JPS63260225A - 空胴共振器の周波数制御システム - 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、水素メーザ周波数標準器に係り、特に水素メ
ーザ発振周波数を水素原子固有の共鳴周波数に一致させ
るため共振器周波数を自動的に制御する自動同日システ
ムに係り、該共振器周波数変動を該自動同調システムに
おける電子制御系と温度制御系の時定数の違いに合わせ
、前記共振器周波数の基準値からの偏差値を検出し、そ
の検出結果に基づき、前記電子制御系と温度制御系を制
御することにより、該共振器周波数を精度高く制御する
空胴共振器の周波数制御システムに関するものである。

〔従来の技術〕

水素メーザ周波数標準器は、周波数確度がセシューム（
Ｃｓ）原子ビーム周波数標準器より劣っているが１周波
数安定度は現用の周波数標準器の中でも最も優れている
。そのため、ＶＬＢＩ　　（超長基線電波干渉計）、深
宇宙人工衛星の追跡用などの高安定周波数信号源として
必須の機器となっている。

しかるに、このような最先端の技術分野では。

水素メーザ周波数標準器（以下、単に「水素メーザ」と
いう、）の周波数安定度が高ければ高いほど測定精度が
向上するため１周波数安定度の向上が強く要望されてい
る。また、水素メーザ標準器の出力周波数の正確さも併
せ重要なことから水素メーザ共振周波数の稠整改′善も
要望されている。

以下、かかる水素メーザの概要と、共振器同調法とその
システムによる共振周波数制御、メーザ発振周波数安定
度の問題につき、第２図に示したた従来の水素メーザ本
体の模式図により説明する。

９は水素分子が供給されている放電管、１０は放電管内
の水素分子を解離し、水素原子とするための放電用高周
波発振器、１１は解離された水素原子の中からエネルギ
ー準位の高い水素原子を選別するための準位選別マグネ
ット、１２は水素ビーム流量を調整するビーム・シャッ
タ、１３は注入された水素原子をＭ積するための内面を
テフロンで被膜した水素蓄積法、１４は空胴共振器、１
５は該空胴共振器１４の温度を制御するための温度制御
用ヒータ、１６は静磁場を与えるソレノイドコイル円筒
、１７は外部磁場の影響を遮蔽するための磁気シールド
、１８は真空ペルジャー、１９は共振周波数をセンシン
グするための入力用ループアンテナ、２０は前記空胴共
振器１４内の発振出力を取り出すための出力用ループア
ンテナ、２１はイオンポンプを示す。

かかる構造からなる従来の水素メーザの水素ビーム系で
は、準位選別マグネット１１により、水素原子のエネル
ギー準位で　Ｆ＝Ｏ，ｍ７＝ｏの状態及び　Ｆ　−１，
ｒｎｐ　＝　−１の状態にある水素原子は発散し、Ｆ＝
１．ｍＦ＝０．ｍ、ｃ　＝＋１にある水素原子は水素蓄
積法１３内に集束する。

水素蓄積法１３内に注入された水素原子は、該水素蓄積
法１３の内面のテフロン膜の壁と衝突を繰り返しながら
約１秒間近く該水素沼積球１３内に留まり、空胴共振器
１４内の電磁波により励振を受ける。この場合、標準周
波数として利用されるエネルギー準位は、Ｆ−１，ｍ７
＝Ｏの状態からＦ＝０．ｍＰ＝００状態に遷移する周波
数で、約１．４２０，４０５．７５２１１ｚ　（以下、
「標準周波数ｆｏＪという。）である。

いま、空胴共振器１４の共振周波数ｆｃがこの標準周波
数Ｃｏの近傍に調整されていると、水素蓄積法１３内の
Ｆ＝ｌ、ｍ７ｘＱの状態にある水素原子は、空胴共振器
１４内で標準周波数ｆｏに近い電磁波の励振を受け、エ
ネルギー準位の低いＦ＝Ｏ，ｍＦ＝Ｑの状態に遷移する
。

このとき、水素メーザは、放射する電磁波によリメーザ
発振周波数ｆｍで自己発振を起す。このメーザ発振周波
数ｆｍの出力は出力用ループアンテナ２０から取り出さ
れる。

ところで、前記空胴共振器１４の共振周波数ｆＣと水素
原子の標準周波数ｆｏが僅かでも異なっていると、メー
ザ発振周波数ｆｍは標準周波数ｆＯよりシフトしたもの
となる。このシフトした状態でのメーザ発振周波数ｆｍ
と水素原子の標準周波数ｆｏとの周波数関係は、 ｍ−ｆｏ− （Ｑｃ／Ｑｊ）　　（ｆｃ−ｆｏ）　　・・・・・・（
１）となることが知られている。

ここで、Ｑｃは空胴共振器１４のＱ値であり。

Ｑｌは共鳴線のＱ値である。

共鳴スペクトラム周波数の帯域を、Δｆとすると、　　
Ｑβ＝　ｆ　ｍ／Δｆ　で示される。

したがって、共振周波数ｆｃが変動するとメーザ発振周
波数ｆｍが変動し、周波数安定度が損なｒ われる、そのため例えば、Ｑｃ／Ｑｊｌ＝５Ｘ１０ｔ４ のとき、Δｆｍ／ｆｏを１×１０　程度に制御するため
にはΔｆｃを約０　、３　Ｈｚ以下に抑える必要があり
、共振周波数ｆｃの制御はきわめて厳密に行う必要があ
る。そこで、空胴共振器１４は、アルミ又は銅で機械的
に堅牢構造とし、かつ、高精度の温度制御のもとで使用
することにより共振周波数ｆｃの変動を抑えるとともに
、空胴共振器１４の共振周波数ｆｃを水素メーザの標準
周波数ｆｏ近くに調整する共振器同調法を用いる。

この共振器、同調法としては、水素圧クエンチング法と
共振器周波数センシング法などが知られているが、何れ
の同調法も共振器シフト量Δｆｍに比例する誤差信号に
より共振器の温度あるいは共振器に結合したバラクタ・
ダイオードのバイアス電圧を制御し、共振周波数ｆｃを
調整している。

水素圧クエンチング法は、第２図において、水素ビーム
量をビームシャッタ１２により増減調整し、水素蓄積法
１３内の水素原子同志の衝突による緩和率を変えて前記
第（１１式のＱｆを変化させ。

メーザ発振周波数ｆｍの変化量Δｆｍを検出し。

その検出した変化量Δｆｍに比例する誤差電圧でバラク
タ−や共振器温度を制御する。

また、共振器周波数センシング法は、第２図において、
空胴共振器１４に入力用ループアンテナ１９を通して外
部からセンシング用周波数を入れて空胴共振器１４の共
振周波数ｆｃを検出し、その検出した共振周波数ｆｃに
より共振周波数の誤差Δｆｍを得る方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した従来の水素メーザ自動同調法に
よる共振器周波数制御においては、下記のような問題点
があった。

（１）共振器周波数の電子制御系は応答速度は速いが、
制御できる周波数範囲が狭く制御幅から逸出することが
ある。

（２）共振器周波数の共振器温度制御系は時定数が長（
制御が緩慢である。

（３）自動開開により検出した共振器周波数偏差の信号
に雑音が入り易く、そのため電子制御を受けた共振器周
波数が短時間変動を受は易い。

（４）特に共振器が金属製の場合、水素メーザとして必
要な周波数安定度（１ｘｌＯ）を得るために共振器を１
／１０　℃の分解能で温度制御する必要がある。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、前述した共振器周波数制御におけ
る問題点を解消すべ（、下記の方法で共振器周波数を短
時間から長時間に亘り精度高く制御し、水素メーザ発振
周波数の高い確度と安定度が得られるようにした空胴共
振器の周波数制御システム提供しようとするものである
。

（１）共振器の熱容量を大とすることにより、短時間に
おける共振器の温度変動を抑え、共振器周波数の偏差値
の測定時間を延長して検出偏差信号の誤差を減少する。

（２）共振器周波数の電子制御系の時定数の短い特長と
、共振器温度制御系の時定数の長い特長を最適に組合わ
せ、電子制御範囲の狭い欠点を補うとともに短時間から
長時間に亘り共振器周波数を精度高く制御する。

〔作用〕

以下、第１図に基づいて本発明の作用について説明する
。

ループアンテナ２で取出された水素メーザ発振出力は、
共振器周波数偏差検出器３に付与されて空胴共振器１の
共振器周波数の基準値からの偏差値に相当する偏差、つ
まり偏差値信号として該共振器周波数偏差検出器３で検
出される。

そして、その検出された該偏差値信号は、制御信号発生
器４で短時間変動を補正する電子制御信号（第１の制御
信号）と長時間変動を補正する温度制御信号（第２の制
御信号）に分割される。

第１の制御信号は、電子制御信号発生器５によって可変
容量素子（例えば、バラクタ・ダイオード）を制御する
制御電圧に変換され、前記偏差値は制御電圧変化となっ
て制御用ループアンテナ６を介して前記空胴共振器１の
共振器周波数を制御する。

第２の制御信号は、温度制御信号発生器７によって加熱
用ヒータ（温度制御用ヒータ）８を加熱する電力に変換
され、前記偏差値は該加熱用ヒータ８に流れる電流変化
となって共振器周波数を制御する。

〔実施例〕

さらに、第１図により１本発明の一実施例について詳細
に説明する。

１は、短時間内の温度変動を抑えるため熱容量を大きく
採ったメーザ発振用の空胴共振器であって、この空胴共
振器にはメーザ発振出力を外部に取出すためのループア
ンテナ２．電子制御をするためにバラクタ・ダイオード
を介して共振器外の後記する電子制御発生器５と接続す
るための制御用ループアンテナ６と該共振器を所定の温
度に制御するための温度制御用ヒータ（加熱用ヒータ）
８が取付けられている。また、該共振器を所定の温度に
制御する手段として、該共振器にはセンサ（図示せず）
が付設されている。すなわち、このセンサで該共振器の
温度を常時監視し、その結果検出した温度変化量を後記
する温度制御信号発生器７に伝達し、該温度制御信号発
生器７により前記所定の温度になるように前記加熱用ヒ
ータ８を制御する。

この場合、共振器周波数を高（するときは、前記加熱用
ヒータ８に流れる電流を減少し、また該共振器周波数を
低くするときは、該加熱用ヒータ８に流れる電流を増大
するように電力を加えるものである。

用ヒータ８を制御する。

３は、前記ループアンテナ２で取出したメーザ発振出力
から共振器周波数を検出し、その検出した共振器周波数
と水素原子固有の共鳴周波数との偏差値を偏差値信号と
して検出する共振器周波数偏差検出器である。その検出
手法としては、共振器周波数センシング法や水素圧クエ
ンチング法な度がある。

４は、共振器周波数偏差検出器３で検出した偏差値信号
を２分割し、一方を早い応答特性（短い時定数）を有す
る電子制御系（電子制御信号発生器５．制御用ループア
ンテナ６）へ、他方を長い時定数を有する温度制御系（
温度制御信号発生器７、加熱用ヒータ８）へそれぞれ最
適時定数でもって第１及び第２の制御信号として出力す
る制御信号発生器である。

５は、電子制御信号発生器であり、該制御信号発生器４
からの第１の制御信号を受けて共振器周波数と水素原子
固有の共鳴周波数との偏差を修正するための制御電圧を
、可変容量ダイオードに供給し、制御用ループアンテナ
６を通じて該共振器周波数を制御する（第１の制御手段
）。これは。

前記空胴共振器１の大きな熱容量と相俟って短期安定度
を更に向上させるものである。

この場合、共振器周波数を高くするときは、該制御電圧
を上げ、また共振器周波数を低（するときは、該制御電
圧を下げるように制御する。

７は、温度制御信号発生器であり、前記制御信号発生器
４からの第２の制御信号を受け、τ＝ｉｏ’〜１０　　
秒の長い時定数でもって変動した前記共振器周波数を修
正するための情報として例えば。

電力を加熱用ヒータ８に加え、該共振器周波数を制御（
第２の制御手段）して、長期安定度を確保する。すなわ
ち、共振器周波数を高くするときには前記加熱用ヒータ
８に流れる電流を減少し、また該共振器周波数を低くす
るときには該加熱用ヒータ８に流れる電流を増大するよ
うに電力を制御する。

第２図に示す従来の共振器を、仮に堅牢構造とするため
に金属製共振器とすると、共振器周波数変動が約４０ｋ
ｌｌｚ／”Ｃ生ずることから、外部機器などとの不要な
干渉を避けるために、共振器周波数確度を制御電圧ＯＶ
〜ＩＯＶの範囲（制御幅）において１０ｋＨｚ以下に抑
える必要がある。また、水素メーザとして必要な安定度
（ＩＸＩＯ）を得るために、前記共振器を１／１０　℃
の分解能で温度制御する必要がある。それは、使用する
センサ（サーミスタ）の経年変化が０．１℃／年程度で
あり１周波数幅が不足しているからである。

そこで、本発明では、従来の自動同調システムにおいて
１周波数確度を決める温度制御分解能が１／１０　℃１
周波数安定度が１×１０　であったことに鑑み、この条
件の下で、加熱用ヒータ８に流れる電流を温度制御信号
発生器７で制御するとともに、バラクタ・ダイオードの
制御電圧を電子制御信号発生器５により制御する。この
制御方法による発明者の実験結果によれば、上記条件が
満たされていることがわかった。

以上の動作により水素メーザ発振周波数の安定度に直接
寄与する共振器周波数をτ＝１〜１０　　秒の短期から
τ＝１０　〜１０　　秒の長期に至るまで飛躍的に安定
化できることも発明者の実験で確認されている。

〔発明の効果〕 以上、述べたように、本発明に係る空胴共振器の周波数
制御システムは、可変容量素子の制御電圧を電子制御信
号発生器で、また温度制御用ヒータ（加熱用ヒータ）に
流れる電流を温度制御信号発生器でそれぞれ制御するこ
とによって共振器周波数を修正するようにしたので、水
素原子固有の共鳴周波数（ｆＯ）に非常に近い空胴共振
器周波数（ｆ　ｃ）を短時間から長時間に亘って維持で
きるため、極めて高い周波数安定度と周波数確度をもつ
水素メーザ発振周波数（ｆｍ）を出力できるメーザ装置
が得られた。そのため、本発明は超長基線電波干渉計、
深宇宙人工衛星の追跡などの高安定周波数信号源として
利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空胴共振器の周波数制御システムに係
る一実施例を示し、第２図は従来の水素メーザ本体を模
式的に示した図である。 図において、１は空胴共振器、２はループアンテナ、３
は共振器周波数偏差検出器、４は制御信号発生器、５は
電子制御信号発生器、６は制御用ループアンテナ、７は
温度制御信号発生器、８は温度制御用ヒータ（加熱用ヒ
ータ）、９は放電管、１０は放電用高周波発振器、１１
は準位選別マグネット１２はビームシャッタ、１３は水
素蓄積法、１４は空胴共振器、１５は温度制御用ヒータ
、１６はソレノイドコイル円筒、１７は磁気シールド、
　１８は真空ペルジャー、１９は入力用ループアンテナ
、２０は出力用ループアンテナ、２１はイオンポンプを
それぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 熱により収縮又は膨張する材料で作られた空胴共振器（
   １）と； 該空胴共振器（１）に付帯した加熱用ヒータ（８）と；
   該空胴共振器（１）の共振周波数の基準値からの偏差値
   を検出する共振器周波数偏差検出器（３）と；該検出器
   （３）によって検出された偏差値信号から第１及び第２
   の制御信号を得るようにした制御信号発生器（４）と； 該第１の制御信号を受けて、該空胴共振器（１）の共振
   周波数を制御する電子素子を含む第１の制御手段と； 該第２の制御信号を受けて、該加熱用ヒータ（８）の電
   流を制御する第２の制御手段とを備えた空胴共振器の周
   波数制御システム。