JPS5921558Y2 - Light source lamp for rubidium atomic frequency standard instrument - Google Patents

Light source lamp for rubidium atomic frequency standard instrument

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JPS5921558Y2
JPS5921558Y2 JP11331178U JP11331178U JPS5921558Y2 JP S5921558 Y2 JPS5921558 Y2 JP S5921558Y2 JP 11331178 U JP11331178 U JP 11331178U JP 11331178 U JP11331178 U JP 11331178U JP S5921558 Y2 JPS5921558 Y2 JP S5921558Y2
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JP
Japan
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lamp
rubidium
temperature section
light source
temperature
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JP11331178U
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JPS5529573U (en
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正雄 赤羽
真 芝田
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セイコーエプソン株式会社
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光ポンピングを利用したルビジウムガスセル
型原子周波数標準器用光源ランプに係わり、(に詳しく
は、前記光源ランプの温度保持に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a rubidium gas cell type light source lamp for an atomic frequency standard instrument that utilizes optical pumping (more specifically, to temperature maintenance of the light source lamp).

高安定周波数の発生には、・従来多くは水晶発振器が用
いられ、長期安定度が1o−11/日程度まで実用に供
されている。
To generate a highly stable frequency, a crystal oscillator has conventionally been used in many cases, and has been put into practical use with long-term stability of about 1o-11/day.

水晶発振器の主要部たろ水晶振動子は、水晶片の研摩等
人工的作業によっており、長期に渡れば経時変化が生ず
るため、安定度の面での向上は大きくは望めない。
The main part of a crystal oscillator The crystal oscillator is made by artificial work such as polishing the crystal piece, and over a long period of time it will change over time, so no significant improvement in stability can be expected.

そこで電気通信分野、計測器分野等に代表される、高安
定周波数標準器の要求に対しては、マイクロ波を用いて
、分子原子の量子力学的振動を周波数の標準として利用
する方法がある。
Therefore, in order to meet the demand for highly stable frequency standards, which are typically used in the fields of telecommunications, measuring instruments, etc., there is a method of using microwaves to utilize quantum mechanical vibrations of molecular atoms as a frequency standard.

第1図は、ルビジウムガスセル型原子周波数標準器(以
後、Rb原子発振器と記す)の構成図であり、第2図は
、第1図の光マイクロ波共鳴部10のブロック内部図で
ある。
FIG. 1 is a block diagram of a rubidium gas cell type atomic frequency standard (hereinafter referred to as an Rb atomic oscillator), and FIG. 2 is a block internal diagram of the optical microwave resonator 10 of FIG. 1.

Rb原子発振器においては、光ポンピングを利用する二
重共鳴法が使用されている。
In the Rb atomic oscillator, a double resonance method using optical pumping is used.

共鳴にあずかるRb原子は、適当な緩衝気体と共に共鳴
セル22に封じてあり、マイクロ波空胴共振器23中に
設置しである。
The Rb atoms participating in resonance are sealed in a resonance cell 22 with a suitable buffer gas and placed in a microwave cavity resonator 23.

Rb原子とクリプトン、ネオン、アルゴン等の不活性な
キャリアガスと共に封じた光源ランプ20からのポンピ
ング光は、フィルターセル21、共鳴セル22を通って
光検出器24に達し、その透過光量を太陽電池等により
電気的に検出される。
Pumping light from a light source lamp 20 sealed together with Rb atoms and an inert carrier gas such as krypton, neon, or argon passes through a filter cell 21 and a resonance cell 22 and reaches a photodetector 24, where the amount of transmitted light is detected by a solar cell. It is electrically detected by etc.

26はC磁場用コイル、27はヒーターである。ポンピ
ング光としてのルビジウムD光には2つの成分(波長7
948 A、7800 A )があり、ポンピング効率
を上げるためにフィルタセル21が配置されているわけ
でフィルターセル21は不可欠な構成要素ではない。
26 is a C magnetic field coil, and 27 is a heater. Rubidium D light as pumping light has two components (wavelength 7
948 A, 7800 A), and the filter cell 21 is not an essential component because the filter cell 21 is arranged to increase pumping efficiency.

ポンピング光の入射により共鳴セル内のRb原子は、熱
平衡状態からずれ負温度状態になる。
Due to the incidence of the pumping light, the Rb atoms in the resonant cell are deviated from the thermal equilibrium state and enter a negative temperature state.

そこに、遷移周波数に等しい周波数のマイクロ波を、ダ
イオード25から挿入すると、誘導放出が生ずる。
When a microwave having a frequency equal to the transition frequency is inserted therein from the diode 25, stimulated emission occurs.

放出された原子は、再びポンピング光を吸収して光ポン
プされるので、ポンピング光の透過光量が減少する。
Since the ejected atoms absorb the pumping light again and are optically pumped, the amount of transmitted pumping light decreases.

即ち、標準に使用されるマイクロ波遷移は、ポンピング
光量の変化として検出される。
That is, microwave transitions used in the standard are detected as changes in the amount of pumping light.

この光マイクロ波部がらの出力は、遷移周波数の所で吸
収される共鳴曲線を描くが、マイクロ波には、低周波で
変調をがけであるので共鳴の中心の上下で、180度位
相が異った共鳴信号を得る。
The output of this optical microwave section draws a resonance curve that is absorbed at the transition frequency, but since the microwave is modulated at a low frequency, there is a 180 degree phase difference above and below the center of resonance. obtain a resonance signal.

この共鳴信号を増幅器11及び位相弁別器12を通が異
った低域フィルターを通し、水晶発振器15に加える。
This resonance signal is applied to a crystal oscillator 15 through an amplifier 11 and a phase discriminator 12, through different low-pass filters.

サーボ増幅器13は、積分要素を持たせ、長期変動を除
いているものである。
The servo amplifier 13 has an integral element and eliminates long-term fluctuations.

水晶発振器15は、同調容量の一部をバリキャブのよう
な電圧で容量を変えられる素子をもつvcx。
The crystal oscillator 15 is a VCX having a part of the tuning capacitance that has an element such as a Varicab whose capacitance can be changed by voltage.

(電圧制御型水晶発振器、Voltage Cont
roledCrystal 0scillator)
になっており、マイクロ波の周波数と遷移周波数が異っ
てくると、水晶発振器の発振周波数を引き戻すような制
御が加わる。
(Voltage controlled crystal oscillator, Voltage Cont
roledCrystal 0scillator)
If the microwave frequency and transition frequency differ, control is added to pull back the oscillation frequency of the crystal oscillator.

ダイオード25から描入されるマイクロ波信号は、水晶
発振器15の出力と低周波発振器14の出力を周波数変
調器16で変調し、更に周波数逓倍器17で逓倍して作
製している。
The microwave signal drawn from the diode 25 is produced by modulating the output of the crystal oscillator 15 and the output of the low frequency oscillator 14 with a frequency modulator 16 and further multiplying with a frequency multiplier 17.

外部へとり出す標準信号は、周波数合成器18を通して
、I MHz、5MHz等の周波数を得ている。
The standard signal taken out to the outside has a frequency of I MHz, 5 MHz, etc. through a frequency synthesizer 18.

従って、制御のかかった定常状態では、水晶発振器の発
振周波数と原子の遷移周波数との関係は、周波数合成、
周波数逓倍の方式のみで決まることになるので、水晶発
振器からは、原子の遷移周波数の安定度まで安定化され
た標準周波数を取りだすことができる。
Therefore, in a controlled steady state, the relationship between the oscillation frequency of the crystal oscillator and the transition frequency of the atoms is determined by frequency synthesis,
Since it is determined only by the frequency multiplication method, a standard frequency stabilized to the stability of the atomic transition frequency can be extracted from the crystal oscillator.

上記の様に、基準とする分子、原子の量子力学的振動の
共鳴周波数そのものは、環境条件が一定である限り永久
不変であるが、この振動に基づいた原子発振器を構成す
るには、下記の問題が生ずる。
As mentioned above, the resonant frequency itself of the quantum mechanical vibration of the reference molecule or atom remains unchanged as long as the environmental conditions are constant. However, in order to construct an atomic oscillator based on this vibration, the following steps must be taken. A problem arises.

即ち、ルビジウムガスセル型原子周波数標準器では、基
準とするルビジウムをガラス容器内に封じ込んで使用す
るが、容器内のルビジウムの量を正確にコントロールす
ることが難しいことである。
That is, in the rubidium gas cell type atomic frequency standard, rubidium as a reference is sealed in a glass container, but it is difficult to accurately control the amount of rubidium in the container.

第3図は、ルビジウム金属をランプ内に封入する装置の
概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of an apparatus for enclosing rubidium metal into a lamp.

31は光源用ランプ、32は反応管、33は排気口兼封
入気体導入口、34は反応用試料である。
31 is a light source lamp, 32 is a reaction tube, 33 is an exhaust port/filled gas inlet, and 34 is a reaction sample.

先ず、反応管32及びランプ31を10−6mmHg以
上の真空に排気した後、ルビジウムを金属蒸気としてラ
ンプ31に追い込むわけであり、主に、2通りの方法は
ある。
First, the reaction tube 32 and the lamp 31 are evacuated to a vacuum of 10 -6 mmHg or more, and then rubidium is forced into the lamp 31 as a metal vapor. There are mainly two methods.

第1の方法は、反応用試料として、Rbアンプルを、窒
素雰囲気にした反応管32内で割って使用するものであ
り、第2は、塩化ルビジウムを水素化カルシウムにより
還元し、ルビジウムを作製してゆく方法である。
The first method is to use an Rb ampoule as a reaction sample by breaking it in a reaction tube 32 in a nitrogen atmosphere, and the second method is to reduce rubidium chloride with calcium hydride to produce rubidium. This is the way to proceed.

現在、ルビジウムが、アルカリ金属に属し、反応性が強
いことから、第2の方法が主流である。
Currently, the second method is the mainstream because rubidium belongs to an alkali metal and has strong reactivity.

いづれにしても、ガスバーナー等で反応管を加熱し金属
蒸気としてランプ内に追い込み、適当な封入気体を入れ
た後、封するものであり、ランプ内に入った金属量は、
ランプ内壁に付着した状態を目視するのみで、厳密に規
定することはできない。
In any case, the reaction tube is heated with a gas burner, etc., and the metal vapor is driven into the lamp, and after filling with an appropriate gas, it is sealed, and the amount of metal that has entered the lamp is
It is not possible to strictly define the condition only by visually observing the state of adhesion to the inner wall of the lamp.

しかし、ランプ内のRbの量が多すぎると、雑音が増し
、動作も不安定になる一方、少なすぎると、ランプの寿
命が短かくなるという、重要な要素である。
However, if the amount of Rb in the lamp is too large, the noise will increase and the operation will become unstable, while if it is too small, the life of the lamp will be shortened, which is an important factor.

本考案は、上記欠点を除去したものであって、多量に封
入したルビジウム金属のうち、必要な量だけ、発光に寄
与することを可能にした光源用ランプである。
The present invention eliminates the above-mentioned drawbacks and is a light source lamp in which only the necessary amount of rubidium metal sealed in the lamp can contribute to light emission.

ルビジウムを封入した光源ランプでは、管内に電極がな
く、励振用コイルを管の外側に巻きつけて励振する無電
極放電が用いられる。
A light source lamp filled with rubidium does not have an electrode inside the tube, and uses an electrodeless discharge that is excited by wrapping an excitation coil around the outside of the tube.

先ず、封入気体の放電でスタートし、温度上昇とともに
Rb金属蒸気が増し、Rbが主の発光に移行する。
First, it starts with a discharge of the enclosed gas, Rb metal vapor increases as the temperature rises, and Rb becomes the main source of light emission.

又、温度により発光スペクトルのプロフィールが異って
くるので、成る一定の温度T(通常は、90°C〜12
σC位)でランプ全体を保っているのが通常である。
In addition, since the profile of the emission spectrum differs depending on the temperature, a constant temperature T (usually 90°C to 12°C) is required.
Normally, the entire lamp is maintained at about σC.

本発明は、ランプ内を主温度部と副温度部に分け、主温
度部を主温度TM、副温度部を副温度T5で保持するこ
とにより、発光スペクトルに寄与するルビジウム金属の
量を制御するものである。
The present invention divides the interior of the lamp into a main temperature section and a sub-temperature section, and controls the amount of rubidium metal contributing to the emission spectrum by maintaining the main temperature section at the main temperature TM and the sub-temperature section at the sub-temperature T5. It is something.

第4図は、本考案に関するランプ部の形状、構成例であ
る。
FIG. 4 shows an example of the shape and configuration of the lamp section according to the present invention.

41は主温度部、42は副温度部、43は主温度源、4
4は副温度部、45は励振用コイルである。
41 is the main temperature section, 42 is the sub-temperature section, 43 is the main temperature source, 4
4 is a sub-temperature section, and 45 is an excitation coil.

主温度源43及び副温度部44は、コイル等を巻き、電
流を流して発熱させる、或いは、トランジスタ等の放熱
を利用する等、幾つかの方法が考えられるが、所望の温
度に保持し得るものならば、その方法は問わない。
The main temperature source 43 and the sub-temperature section 44 can be maintained at a desired temperature by several methods, such as winding a coil or the like and passing a current to generate heat, or using heat dissipation from a transistor, etc. If it's possible, the method doesn't matter.

ランプ内のRb金属は密封されており、保持温度、励振
電力等の外部因子により定められる割合のRb金属蒸気
となる。
The Rb metal within the lamp is sealed and becomes Rb metal vapor at a rate determined by external factors such as holding temperature and excitation power.

従って、仮に保持温度を増加させてゆけば、Rb金属が
残存する限り、Rb金属蒸気の量は増えてゆき、自己吸
収、自己反転現象が生ずる以前においては、スペクトル
強度は強くなってゆく。
Therefore, if the holding temperature is increased, as long as Rb metal remains, the amount of Rb metal vapor will increase, and the spectral intensity will become stronger before self-absorption and self-inversion phenomena occur.

第4図において、主温度部は、従来使用されていた程度
の温度T(90°C〜120°C)に保ち、副温度部は
、この主温度TMより低い温度T5に保つことにより、
気化しないRb金属の量を、副温度部において主温度部
より多くすることが出来る。
In FIG. 4, the main temperature section is maintained at a temperature T (90°C to 120°C) that is conventionally used, and the sub-temperature section is maintained at a temperature T5 lower than this main temperature TM.
The amount of Rb metal that does not vaporize can be made larger in the sub-temperature section than in the main temperature section.

即ち、過剰にRb金属を封入した場合には、副温度T8
を低くすることにより、主温度部において発光に寄与す
る即ちスペクトル強度に影響を及ぼすRb金属蒸気の量
をコントロールできる。
That is, when excessive Rb metal is enclosed, the sub-temperature T8
By lowering the temperature, it is possible to control the amount of Rb metal vapor that contributes to light emission in the main temperature section, that is, affects the spectral intensity.

これ故、本考案によれば、発光に寄与させるに相当する
以上のRb金属をランプ内に封入すれば、主温度部と副
温度部の温度差を変化させることにより、発光時に主温
度部に存在するRb金属蒸気の量を、最つも所望する値
にすることが可能になる。
Therefore, according to the present invention, if an amount of Rb metal that is more than enough to contribute to light emission is sealed in the lamp, by changing the temperature difference between the main temperature part and the sub-temperature part, the main temperature part will be affected during light emission. It becomes possible to bring the amount of Rb metal vapor present to the most desired value.

特に本考案では副温度部を主温度部に比べて小さく形威
し、第2のヒーターと共働させて、ランプ内のルビジウ
ム金属蒸発量を調整するものであり、副温度部が小さい
ので、第2のヒーターの調整温度に応じて迅速なルビジ
ウム金属蒸発量を調整でき、また主温度部と対向する第
1のヒーターと、副温度部に対向する第2のヒーターと
の組合せにより、発光と蒸発量を連動して調整すること
が可能なので、封入ルビジウム金属が多すぎるために生
じる雑音や、動作の不安定さ、また少なすぎることのラ
ンプの低寿命化のいずれの問題も解決した。
In particular, in the present invention, the sub-temperature section is made smaller than the main temperature section, and works together with the second heater to adjust the amount of rubidium metal evaporated within the lamp, and since the sub-temperature section is small, The amount of rubidium metal evaporated can be quickly adjusted according to the adjusted temperature of the second heater, and the combination of the first heater facing the main temperature section and the second heater facing the sub-temperature section allows for light emission and Since the amount of evaporation can be adjusted in tandem, it has solved the problems of noise and instability caused by enclosing too much rubidium metal, and shortened lamp life due to too little.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、ルビジウムガスセル型原子周波数標準器の構
成図である。 第2図は、第1図中10の光マイクロ波共鳴部の内部図
である。 第3図は、ルビジウム金属をランプ内に封入する装置の
簡略図である。 第4図は、本考案となる、ランプ部の構成例を記した図
である。 第1図において、10・・・・・・光マイクロ波共鳴部
、11・・・・・・増幅器、12・・・・・・位相弁別
器、15・・・・・・水晶発振器、17・・・・・・周
波数逓倍器、18・・・・・・周波数合成器、第2図に
おいて、20・・・・・・光源ランプ、21・・・・・
・フィルターセル、22・・・・・・共鳴セル、23・
・・・・・マイクロ波空胴共振器、24・・・・・・光
検出器、25・・・・・・ダイオード、26・・・・・
・C磁場用コイル、第3図において、31・・・・・・
光源ランプ、34・・・・・・反応物、第4図において
、41・・・・・・主温度部、42・・・・・・副温度
部、43・・・・・・主温度源、44・・・・・・副温
度部、45・・・・・・励振用コイル。
FIG. 1 is a block diagram of a rubidium gas cell type atomic frequency standard. FIG. 2 is an internal diagram of the optical microwave resonance section 10 in FIG. 1. FIG. 3 is a simplified diagram of an apparatus for enclosing rubidium metal into a lamp. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the configuration of the lamp section according to the present invention. In FIG. 1, 10... optical microwave resonator, 11... amplifier, 12... phase discriminator, 15... crystal oscillator, 17... ...Frequency multiplier, 18...Frequency synthesizer, in Fig. 2, 20...Light source lamp, 21...
・Filter cell, 22... Resonance cell, 23.
...Microwave cavity resonator, 24...Photodetector, 25...Diode, 26...
・C magnetic field coil, in Figure 3, 31...
Light source lamp, 34...Reactant, in Fig. 4, 41...Main temperature section, 42...Sub-temperature section, 43...Main temperature source , 44...Sub-temperature section, 45...Excitation coil.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] ルビジウム金属と不活性ガスを封入した光源ランプにお
いて、前記ランプ体に主温度部と副温度部を一体に構成
するとともに、前記副温度部を前記主温度より小さく形
成し、前記主温度部外周には第1のヒーターと励振用コ
イルを対向させ、前記副温度部外周に第2のヒーターに
よりランプ内のルビジウム金属の蒸気量を調整するよう
構成したことを特徴とするルビジウム原子周波数標準器
用光源ランプ。
In a light source lamp filled with rubidium metal and an inert gas, a main temperature section and a sub-temperature section are integrally formed in the lamp body, the sub-temperature section is formed to be smaller than the main temperature, and the outer periphery of the main temperature section is A light source lamp for a rubidium atomic frequency standard, characterized in that a first heater and an excitation coil are opposed to each other, and a second heater is provided around the outer periphery of the sub-temperature section to adjust the amount of vapor of rubidium metal within the lamp. .
JP11331178U 1978-08-18 1978-08-18 Light source lamp for rubidium atomic frequency standard instrument Expired JPS5921558Y2 (en)

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JPS5529573U JPS5529573U (en) 1980-02-26
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