリ金属のジェットである。

状態選択器７４は異質の磁界を発生し、所望のエネルギ
ー状態にない逸脱原子又は分子を除去る、。

例えば原子水素の場合には、状態選択器７４はＦ＝Ｏ，
ｍＦ＝０の低エネルギー状態にある原子を除去る、。蓄
積バルブに到達る、原子はＦ−１゜ｍ　Ｆ　＝Ｏ又は＋
１の高エネルギー状態にある原子である。このようにし
て蓄積バルブ内において反転分布が行われる。

Ｆ＝ｌ　、ｍＦ＝ｏの状態からＦ＝ＯｍＦ＝０の状態へ
の刺激された遷移は、発振器によって励磁された共振器
によって行われる。共振周波数は、らせん状体のピッチ
Ｐ、直径Ｄ、および長さＬに対る、適当な値を選ｔツタ
る、ことによって１４２０ＭＨｚに調整される。

第４図に示される受動的メーザ−は第２図に示されるガ
スセル周波数標準装置と同じ原理で動作る、。両者の相
違は反転分布を遂行る、方法と、使用される検出手段の
性質とに存在る、。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術における受動的周波数標準装置を概
略的に示す図、 第２図は、本発明によるガスセルを用いた周波数標準装
置に使用される光学的ポンプ装置の横断面図、 第３図は、らせん状共振器における磁界の分布を示す図
、 第４図は、本発明によるインテロゲーション手段をそな
えた受動的メーザ−を概略的に示す図である。 （符号の説明） １０：光学的ポンプ装置、 １２：水晶発振器、 １４：電子回路、 １６：セル、 １８二ランプ、 ２０：フィルタ、 ２２：共振空洞、 ２４：光電セル、 ４０：ランプ、 ４２：ガスセル、 ４４：らせん状の共振器、 ４８：励磁コイル、 ７２：ガス源、 ７４：状Ｌ！選択器、 ７６：蓄積バルブ、 ７８：検出ループ、 ８０：インテロゲーションループ、 ８８：らせん状の共振器、 ２拳 Ｆ俊、１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一様な静的磁界にさらされてガスの形態で原子又は
   分子状の要素を蓄積するための蓄積手段と、該蓄積手段
   内に第１のエネルギー状態を有する要素を生成するため
   の反転手段と、所定の周波数において該第１のエネルギ
   ーレベルを有する要素のエネルギーレベルの遷移を刺激
   するためのインテロゲーション手段と、該刺激された遷
   移によって放射された放射線に依存する信号の関数とし
   て該インテロゲーション手段の所定周波数を制御するた
   めのスレーブ手段とをそなえ、更に該インテロゲーショ
   ン手段はらせん状の共振器をそなえ、該蓄積手段は該ら
   せん状の共振器内に置かれている受動的周波数標準装置
   。 ２、該インテロゲーション手段は該所定の周波数に等し
   い周波数を有する周期的な電気信号を伝える導電性のル
   ープをそなえる、請求項１に記載３、該インテロゲーシ
   ョン手段は該所定の周波数又はその倍数に等しい周波数
   を有する周期的な電気信号を伝える導電性のループとそ
   れに直列に接続されたＳＲＤダイオードとをそなえる、
   請求項１に記載の受動的周波数標準装置。 ４、該蓄積手段はガス形態でのアルカリ金属を含むセル
   であり、該反転手段は光学的ポンピングによって該セル
   内で反転分布を生成させる所定のスペクトル成分を有す
   る光源をそなえた、請求項１に記載の受動的周波数標準
   装置。 ５、該光源はレーザダイオードをそなえた、請求項４に
   記載の受動的周波数標準装置。 ６、該蓄積手段はＲｂ８７とガスバッファを含む、請求
   項５に記載の受動的周波数標準装置。 ７、該光源はアルカリ金属蒸気ランプと同位元素性フィ
   ルタをそなえた、請求項４に記載の受動的周波数標準装
   置。 ８、該アルカリ金属蒸気ランプはＲｂ８７ランプをそな
   え、該フィルタはＲｂ８５セルを含み、該セルはＲｂ８
   ７を含む蓄積手段を形成する、請求項７に記載の受動的
   周波数標準装置。 ９、Ｒｂ８５、Ｒｂ８７、およびバッファガスを含む単
   一セルを有する請求項８に記載の受動的周波数標準装置
   。 １０、該光源、該蓄積手段および該インテロゲーション
   手段のらせん状共振器は真空状態下でコンテナ内に配置
   されている、請求項４に記載の受動的周波数標準装置。 １１、該スレーブ手段は該蓄積手段を横切った所定のス
   ペクトル成分の光を検出するために適用された光電セル
   を含む、請求項４に記載の受動的周波数標準装置。 １２、該蓄積手段は開口をそなえ、該反転手段はガス源
   と、該第１のエネルギーレベルにある要素を該蓄積手段
   に差し向けるための状態選択手段とをそなえた、請求項
   １に記載の受動的周波数標準装置。 １３、該ガス源は原子状の水素を放射する、請求項１２
   に記載の受動的周波数標準装置。１４、該スレーブ手段
   は該刺激された遷移によって放射された放射線を検出す
   るための結合した導電性ループをそなえた、請求項１３
   に記載の受動的周波数標準装置。