JPS61283183A

JPS61283183A - 原子ビ−ムないし分子ビ−ムの周波数標準の周波数制御方法とその装置

Info

Publication number: JPS61283183A
Application number: JP61117116A
Authority: JP
Inventors: アンドレア・デ・マルキ; ジョヴァンニ・ダニエル・ロヴェラ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-20
Filing date: 1986-05-20
Publication date: 1986-12-13
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: FR2582172A1; IT8520790A0; FR2582172B1; IT1185571B; DE3616967A1; JPH0744297B2; DE3616967C2; CH669874A5; US4692716A

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、電磁波が供給される２つのマイクロ波空洞を
備えた原子ないし分子ビーム装置であって、電磁界の周
波数が、ビームの原子ないし分子の所定遷移の特性周波
数近傍における呼掛は周波数を中心に正弦波信号で時間
変調されており、面′記装置内で空洞を通過するに伴っ
て前記遷移を行ったビームの原子数ないし分子数と比例
する電流が生ずる前記装置を用いて行う方法であって、
前記電流の所定検出特性の関数として制御信号を発生せ
しめ、前記特性周波数と呼掛は周波数との差を減少させ
るべく、前記制御信号の関数として前記電磁界の周波数
を修正することよりなる周波数標準の周波数制御方法に
関する。

尚、呼掛は周波数とは、周波数標準（物性質の測定にお
ける単位となる基準サンプル）が使えるためには、２つ
の共振空洞で電磁界を励起する必要があるが、この電磁
界は、セシウムの特性周波数にできるだけ近似した周波
数を有するものでなけれはならない。この電磁界の周波
数が呼掛は周波数（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ　ｆｒ
ｅｑｕｅｎｃｙ）とも励起周波数とも言われている。

従来の技術面性の如きの方法は、例えば米国特許第２．９７２゜１
１５号や第３，３５４，３０７号に開示されているセシ
ウムビーム装置で実施されている。

添付図面の第１図にこのような装置を示す。この装置は
、セシウム原子ビーム２を発生し、これを、非常に不均
質な磁界を生ずる第１対の偏向磁極片３　ａ、３　ｂを
介して送り出すソース１（オーブン）を備えている。こ
の磁界は、所定方向の磁気モーメントを有して励起状態
にある原子を、反対方向の磁気モーメントを有する原子
から空間的に分離している。

所定の原子２ａは、隣接した２つの共振マイクロ波空洞
４　ａ、　４　ｂにおいて、前記原子の状態の遷移ない
し変化（「スピン」磁気モーメントの方向の反転）を起
す周波数近傍における周波数νの電磁照射波と相互作用
を行う。

前記照射波の周波数がセシウムの遷移特性周波数（９，
１９２，６３１，７７０Ｈｚ）と近ければ近いほど、磁
気モーメントを反転する原子、即ち状態が変る原子の数
が大きい。

第２対の偏向磁極片５　ａ、　５　ｂは、磁気モーメン
ト反転を行った原子２ｂのみが検出器６に達するように
、第２空洞４ｂから出射した原子２ａに影響を及ぼす。

検出器６は公知の態様で、入射原子の数に比例した電流
Ｉを出力する。

機能的な面から言えば、第１図のセシウムビーム装置は
、出力電流■を入力呼掛は周波数νに関係づける公知の
伝達関数に特徴づけられる「ブロツｑＪＤ（第２図）と
、以下の説明でみなすことができる。

前記伝達関数についてはよく知られているところであっ
て、以後に詳述する。

第３図に周波数標準（ｒｒｅｑｕｅｎｃｙ　５ｔａｎｄ
ａｒｄ）を示しているが、これには第１図と第２図とを
参照して説明したセシウム管（ｔｕｂｅ）Ｄが備わって
いる。

第３図に、電圧制御式発振器（ＶＣＯ）から供給される
信号の周波数（例えば５　ＭＨ２）を変調する位相変調
器ｌＯが示されている。発振器（ＶＣＯ）　１１の周波
数は、方形波発振器１２から周波数２ｆｍで始まって得
られる周波数がｆｍの正弦波により時間変調されるので
ある。

この発振器の出力により、入力周波数を半分にして、出
力端から周波数ｒｍで方形波信号を出力する２つの分周
器１３．１４が駆動される。分周器１３の出力はローパ
スフィルター１５に送られ、かくてこのフィルター１５
からは、周波数ｆｍにて実用上正弦波である信号が変調
器１０に供給される。

変調器１０から出力された周波数変調信号は、周波数逓
倍器１６はセシウム管りに、セシウムの特性共振周波数
近傍の呼掛は周波数（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎｒ　
ｒｅｑｕｅｎｃｙ）を中心に正弦波的に時間変調された
周波数を有する信号を供給する。

検出器６からの出力電流■は選択増幅器Ｉ７に供給され
、そこで前記電流から、周波数から変調器ｌＯに供給さ
れた変調周波数、即ち周波数ｆｍの第−調波である正弦
波成分のみが取り出されて増幅される。

増幅器１７と分周器１４からの出力は共にコヒレノト位
相復？Ａ４１８に供給される。この復調器１８は公知構
成であって、その出力は発振器１１の制御入力端に接続
した積分増幅器１９に供給される。

第４図に、公知のセシウムビーム周波数標準と、本発明
による標準との作用を説明するために、一連の波形を示
す。

特に第４図において、周波数「の関数として示しである
Ｉの曲線は、セシウムビーム管の伝達関数であるいわゆ
るラムゼー曲線（パターン）（Ｒａｍ５ｅｙ　ｃｕｒｖ
ｅ　）である。

前記曲線は、Ｆ　＝　３　、ｍＦ　＝　ＯとＦ＝４．ｍ
Ｆ＝０のノーマン偽サブレベル（ＺｅｅＩＩａｎ　５ｕ
ｂｌｅｖｅｌｓ）間での遷移ニツイテ９，１９２．６３
１．７７０１１Ｚテある周波数ｆｃｓにおいて中心ピー
クを有する。

第４図のラムゼー曲線の上方と下方に示したものは、セ
シウム管りに供給された変調周波数νの時間変化を示す
２つのグラフである。

ラムゼー曲線の下方のダラムには、ν（１）とν（３）
とで夫々示した変調周波数νの２つの異った正弦変動を
示している。いづれにしても１、周波数νの時間変動は
周波数ｆｃｓあたりに集中している。そこで、セシウム
管りに供給した信号の周波数が第４図の下方のグラフに
おけるν（１）とν（３）に従って変調されるものと想
定すると、検出器６から出力される電流■は、時間先の
関数として、夫々、第４図の曲線Ｉ（１）とＩ（３）と
で示した波形をとることになる。

よって、変調周波数がラムゼー曲線の中心ピーク近傍に
集中すれば、セシウム管の検出器から生ずる電流は、変
調周波数ｒｍの偶数調波のみ含んだものとなる。従って
、このような場合では、選択増幅器１７はゼロ出力信号
を有することになり、発振器１１の周波数は修正されな
い。

反対に、変調周波数νが、第４図のラムゼー曲線の上方
のグラフに示されているようにラムゼーパターンの中心
ピーク近傍に集中していない場合では、セシウム管の検
出管から、第４図にて１’（１）とｒ　’　（１）とで
示した波形の電流が生ずる。

第４図の曲１ｒ’（１）とｔ’（＊）とは、変調周波数
がラムゼー曲線の中心ピークに集中しない場合、検出器
から生ずる電流は、変調周波数の奇数調波の内容を有す
ることを示している。特に、曲線［’（１）は、大部分
が第一調波の内容であることを示している。この場合、
第３図の選択増幅器１７は、コヒレント位相復調器１８
により振幅と極性とが復調される周波数「ｍにおける成
分を電流■から抽出するように同調されている。

すると、後者、即ち、位相復調器１８の出力端には、周
波数「ｍを基本的には２倍に波形を整流した正弦波であ
る周波数２ｒｍの信号が出力される。この信号は増幅器
１９で増幅、積分された後、発振器１１の周波数をステ
アリングするのに使われる。

しかし乍ら、第５図に示した標準（ｓｔａｎｄａｒｄ）
の前述した作用は、周波数ｒｃｓにおけるセシウム遷移
近傍におけるセシウム遷移の作用を考慮に入れていない
が故に、いくらか理想すぎる。

第５図にいわゆるラビ曲線（Ｒａｂｉ　ｃｕｒｖｅ）を
示すが、これは、管りからの出力電流［が、セシウム遷
移の３つの中心遷移について、横座標上の周波数の関数
であることを示している。

左側の曲線はＦ＝４、ｍＦ＝−１とＦ’＝３、ｍＦ；−
１サブレベル間での遷移に対応しているが、右側の曲線
はＦ＝４、ｍＦ＝ＩとＦ＝３、ｍＦ＝１サブレベル間で
の遷移に対応している。

理想的な場合では、これら２つの側曲線は等しく、中心
曲線を中心として対称をなしており、ラムゼー曲線の中
心ピーク近傍に集中する周波数間隔Ｆにおいて、側曲線
の「ウィング」ないし「尻座（ｔａｉ１）Ｊ（その周波
数間隔において、おおよそ直線セグメントであられされ
る。）が加重（ａｄｄ　ｕｐ）され、結果として第２図
にてＲで示した水平直線セグメントが呈される。

しかし、実際の場合、面記曲線の隣接する遷移に対応す
る尻座は加重して、周波数間隔Ｆ内において、一般にゼ
ロとは異った有限傾斜をなす直線セグメントＲ゛を呈し
ている。

理想的な場合では、隣接する遷移の作用効果は問題には
ならない。前述したようにそれらの組合さった伝達関数
は、管の出力電流の調波成分を変えるには至らない水平
直線セグメントによりあられされる。

現実には、互いに隣接するウィングの組合さった伝達関
数は、一般にゼロ以外の傾斜を示す。それ故、そのよう
な遷移により、変調周波数νが実際に励起された遷移の
特性周波数上で集中したとしても、管の出力電流■に第
一調波成分が生じる。

一般に、基準として用いた遷移に近い遷移により、標準
の周波数にバイアス誤りが生ずる。このようなバイアス
誤りは時間経過に伴って変るので、標準の精度と長期に
わたる安定性とが限られている。

発明の目的本発明の目的は、精度が高く、再現性もよく、かつ長期
にわたって安定しうるとともに、周囲条件に対しては非
常に影響されることのない周波数標準を実現することに
ある。特に周囲条件に影響されるものとしては、ラビラ
イン、例えば空洞におけるマイクロ波電磁界のパワーに
よりラビラインの形状が変ることが考えられる。

本発明によれば前述した目的はＣ呼掛は周波数νを変調
する周波数の第一次よりも高い奇数調波である周波数を
有する成分を前記管の出力電流を抽出し、この成分を振
幅と極性とにおいて一貫して（ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ）
復調することにより出力信号を発生させるように、周波
数標準の周波数制御方法を工夫することによって達成し
うる。更に、本発明は前述の方法を実施する周波数制御
装置にも係わるものである。

また、本発明は、斯る制御装置を備えた周波数ｅｌｆに
も係わるものである。

以後、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を詳述
する。

第６図において、発振器１２と分周器１３との間に入力
信号の周波数を３で分周する分周器＋００が介在されて
いる。それ故、分周器１００の出力端からは、周波数が
ｒｍ／３である対称的な方形波が出力される。

従って、変調器１０にはフィルター１５から、周波数が
ｆｍ／３の正弦波変調信号が出力される。

また、この場合、セシウム管の出力端と接続した選択増
幅器１７は、周波数ｆＩ１１の成分を取出すように同調
されている。しかしながら、この場合では前記周波数は
、変調周波数の第三次調波である。

セシウム管りに供給される被変調周波数が実際に特性周
波数ｒｃｓに集中すれば、選択増幅器１７の出力端から
は、実用上ゼロである信号が出力される。事実、電流Ｉ
は選択増幅器１７により除波された偶数調波のみの内容
と、これまた増幅器１７により除波された。隣接した遷
移により起生ずる変調周波数ｆｍ／３における小さい成
分とを何している。

反対に、管りに供給した被変調周波数が周波数ｒｃｓに
集中していないとすれば、電流■は、第４図において曲
線ｒ　’　（ｉ）で示した如きの波形を有し、周波数ｆ
ｍにおける強力な成分が変調周波数の第三調波に対応し
ている。この第三調波成分は、−貫して復調され、積分
されて、発振器１１に供給すべき制御信号を発生する。

また、この場合、互いに隣接する遷移による影響は、選
択増幅器１７により除波される周波数「ｍ／３における
電流Ｉの成分であるから、はとんど問題とならない。

傾斜しているバックグラウンド信号による問題を克服す
べく第三ｇ？ｌＩＬを検出す多ことはすでに堤案されて
いるとともに、他の分野、特に飽和吸収分光におけるレ
ーザーの周波数安定化に使われている。

原子ビーム周波数標準という特定の分野では、第三調波
の検出は行なわれることがなかったばかりか、反対に、
実行不可能なものと考えられていた。何故ならば、第三
調波を検出したとしても、それは、検出した基本周波数
の振幅に比べて振幅が非管に小さすぎること、それ故に
Ｓ／Ｎ比の損失が受は入れ難い程であるからである。

これが当該分野で専門家が抱いている一般的な考えであ
り、本願発明者でさえ、例えば「メトロロシア（Ｍｅｔ
ｒｏｌｏｇｉａ）Ｊ２０．３７−４７（１９８４）にて
公表した論文ｒＰｕｌｌｉｎｇ　ｂｙ　ｎｅｉｇｈｂｏ
ｕｒｉｎｇ　ｔｒａｎｓｉ−ｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｔ
ｓ　ｅ［Ｔｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａ
ｎｃｅ　ｏｒＣｅｓｉｕｍ　ｂｅａｍ　ｆｒｅｑｕｅｒ
ｌｃｙ　５ｔａｎｄａｒｄｓＪで報告されているように
、そう考えていた位である。

このような考えを批判的に見ていたら、本願発明者は、
第三調波ループで得られるＳ／Ｎ比が第一調波ループで
得られるＳ／Ｎ比と実用上同一であることを分析し、か
つ実験的に確認することかできた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、セシウムビーム周波数標準の概略説明図、第
２図と第３図とは、第１図のセシウムビーム管の機能的
な図解であって、セシウムビーム管を含む従来の周波数
標準のブロック図であり、第４図は、セシウムビーム管
の作用を説明するグラフ、第５図は、実際に使用した中
心遷移と隣接する遷移とに対応する、セシウム管のラビ
曲線を示す特性図、第６図は、本発明による周波数標準
を示すブロック図である。

Claims

【特許請求の範囲】１）電磁界が供給される２つの空洞（４ａ、４ｂ）を備
えた原子ないし分子ビーム装置（Ｄ）であって、電磁界
の周波数がほぼ正弦波の如く、ビーム（２ａ）の原子な
いし分子の所定遷移の特性周波数（ｆｃｓ）近傍におけ
る呼掛け周波数（ν）を中心に時間変調されており、前
記装置内で空洞（４ａ、４ｂ）を通過するに伴って前記
遷移を行ったビームの原子数ないし分子数と比例する電
流（Ｉ）が生ずる前記装置を用いて行う方法であって、
前記電流（Ｉ）の所定検出特性の関数として制御信号を
発生せしめ、前記特性周波数（ｆｃｓ）と呼掛け周波数
（ν）との間の差を減少させるべく、前記制御信号の関
数として前記電磁界の周波数を修正することよりなる周
波数標準の周波数制御方法において、前記電流（Ｉ）か
ら、一次よりも高い奇数調波であるとともに、呼掛け周
波数（ν）を変調させる周波数の成分を取出し、該成分
を振幅と極性とにおいて一貫して復調することによって
前記制御信号を発生させるようにしたことを特徴とする
周波数標準の周波数制御方法。２）特許請求の範囲第（１）項に記載の方法であって、
前記電流（Ｉ）から取出された成分の周波数が、呼掛け
周波数を変調させる周波数の第三次調波であること。３）２つのマイクロ波空洞（４ａ、４ｂ）と、ビーム（
２ａ）の原子ないし分子の所定遷移の特性周波数（ｆｃ
ｓ）近傍における可変呼掛け周波数を中心に正弦波で周
期的に時間変調した周波数で、前記空洞（４ａ、４ｂ）
に電磁界を供給しうる制御式発生手段（１０、１１、１
６）と、前記空洞（４ａ、４ｂ）を介して原子ないし分
子のビーム（２ａ）を供給するビーム供給源（１）と、
前記遷移を行った原子ないし分子（Ｂ）の数と比例する
電流（Ｉ）を発生する検出器（６）とからなり、前記電
流（Ｉ）の所定検出特性の関数である制御信号であって
、特性周波数（ｆｃｓ）と呼掛け周波数（ν）との差を
減少させるように、前記電磁界の周波数を修正するのに
用いる前記制御信号の発生手段（１７、１８）をも備え
た制御装置において、前記制御信号発生手段が、呼掛け
周波数を変調させる周波数であって、一次よりも高い所
定奇数調波の周波数を有する成分を前記電流（Ｉ）から
取出す検出回路（１７）と、該検出回路（１７）に接続
してあって、前記成分を振幅と極性とにおいて復調する
復調器（１８）とから構成されていることを特徴とする
原子ないし分子ビーム周波数標準の周波数制御装置。４）特許請求の範囲第（３）項に記載の装置であって、
前記検出回路（１７）が、呼掛け周波数（ν）を変調さ
せる周波数の第三次調波である周波数の成分を前記電流
（Ｉ）から取出すように同調されていること。５）特許請求の範囲第（１）項から第（４）項のいづれ
かに記載した制御装置を含む原子ないし分子ビーム周波
数標準。