JPS609354B2 - 光学ポンプ型原子周波数標準器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子周波数標準器、特に少制御時間定数を有
する光学ポンプ原子周波数標準器に関するものである。

光学ポンプ型式の原子周波数標準器は、公知である。第
１図に示されるように、これらは光検出器２４、水晶発
振子１２および電子装置１４とに結合した光学ポンプ装
置１０とを含み、電子装置１４は発振器から与えられる
高周波信号を装置１０１こ送り、また自動装置の振動周
波数を発振器周波数と比較して発振器を制御するための
ものである。装置１川こおいては、光学ポンプは一般的
に、使用される原子、即ち通常はカリウム、ナトリウム
又はルビジウムのようなアルカリ金属原子、の基底状態
の超微細レベルにおいて、可逆性を発揮させる。

ルビジウム（Ｒｂ）型の周波数標準器においては、通常
の光学ポンプ構造は次の様に構成される。

一定磁界を受けているセル１６はＲｂ８７アィソト−プ
を含み、Ｒｂ８７のスペクトルは２つの超微細成分Ａお
よびＢを有する。

このセルはアイソトープＲｂ８５を含むフィルター２０
を通してルビジウム８７のランプ１８によって照射され
る。フィルター２０の吸収スペクトルは超微細成分ａお
よびｂを有する。成分Ａおよびａは実質的に同一であり
、一方成分Ｂおよびｂは完全に分離している。ランプ１
８の放射スペクトルの成分Ａはフィルター２０で排除さ
れ、セル１６に到達する光線はスペクトル線Ｂによって
大部分が構成される。

セル１６のＲｂ８７原子のみは低超微細レベル（Ｆ＝１
）を有し、光線を利用して高い状態に上る。彼らは自然
放出によってさらに高い超微細レベル（Ｆ＝２）又は低
い超微細レベルに戻る。原子が光線の到着によって励起
されると直ちに、低いレベル（Ｆ＝１）はからになり、
さらに高いレベル（Ｆ＝２）に移行する。これら２つの
レベルの間での微粒子存在は可逆的であり、これにより
、セル１６はランプ１８からの放射に対して実質的に透
明となる。

セル１６は、超微細レベルＦ＝１、ｍＦ＝０とＦ＝２、
ｍＦ＝０との間のエネルギーギャップに相当する６８３
９ Ｍ比付近の周波数で励起されているマイクロウェー
ブキヤビティ２２の中に設けられ、前記エネルギーギャ
ップの励起によってこれら２つのレベルの間の電磁放射
の誘導放出を併う超微細レベル転移が行なわれる。

譲導放出に関与する原子が低い超微細レベル（Ｆ＝１）
に到達すると直ちに、原子は光学的にポンプされ、励起
状態に持ち上げられる。

誘導転位の量が多くなれば、セルの中で吸収する光の量
が多くなり、一方光軍セル２４に到達する光の量は少く
なって、光電セル２４に流れる電流は減少する。

キャビテイの励起信号周波数が転移周波数と正確に一致
した時、光亀セルを通過する電流は最小となる。

セルの壁は改善的に非不配向（ノンディスオリェンティ
ング）層として知られている層によって覆われ、この層
は原子が壁と接触した時に原子の不定方向スピンを排除
するように働く。

非不配向層はセルの原子とマイクロウェーブ電界との相
互作用の継続時間を実質的に増加させ、このことは、セ
ル１６における光の吸収スペクトルを極めて狭い線とす
ることを可能にする。水晶発振器１２は引け批の信号を
発生し、これは低周波発振器２８で発生した比較的低い
周波数（標準的には１００出前後）と共に、位相変調器
２６で変調される。

変調信号はてし、倍器３０に加えられ、誘導放出周波数
６８３即日ｚが発生する。マイクロウェーブキヤビティ
２２を励起するに用いられる信号がこれである。光電セ
ル２４で発生した信号は３２で増中これた後、位相比較
器３４の同期検出器に加えられる。

３４はまたは発振器２８からの同期検出のための信号を
受け、キャビティ２２に加えられた信号のキャリア周波
数が超微細転移周波数（６８３即日ｚ）の中心に適正に
保たれているかどうか検出する。

いかなる変位結果も位相検出器３４の出力におけるエラ
ー信号に含まれる。

この信号は積分器３６に加えられ、さらにその結果とし
てバリアブルキヤパシタ３８を制御するのに用いられる
。バリアブルキャパシタは発振器１２に結合しており、
水晶発振器の高調波がルビジウムの超微細転移周波数の
中心に維持されるよう、発振器の周波数を変化させる。
上に説明した型式の周波数標準器は、安定度を考慮した
上で、実施できる可能な最高レベルを達成するようシス
テム的に設計されている。

吸収線の中は、このため比較的狭く（３０批セ前後）、
このことから比較的低い変調用周波数（一般には２０の
セより低い）を使う必要がある。この低い変調用周波数
を用いることの直後の結果として制御時間定数が比較的
に大きい（一般には１０仇ｈＳを超える）こととなる。
本発明の広い目的は、上に説明した標準器よりも実質的
に小さな制御時間定数を有する周波数標準器を提供する
ことであり、この周波数標準器は高性能標準器が達し得
る程度の周波数安定度は有しないが、振動や衛轍が起り
得るような望ましくない環境下で、又は航空、航海およ
び通信用などの分野に用いるには十分に全く何の不都合
もない周波数安定度を有するものである。

比較的高い変調周波数を用いて制御時間定数を減少させ
ることは、反面吸収線の中を増加させることとなる。

放射線の中の増加はセルの壁を覆う非不配向層を省くこ
とによって得られることが指摘される。しかし、この解
決法は信号対雑音比を望ましくないほど低下させるため
、適用できない。

本発明の目的を、さらに特定化して表わせば、迅速な制
御動作を持ち、小型で実用的であり、しかも満足すべき
とは言えない環境の下でも動作可能な、周波数標準器を
提供することである。

本発明による周波数標準器は特許請求の範囲第１項に規
定される。本発明は実施例により添付図面を参照しなが
らさりこ詳しく説明される。

第２図において、無線周波数発振器１はラ−ンプ２のコ
イルｌａを励磁する。

ランプ２は基本的にはＲｂ８７と、スターターガスとし
て封じられている２トール（０．２７ＫＰａ）の圧力の
アンゴンとから構成される。ランプ２の反対側に、セル
３ａによって構成されるフィルター３が配置され、この
中にはＲｂ８５とバッファガス、即ち５０トール（６６
７ＫＰａ）の圧力を有するアルゴンが入っている。

バッファガスの目的はフィルター３の吸収帯の拡大およ
び移行である。ランプ２とフィルター３で形成される軸
上に吸収セル４が設けられる。

ここで説明される実施例においては、この吸収セル４は
フィルター３と一体の構造をもち、壁４ａで仕切られて
いるものである。セル４は非不配向層４ｂで覆われてい
る。層４ｂは、ドライフィルム（ゼネラルエレクトリッ
ク社）、又はシリコーン、ポリエチレン又は重水素被い
ポリエチレン（ＣＤ２）ｎなどの名前で市販されている
ジクロロジメチルシランから得られるオルガノシラン（
シランの有機誘導体）からなるものである。マイクロウ
ェーブループ５は、その平面がランプーセル軸と垂直で
あり、セル４をとり巻くように設けられる。

セルに面し、ランプーセル軸に垂直に光電セル６が設け
られる。フィルター３とセル４を含む組上構造の図りに
設けられたコイル７はセル４の中に一定磁界を発生させ
る。磁界スクリーン８および９は、フィルター３、セル
４およびランプ２を外部磁界の影響から絶縁する。

マイクロウェーブ入力５ａはループ５に供給される。

ループ５はまた、直列のＳＲＤダイオード（ステップリ
カバリダィオード）を有し、これは比較的低い周波数を
供給される。このダイオードの目的はループ５の中の周
波数をてし、倍することであって、このことによって電
気装置の小型化がはかれる。最後に、光鏡セル６は出力
リード１１によって第１図の電子制御装置１４に接続さ
れる。本発明の周波数標準器の実施例は、次のように動
作する。

通常の配置では、ランプ２はスペクトル成分ＡおよびＢ
を含む光を発散する。

成分Ａはフィルター３で減衰するため、成分Ｂのみがセ
ル４のＲｂ８７に到達する。通常の配置では光学ポンプ
によって超微細レベルＦ＝１は空になっている。通常の
配置では６８３９の世のマイクロウェーブ励起はループ
５に加えられ、これによって超微細レベルＦ＝２，ｍＦ
＝０の構成となっているＲｂ８７原子はしベルＦ＝１，
ｍＦ＝０に戻る。このレベルが満ちてくると、セル４の
透明度が減少し、この現象はセル６によって検出されて
超微細レベル転移周波数の励起マイクロウェーブの調節
が可能である。公知のＲｂ８７周波数標準器では、セル
はマイクロウェーブキヤビティの中に設置される。

電磁波は変動がなく、原子からは電磁界が一定の位相を
有しているように見える。ここには、ドップラー効果に
よる吸収線の中の増加はない。吸収線は標準的には約３
００世の中を有し、検出のためには低い変調周波数（標
準的には１３７Ｈｚ）を使用する必要が生じる。この低
い周波数変調の直接的結果として比較的大きな制御時間
定数（１０皿Ｓを越える）を要する。第２図によって上
に述べた周波数標準器においては、セルはループ５によ
って発散される進行性の電磁波を受ける。

セルの原子は一定位相の電磁界ではなく、反対に、変化
する位相の電磁界を受ける。この結果は、セルの吸収線
がドップラー効果によってその中を増すことである。

吸収線の中は標準的には４．靴Ｈｚであって、これはＩ
Ｋ世よりも高い変調周波数を許すものである。

制御時間定数は約ｌｍＳまで低減することができる。

第３図は上に説明した進行波装置の中の広い線４１を公
知装置の通常の線４２と比較して示したものである。実
験によれば、このような進行波型周波数標準器の長期間
ドリフトは１×１０‐１１／月よりも小さい。

信号対雑音比も満足できるもので、その値は標準で３０
００である。

周波数安定度（ＡＬＬＡＮ変動測定）は標準で。ｙ（７
）＝ｌｘｌｏ‐ｌｏ．７‐す但しＩＳＴＳ５０現＠、で
ある。本発明による進行波型装置はまた小制御時間定数
を有している他、次のような改善を有している。

０１マイクロウェーブキャビティを省き、ループに置き
換えたことにより、吸収セルの体質を実質的に減小させ
ることができる。

例えば公知装置ではセルが５０のであるのに比べ、本装
置では１のである。小型化は航空および宇宙航行機、遠
距離通信および類似の用途に用いる場合の重要な特性で
ある。ｔ２’ マイクロウェーブキャビティを省いたこ
とから、キャビティおよびセルの調整が不要となり、こ
れはルビジウム型周波数標準器の製造を簡略化し、また
公知装置の受入拒絶程度を減小させることとなる。

｛３’ ループはマイクロウェーブキヤビテイに比して
その製作が極めて容易である。

非不配向層の使用は出力周波数の再現確実性を向上させ
る。

上に説明した型式の、体積１地のセルを有する標準器の
再現性は５×１０‐８であり、非不配向層を用いず、バ
ッファガスを有する通常の藤準器の再現性は１×１０‐
６である。これらの特性の長所から、この標準器は簡易
周波数シンセサィザに用いることが可能である。進行波
の影響は動いている原子を有するセル、即ち非不配向層
に覆われた肇を有するセルにのみ表われることは明らか
であり、原子が実質的に動いていないバッファガス型セ
ルには影響が表われないことも明らかである。

最後に、上の例で説明した簡単なマイクロウェーブルー
プ５は、吸収線の中を広げ、制御時間定数を減小させる
ための進行波を発生し得るような、いかなる配置にも置
換し得ることは明かである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知周波数標準器のブロック図を示し、第２
図は、本発明の周波数標準器実施例の断面図であり、第
３図は本発明による装置の吸収線を、公知標準器のそれ
と比較して示したものである。 １１・・無線周波発振器、２・・・ランプ、３・・・フ
ィルター、４…セル、５…マイクロウエーブループ、６
・・・光電セル、７・・・コイル、８，９・・・磁界ス
クリーン、１０・・・光学ポンプ装置、１１・・・出力
ＩＪ−ド、１２・・・水晶発振器、１４・・・電子装置
、１６・・・セル、１８…ランプ、２０…フイルター、
２２…マイクロウェーブキャビティ、２４・・・光検出
器、２６・・・位相変調器、２８・・・低周波発振器、
３０・・・てし、倍器、３２・・・増中器、３４・・・
位相比較器、３６…積分器、３８・・・バリアブルキャ
パシタダィオード、４１，４２・・・吸収線応答特性。 Ｆｉｇ．ＩＦｉｇ．２ Ｆｉ９．３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定のスペクトル成分を有する光の光源と、気体状
   のアルカリ金属を含み、前記光を受けるように配置され
   ているセルと、前記セルが伝達した光を検出し、伝達率
   を表わす検出信号を発生する装置と、セルに実質的に１
   定の磁界を加えるための装置と、セルによる光の吸収を
   増加させるため、金属原子の超微細スペクトル転移を生
   じさせるようセルに対して電磁波を与えるための装置構
   成と、さらに前記検出信号の変化に反応して電磁波の周
   波数を変調させて、実質的に超微細スペクトル転移の周
   波数に中心合わせするための制御装置とを有する原子周
   波数標準器において、（１） 前記セルとして、内面が
   非不配向層に覆われ、バツフアガスの封入されないセル
   を用いるようにし、（２） 前記装置構成は制御時間定
   数を減少させる目的から、ドツプラー効果によりセルの
   吸収線の巾を広げるために進行波の電磁波を発生させる
   ように設けられていることを特徴とする、原子周波数標
   準器。 ２ 前記装置構成はループを有するような、特許請求の
   範囲第１項記載の原子周波数標準器。 ３ 前記装置構成はループ、およびループに直列に接続
   されたステツプリカバリダイオードを有するような、特
   許請求の範囲第１項記載の原子周波数標準器。 ４ 非不配向層がポリエチレンによって形成されるよう
   な、特許請求の範囲第１項に記載の原子周波数標準器。 ５ 非不配方向層がオルガノシラン（シランの有機誘導
   体）によって形成されるような、特許請求の範囲第１項
   に記載の原子周波数標準器。６ 非不配向層がシリコー
   ンによって形成されるような、特許請求の範囲第１項に
   記載の原子周波数標準器。 ７ 所定のスペクトル成分を有する光の光源が、アルカ
   リ金属蒸気ランプ、ランプ励起装置およびアイソトープ
   フイルターを有するような、特許請求の範囲第１項に記
   載の原子周波数標準器。 ８ ランプがＲｂ８７ランプであり、フイルターがＲｂ
   ８５セルからなり、さらに気体状のアルカリ金属を含む
   セルがＲｂ８７セルであるような、特許請求の範囲第７
   項記載の原子周波数標準器。 ９ アイソトープフイルターおよび、アルカリ金属を含
   むセルが１体構造ないしアセンブリをなすような、特許
   請求の範囲第７項記載の原子周波数標準器。 １０ アイソトープフイルターおよび、アルカリ金属を
   含むセルが１体構造ないしアセンブリをなすような、特
   許請求の範囲第８項記載の原子周波数標準器。