JPS59158102A - 空洞共振器 - 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】 本発明は蒸気セル原子周波数標準の改良に関する。一層
詳しくは、本発明はこのようなシステムで使用する改良
マイクロ波空洞共振器に関する。

原子周波数標準システムは、普通、周波数の安定しない
クォーツ結晶発振器の周波数を調節するのに利用される
。本質的には、このようなシステムはクォーツ結晶発振
器の周波数をアルカリ金属のような元素の固有周波数に
ロックするのを目的とする。この元素に伴なう周波数は
原子の基底状態の２つの超微細構造レベル間のエネルギ
差（アイソトープ８７Ｒｂの場合、約６　、８３　Ｇ　
Ｈｚ　″Ｃある）に一致する。

クォーツ結晶発振器を調整する機構は原子共振システム
である。これは、一般に、カス放電ランプを包含する。

このランプには、蒸発アルカリ金属を満たした排、気カ
ラス球からなるセルと光学的に整合した所望アルカリ金
属蒸気（たとえは、ルビジウム）が満たしてあり、ラン
プから放出されてセルを通過した光を検出するように感
光性受光器が設置しである。このようなシステムは、た
とえば、［設計が簡単なカスセル原子周波数標準（Ｇａ
　５Ｃｅｌｌ　Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　５
ｔａｎｄａｒｄ　ｏｆ　Ｃｏｍ、ｐａｃｔＤｅｓｉｇｎ
）　Ｊなる名称のジエチャート（Ｊｅｃｈａｒｔ）の出
願した米国特許第３．７．９８，５６５号に開示されて
いる。

このようなシステムによれば、ランプ（ちなみに、これ
はｒ、ｆ、エネルギで放電するように付勢される）から
放射される選定元素の光スペクトルは、２つの超微細基
底状態の平衡母集団が優先的に変えられる共振吸収ある
いは「光ポンピング」として知られる過程を経て吸収セ
ル内のルビジウムによって吸収される。この、、τ程で
は、セル内の蒸気の光吸収能力が減じ、その結果、成る
期間を経た後、セルを通過した後に光検出器に入射する
光の強度が増大したと判断されることがある。

原子周波数標準、すなわち、成る棹の閉ループ式制御シ
ステムでは、セル内の元素の光吸収能力に対する光ボン
ピンク過程の影砦は、吸収セル内の元素の原子共振周波
数に等しい周波数の電磁エネルギを注入することによっ
て相殺され、「エラー信号」はセロ１で減じられる。マ
イクロ波空洞が、普通は原子周波数標準システム内に設
けてあって、注入された電磁エネルギをセル内蒸気の原
子につなぐようになっている。マイクロ波空洞（共振器
）は、元素の原子周波数で共振して電磁エネルギを効果
的に注入できるように設計しである。

この電磁エネルギをもにだされているクォーツ発振器の
出力の周波数逓倍・によって誘導される。注入電磁エネ
ルギの誘導周波数が元素の原子周波数に精密に一致して
いる場合には、光ポンピング過程の影響はなくなり、セ
ル内の元素の光吸収率はかなり増太し、その効果は感光
性要素によって検出される。共振器および光検出器に接
続してフィードバック・システムが設けてあり、これは
吸収性の変化を検出するのに利用し、クォーツ結晶発振
器の周波数をモニタし、駆動してそれを所定の公称値に
維持する。

ヒ述の一般的な形態および作動モートに従う原子周波数
標準の効果的な機能は、数々の要求をシステムのマイク
ロ波空洞共振器に与えることである。前述のように、そ
れは正確にアルカリ金属の共振周波数才で調節して所望
周波数の電磁エネルギの注入を効果的に行なえるように
なっていなければならない。さらに、セルおよびその内
容物と注入電磁エネルギの相互作用を高めることも好ま
しい。従来は、円筒形の空洞共振器はＴ　Ｅｏ＋＋、Ｔ
　Ｅｌ１１モードを支持するように設言１されていた。

前者の設計（Ｔ　ＥＯｌｌ　）では、一般に、吸収セル
に対しての結合が効果的である。しかしながら、空洞の
設計は航空機や人工衛星で使用するには太きすぎる。た
とえば、ＴＥｏ＋＋モート円筒形空洞では、最小値で、
直径が約２５インチ（６３５ミリ）、長さが約１インチ
（２５４ミリ）でなければ、効果的な機能を得られない
。Ｔ　Ｅ＋ｒ＋モード空ｄ司は、もつと小さい寸法に設
計でき、空洞の直往、長さ共、約１インチ（２５，４ミ
リ）とすることができる。

しかしながら、Ｔ　Ｅ＋＋＋定在波の性質により、この
空洞に注入される電磁エネルギは、その磁束が空洞周縁
に集中するので、内部吸収セルに効果的に結合できすい
。

従来技術のＬ述およびその他の問題を本発明は解決する
ものであり、蒸気セル原子周波数標準のだめの矩形空洞
共振器を提供する。

この共感器はＴＥｏ＋＋モード電磁エネルギを支持する
だめの内部空洞を有するほぼ矩形の本体を包含する。Ｔ
　Ｅ＋ｏ＋モート電磁エネルキを優先的に方向付ける手
段が設けである。

不発明の別の特徴によれは、ＴＥ１ｏ１モート空洞共振
器を得ることができる。この共振器はキャップと、はぼ
矩形の内部空洞を有する下方本体部とからなる本体を包
含する。この本体は両端に一対の孔を有し、これに光学
レンズを装着する。キャップにはほぼ平らな誘電体要素
が設けである。空洞内で電磁エネルギを優先的に方向付
ける手段も設けである。

本発明の前記および他の特徴は、以下の詳細な説明から
明らかになろう。この説明では、図面の符合に一致する
符合を用い、図面および説明を通じて同じ符合は同じ部
分を示す。

図面を参照して、第１図は本発明による装置を組み込ん
だ原子周波数システムの側面図である。このシステムは
、整合ベース１０に装着するようになっており、Ｒ，Ｆ
、放電ランプ１２、フィルタ・セル１４および共振空洞
１６を包含する。導線１８がこいるにｒ。

ｆ、エネルギを供給するようになっており、このこいる
はアルカリ金属蒸気を含むランプ１２内の電極無し電球
を囲み、それを励起する。電球内の蒸気の温度および圧
力を調節する手段も設けである。Ｒｂを使用する場合、
そのＤＩ、Ｄ２スペクトル線は放射光のスペクトルを含
む。

光はランプ１２から放射され、フィルタ・セル１４を通
る光束として移動する。このフィルタ・セルでは、８７
Ｒｂアイソトープの２つの基底状態の一方がアイソトー
プ８７Ｒｂの注入によって減じられる。この際、ルビジ
ウム光は空洞共振器１６内の普通の吸収セルに含まれる
ルビジウムを光ボンピンクすることができるようになる
。

共振器１６は、２つの主要中空金属要素、取外自在のキ
ャップ２０と下方本体部２２とでほぼ矩形に形成しであ
る。Ｈ形の対になったフランジ２４．２６が共感器１６
の両端に形成しである。これらのフランジ２４．２６は
巻線２８．３０のためのスプールとなる。

巻線２８．３０に供給される電流は「Ｃフィールド」と
呼ばれる定常磁場を共振器１６内に生じさせる。この磁
場は安定に加えて精密な原子周波数標準内のルビジウム
吸収セルの「微調整」を行なう。共振器１６の側壁面に
設けたスロット３２はキャップ２０内の水平通路の端と
連絡しており、成る長さの導体を挿入できるようになっ
ており、この導体は発振器によって、駆動されるエネル
キ注入回路の放射要素、すなわち、回路ループを形成す
る。

第３Ｂ図でより明瞭にわかるように、この要素（共振器
１６の要素の特定の配置に、℃つで可能となる）の向き
は、空洞１６内のＴ　ＥＩＯＩ場を優先的に励起するよ
うにしている。共振器１６の一部をなす円筒形ハウジン
グ３４は光検出器（図示せず）を受は入れるようになっ
ている。多数のこのような装置は、いずれも、表面に入
射した光の強度に応答する出力部を有し、第１図の蒸気
セル原子周波数標準に適している。このようなシステム
の実際の例では、カリフォルニア州、ニューバリパーク
化のシリコン検出器株式会社（Ｓｉｌ　１ｃｏｎＤｅｔ
ｅｃｔｏｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されて
いる形式の［汎用検出器（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｕｒｐｏ
ｓｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）　Ｊシリコン光検出器を使用
している。

第２図は本発明のマイクロ波共振空洞１の拡大展開斜視
図である。この図は第１図に示す側と反対の側から見た
ものであり、本発明の構成がはっきりとわかる・であろ
う。この図でわかるように、共振器１６は、大雑把に言
って、３つの要素の組立体からなる。すなわち、取外自
在のキャップ２０と、下方本体部２２と、はぼ平らな誘
電体要素３６とである。

組立て時、要素３６はキャンプ２０にはめ込まれ、その
表面をキャップ２０の頂（６）とほぼ同平面とする。キ
ャップ２０と下方本体２２の角隅を合わせながら、ねじ
３８，４０，４２゜４４で一体に留める。空洞がふたま
た構造となっているので、空洞内の所望定在波モードに
おける乱れを最小限に抑えながら、使用前に下方本体部
２２に吸収セルを挿入するのが簡単かつ容易になり、保
守および修理の目的で空洞１゛６の内部に手をのばすこ
とができる。

第２図でわかるように、金属、好ましくは黄銅で作った
下方本体部２２は、その内部室の両端に形成した円形の
フランジ２４．２６を持つコンパクトな一体設計となっ
ている。

適当な光検出器を装着するだめの円筒形ハウジング３４
が円形フランジ２４．２６と同心となっており、これら
のフランジは、ヒ述したように、細いワイヤの巻線のた
めのスプールとして役立つ。

下方本体部２２の両端壁面には開口が設けτあり、焦点
合わせ用レンズ４６．４８を装着できるようにしである
。原子共振システムを完全に組立てたとき、レンズ４６
はフィルタ・セル１４と中空下方本体２２内の吸収セル
（図示せず）の間に設置されており、吸収セル内に濾過
済みのルビジウム・スペクトル光束を焦点合わせするよ
うなっている。セルとハウジング３４内に装着した光検
出器（図示せず）の間に位置するレンズ４８は光検出器
の感光性シリコン面に光を集中させるように作用する。

半円形ノツチ５０か下方本体２２の側壁面のＬ縁に設け
である。このノツチ５０は取外自在キャップ２０の側壁
面の対応する下縁に設けた半円形ノツチ５２と一致して
いる。その結果、組立て時、共振器に調節ねじ５４を挿
入するための円形オリフィスが形成される。

誘電体要素３６の底にはその全幅にわたってスロット５
６が形成してあり、適当な深さ捷で調節ねじ５４を挿入
し、共振器１６を微調整し７、製造公差などで生じるが
たを補正できるようにしである。

誘電体要素３６を再度目を転じて、その頂面には第２の
スロット５８が形成しであることがわかる。このスロッ
ト５８は、スロット５６と同様であり、下方本体部２２
の端壁に平行な向きとなっている。第３Ｂ図でわかるよ
うに、この向きは、キャップ２０の側面にあるスロット
３２（第１図）に好ましい向きで放射回路要素を挿入で
きるようにするという点で共振器１６の重９な特徴であ
る。この放射要素の向きは、共振器１６の内部空洞内の
定在波を第４図に示す方向に一致させるように作用し、
その結果、空洞内のほぼ均一な磁場が吸収セルに最適な
状態で結合する。

スロット５８は誘電体要素３６の頂面のほぼ中央で終っ
ている。スロット５８のこの端は半円形であり、キャッ
プ２０の頂面に設けた孔６０と整合している。この孔６
０は第３Ｂ図によく示してあり、空洞共振器１６に電磁
エネルギを注入するだめの回路のステップリカバリダイ
オードを収容するようになっている。

第３Ａ図は共振器１６のような空洞内に電磁エネルギを
注入するための普通の回路を概略的に示している。この
回路は約１２０メカヘルツの出力を発する。この出力は
、普通に配列した周波数逓倍ステージによってクォーツ
結晶発振器の出力から誘導される。この信号は入力ポー
トロ２のところで、減結合コンデンサ６４と、ステップ
リカバリダイオード６６と、１つの放射導体６８と、空
洞共振器１６のキャップの頂壁とを包含する回路に送ら
れる。周知のように、ダイオード６６は入力信号の複数
の高調波を含む出力信号を発生する調波発生器として作
用する。１２０メカヘルツの入力周波数の５７番目の高
調波は６、８３　Ｇ　Ｈｚであり、これはルビジウムの
原子周波数である。この共振器１６がこのまったく似か
よった周波数まで微調整されるので、共振器１６に入る
信号入力は、すべて、はぼ６、８３　Ｇ　Ｈｚの周波数
となる。ヒ述のように、この周波数で注入された電磁エ
ネルギはルビジウム吸収セルと相互作用して光ポンピン
グ過程と逆の検出可能な現象を生じさせる。

第３Ｂ図は孔６０を通る共振器１６の−・部の横断面図
である。この図には、第３Ａ図に概略的に示すが、他の
図には示していない注入回路の一部も含んでいる。第３
Ｂ図に示す物理的な要素は、第３Ａ図の構成要素の番号
と付けである。さらに、放射導体６８を囲む磁場から生
じる磁束線が７２で示しである。

図かられかるように、磁場は共振器１６の長さ方向に対
してほぼ平行である。Ｔ　ＥＩＯＩ場のこの配置は共振
器１６の長さ方向に対して横方向の丘方スロット５８の
向きから直接生じる。スロット５８のこの向きは導体６
８の電流ループを適切に配置させ、その結果、放射要素
６８の長さ方向に沿った電流に対して周知の右手の法則
を適用することに−よって、第３Ｂ図（そして第４図）
のＨフィールド方向が達成される。

第４図は第３Ｂ図に示す孔６０を通る断面に対して直角
の、共振器１６の縦断面図である。共振器１６内に設置
した吸収セルフ０は、Ｔ　Ｅ＋ｏ＋モード磁束線を表わ
す長さ方向に対して平行な複数の磁場線とまじわるよう
になっている。ヒ述のように、放射導体６８の向きは空
洞内のＴ　Ｅ、。、定在波と一致し、その結果、磁場は
共振器１６の長さ方向に対してほぼ平行な方向に配列さ
れる。その結果、はぼ均一な磁束がルビジウム７０の全
長にわたって与えられる。周知のように、このセルフ０
の示す区域内に集中するような均一な磁束により、磁場
がルビジウム原子と非常に効果的に結合する。その結果
、セルフ０内のルビジウムの光吸収性は、注入電磁エネ
ルギの周波数が原子共振周波数に等しいときに非常に敏
感になり、かなり高められる。こうして、本発明による
声振器を使用する原子周波数標準では、吸収セルを通過
後に光検出器に入射する光強度を分析することによって
、モニタされている発振器の周波数に正比例する注入エ
ネルギの周波数をきわめて正確に表示することができる
。

この特徴からさらにわかるように、誘電体要素３６は共
振器１６内の磁場を集中させ、磁場の自由空間部（すな
わち、下方本体部２２内）の均一性を高め、空洞をさら
にコンパクトにするのを可能にする。Ｆ述のように、従
来の空洞は磁場分布の均一性とコンパクト化の両方を達
成することはできなかったのに対し、本発明による矩形
のＴ　ＥＩＯＩモード空洞は第４図に示す磁束の均一な
分布を可能とすると共に比較的コンパクトな設計を可能
とする。

原子周波数標準システムのだめの矩形Ｔ　Ｅ、。１モー
ト空洞を本発明に従って０．５　Ｘ　Ｏ，７Ｘ　Ｏ，８
の寸法で作ってみたか、従来よりもか４り寸法をつめる
ことができた。

共振器１６内の空洞の高さおよび誘電体要素３６の厚さ
に相当する距離「ａ」、「ｄ」が第４図に示しである。

１だ、この図には、引続く分析の目的で、三次元系のｘ
、ｚ座標も示してるる（第３の軸、すなわち、ｙ座停軸
は紙面に対して直角の平面にある）。

周知のように、図示のＺ軸に沿った２つ別個の伝送メテ
イ“アｒｌＪ、ｒ２Ｊを通して移動するＴＥ電磁波は、
次の式で与えられる。

Ｅｚ　　　　＝　　　　　　　　　　０Ｅｘ＝　　　　
　　　　　　Ｏ Ｈｙ　　　　＝　　　　　　　　　０ Ｈｚｌ＝　　　ｃｏｓＫ４ｘ Ｈｚ　　２＝　　　Ａｃｏｓ（ｋ２　　ｘ＋φ）（ｘ＝
ａｋ２　　ａ＋φ＝πＡ　φ＝πに２　　ａのとき）Ｈ
ｚ　　２＝’　　Ａｃｏｓ　　（ｋ２　　（ｘ−ａ）＋
ｙｒ）＝　　　−Ａｃｏｓｋ２　　（Ｘ　　　ａ）Ｈｘ
ｌ＝＝　　　ｒ／に１　・　５ｉｎＪｘＨＸ　　２　＝
＝　　　−Ａｒ　／　ｋ、、　　（ｘ　−ａ　）Ｅｙ　
　１＝　　　−ｊωμ／に、　　ψ　ｓｉｎ　　ｋ、ｘ
Ｅｙ　２＝　　　ｊωμ／に２　　・ｓｉｎ　　ｋ２　
　（ｘ−ａ）ここで、ｋｌｌｋ２−位相係数 γ−伝わり定数 μ−導磁率 物質の境界では、メチイア】（自由空間）およびメチイ
ア２（誘電体要素１　、Ｈｚ　＋　Ｅ　ｙは連続であり
（すなわち、Ｈｚ、＝：）（ｚ２　＋　Ｅ’！＋−Ｅ　
ｙ２　）　、次の式になる。

ｔａｎ　ｋｌ（ａ　　ｄ）／に、＝ｔａｎ　ｋ２　ｄ／
に２導波管内を移動するＴ　Ｅ、ｏモード電磁エネルギ
は、 γ＝２π／λｇ ここで、λｇは管内波長である。自由空間磁場ＨＺ　＋
の定数はに、をゼロに設定することによって得られる。

この条件は、管を通って移動するエネルギの波長λがλ
ｇに近づ“くにつれて得られる。λが２ｇに近づいたと
き、ｋ２は２π／λに近づく。ここで、ε２は要素３６
の相対誘電定数の値である。今、この境界条件を第４図
に示す距離によって解決するとすると、次の式が得られ
る。

ｔａｎ　ｋ２　ｄ＝＝　　−に２　（ａ−ｄ）この式は
第５図のグラフに示す所与の値λ。

５２、ｄについて解答を得られる。この第５図のグラフ
で、比ａ／λの（直は縦軸にプロ゛ントしてあり、比（
ａ−ａ）／λの値は横軸にプロットしである。各曲線は
相対誘電定数ε２の所与のイ直についてプロットしであ
る。こうして、所与のλおよび誘電体要素の場合、本発
明による共振器１６の空洞（蒸発セルに対するエネルギ
の最適な結合に関して本発明の利点を有する）について
の適切な寸法は先の分析の結果から決定され得る。

本発明による共振器１６の設計における付加的な臨界フ
ァクタは、金属キャップ２０と下方空洞２２の間の水平
「破線」の位置に関するものである。この装置はキャッ
プ２０と下方空洞２２０間の次に最適な位置の破線でも
機能できるが、破線に対して直角の表面電流の成分がな
んら存在しないとき、最適な機能を得ることができる。

先の分析によれば、この位置は、先の式で表わされるＥ
Ｙ２の値を最高にＬげるＸの値のところに存在する。

こうして、マイクロ波の技術分野に、蒸気セル原子周波
数標準で使用できる新規で改良した共振器をもたらすこ
とがわかろう。本発明を好ましい実施例で説明してきた
が、他のすべての実施例が特許請求の範囲に定義した範
囲内で可能でるることは了解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を応用した原子共振システム（普通、「
物理学パッケージ」と呼ばれる）の側面図であり、 第２図は本発明によるマイクロ波空洞共振器の展開斜視
図であり、 第３Ａ図および第３Ｂ図は本発明に従ってエネルギ注入
回路を装着するだめの手段を示す、空洞共振器のキャッ
プの電気回路図と部分断面図であり、 第４図は磁束線を示す空洞共振器の横断面図であり、 第５図は本発明による空洞共振器の設計パラメータのグ
ラフを示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０・・・整合べ一久、１２・・・放電ランプ、１４・
・・フィルタ・セル、１６・・・共振セル、１８・・・
導体、２０・・・キャップ、２２・下方本体部、２４．
２６・・・フランジ、

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）。　蒸気セル原子周波数標準のだめの空洞共振器
   であって、 ａ）ＴＥ＋ｏ＋モード電磁エネルギを支持する内部空洞
   を有する実質的に矩形の本体と ｂ）前記Ｔ　Ｅ、。１モード電磁エネルキを優先的に方
   向付ける手段と を包含することを特徴とする空洞共振器。
2. （２）、　　特許請求の範囲第１項記載の空洞共振器に
   おいて、前記内部空洞がほぼ平らな誘電体要素を包含す
   ることを特徴とする空洞共振器。
3. （３）、　　特許請求の範囲第２項記載の空洞共振器に
   おいて、前記矩形の本体が、さらに、ａ）キャップと、 ｂ）下方本体部と を包含することを特徴とする空洞共振器。
4. （４）、　　特許請求の範囲第３項記載の空洞共振器に
   おいて、前記誘電体要素が実質的に前記キャップ内に設
   置しであることを特徴とする空洞共振器。
5. （５）。　特許請求の範囲第４項記載の空洞共振器にお
   いて、前記Ｔ　ＥＩＯＩモート電磁エネルキを優先的に
   方向付ける前記手段が、前記誘電体要素が放射要素を前
   記空洞内に優先的に設置するように配置したスロットを
   包含することによって特徴付けられることを特徴とする
   空洞共振器。
6. （６）、　　特許請求の範囲第５項記載の空洞共振器に
   おいて、前記スロットが１つの導波管を受は入れるよう
   になっていることを特徴とする空洞共振器。
7. （７）、　　特許請求の範囲第６項記載の空洞共振器に
   おいて、前記誘電体要素が、さらに、空洞同調ねじを受
   は入れる第２のスロットを包含していることを特徴とす
   る空洞共振器。
8. （８）、　　％許請求の範囲第７項記載の空洞共振器に
   おいて、前記スロットが前記実質的に平担な誘電体要素
   の両主要面に設置しであることを特徴とする空洞共振器
   。
9. （９）、　　特許請求の範囲第１項記載の空洞共振器に
   おいて、前記本体が両端壁面に光学レンスを被着するた
   めの孔を包含することを特徴とする空洞共振器。
10. （１０）　、　　特許請求の範囲第９項記載の空洞共振
    器において、さらに、光検出器を装着するだめの手段を
    包含していることを特徴とする空洞共振器。
11. （１１）。　Ｔ　Ｅ＋ｏ＋モード空洞共振器であって、
    ａ、ｂ）　　キャップおよび下方本体部がらなり、はぼ
    矩形の内部空洞を有しかつ両端に 光学レンスを装着するための一対の孔 を有する本体と、 Ｃ）前記キャップ内にある実質的に平らな誘電体要素と
    、 ｄ）前記空洞に関して電磁エネルギを優先的に配列させ
    る手段と の組合わせからなるＴ　ＥＩＯＩモード空洞共振器。