Przedmiotem wynalazku jest atomowy wzorzec czestotliwosci.Znany atomowy wzorzec czestotliwosci zawiera komore z metalem alkalicznym w postaci pary, umieszczo¬ na na drodze promieni miedzy zródlem swiatla zawierajacym pare takiego samego metalu alkalicznego, obejmujacy te komore rezonator wnekowy sprzezony z oscylatorem o regulowanej czestotliwosci, urzadzenie do przykladania do komory statycznego, jednorodnego pola magnetycznego i uklad sterowania oscylatora sprzeze¬ niem zwrotnym z fotoodbiornika na zasadzie wzmocnionej absorpcji swiatla wystepujacej przy równosci czestotliwosci drgan rezonatora z przebiegiem elektronowym w metalu alkalicznym.Atomowy wzorzec czestotliwosci, albo zegar atomowy tego rodzaju jest przedstawiony w opisie patento¬ wym RFN nr 1 143 453. Swiatlo lampy sodowej lub cezowej biegnie przez soczewke i filtr polaryzacji kolowej, a nastepnie przez komore gazowa wypelniona para sodu lub cezu i poprzez dalsza soczewke do fotokomórki.Wyjscie fotokomórki jest przylaczone poprzez wzmacniacz do stopnia porównania fazy, wytwarzajacego poprzez uklad sterowania i potencjometr napiecie dostrajajace oscylator kwarcowy, którego sygnal wyjsciowy poprzez powielacz czestotliwosci pobudza do drgan rezonator mikrofalowy otaczajacy komore gazowa. Przy rezonansie tych drgan mikrofalowych z przebiegiem atomowym w sodzie lub cezie wystepuje maksymalne oddzialywanie na swiatlo przechodzace przez komore gazowa i mierzone przez fotokomórke.Urzadzenie tego rodzaju stanowi dotychczas stosunkowo duzy, drogi i ciezki przyrzad. Wielkosc jego w szczególnosci zalezy od sredniej wielkosci jaka musi miec rezonator wnekowy z umieszczona w nim komora gazowa. Wedlug stanu techniki komora gazowa ma ksztalt kuli i wypelnia jedynie czesciowa cylindryczny rezonator. Rezonator sam jak tak dobrany, ze drga w ukladzie drgan H O 11. Ten rodzaj drgan jest dogodny, poniewaz daje sie latwo wzbudzic i daje silne, jednorodne pole magnetyczne wzdluz osi. Nie mozna jednak dla tego rodzaju drgan obnizyc sredniej wielkosci rezonatora. Sama wielkosc rezonatora i okreslony ta wielkoscia wysoki koszt ekranowania i stabilizacji cieplnej za pomoca termostatu czynia przyrzad duzym, ciezkim i drogim.Objetosci rezonatora wnekowego nie mozna nieograniczenie zmniejszac, gdyz nie dadza sie wzbudzic drgania, przy których pracuje dotychczas rezonator w przyrzadach tego rodzaju. Równiez objetosc komory gazowej rezonatora nie moze byc zbyt mala, poniewaz stosunek jej objetosci do powierzchni scian stalby sie bardzo maly i tym samym zbyt wielki stalby sie wplyw zmian chemicznych wystepujacych na scianach na wlasnosci komory i jej czas zycia.2 90 075 Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji atomowego wzorca czestotliwosci, aby mógl on byc wytwarzany jako maly i tani przyrzad, jednak bez pogorszenia jakosci, zwlaszcza stabilnosci czestotliwosci i stosunku sygnalu do szumów.Rozwiazanie wedlug wynalazku polega na tym, ze komora w zasadzie calkowicie wypelnia rezonator wnekowy i ma zgodny z nim obrys, przy czym co najmniej w jednym, a zwlaszcza w dwóch lub wiecej miejscach symetrycznych do osi lub srodkowej plaszczyzny komory znajduja sie wglebienia sciany komory, np. w ksztalcie scietego stoika lub walca, do których wnikaja polaczone ze scianami rezonatora wnekowego wystepy z metalu lub materialu o duzej stalej dielektrycznej.Rezonator wnekowy ma ksztalt cylindra o srednicy okolo 25—40 mm i w polowie swej dlugosci ma dwa przeciwlegle usytuowane pretowe wystepy, które wnikaja we wglebienia komory na glebokosc wynoszaca do okolo 50%, a najwyzej 80% dlugosci promieni cylindra. Co najmniej jeden z tych wystepów ma nastawna dlugosc.Rezonator wnekowy opierajac sie na komorze przylega do niej co najmniej swa sciana boczna. Rezonator ten korzystnie stanowi równoczesnie pojemnik termostatu do utrzymywania komory w stalej temperaturze.Bezposrednio na rezonatorze wnekowym nawinieta jest cewka magnetyczna stanowiaca urzadzenie do wytwarzania jednorodnego pola magnetycznego. Prad w cewce magnetycznej jest wzbudzany przez regulator pradu sterowany pradem grzewczym termostatu.Termostatyzowane wnetrze rezonatora wnekowego obejmuje równiez fotoodbiomik. Sygnal wyjsciowy fotoodbiornika przez wzmacniacz pradu stalego oraz regulator steruje termostat z umieszczona w nim gazowa lampa wyladowcza stanowiaca zródlo swiatla.Do czolowej sciany komory przylega podwójna sciana rezonatora wnekowego stanowiaca kondensator polaczony z dioda powielajaca sprzegajaca oscylator z rezonatorem. Podwójna sciana posiada okno przepuszcza¬ jace strumien swiatla z lampy wyladowczej do fotoodbiornika. Okno to przesloniete jest warstwa przezroczyste¬ go dielektryka.Wystepy na scianie wewnetrznej rezonatora wedlug wynalazku umozliwily wzbudzanie drgan uzytecznego rodzaju przy czestotliwosci rezonansowej pozadanego przebiegu atomowego równiez w rezonatorze o bardzo malych wymiarach i przy tym uzyskanie takiej konfiguracji pola magnetycznego, przy której pole magnetyczne jest zageszczone w obszarze wystepów ku osi, tak, iz w obszarze przenikania promieni swietlnych w poblizu osi komory wystepuje silne dzialanie przemienne pola magnetycznego i atomów. Poniewaz dla tych wystepów przewidziano cylindryczne wglebienia w komorze, to zajmuja one jedynie bardzo nieznaczna i pornijalna czesc ogólnej pojemnosci, ewentualnie przekroju przeswietlanego promieniami swietlnymi, co pozwala w znacznym stopniu na wykorzystanie dla komory calej pojemnosci rezonatora.Przez bezposrednie wykonanie rezonatora wnekowego jako pojemnika termostatu osiaga sie znaczne korzysci, jednak mala bezwladnosc cieplna malego rezonatora powoduje zwiekszenie wymagan wobec jakosci urzadzenia termostatycznego. Jest jednak mozliwe wykorzystanie w celu uzyskania ekstremalnych nakladów na stabilizacje termiczna uzaleznienia uchybów czestotliwosci nie tylko od zmian temperatury, lecz równiez od zmian przylozonego pola magnetycznego, przy czym oba te wplywy moga sie w korzystnej postaci wykonania urzadzenia kompensowac wzajemnie. W korzystnej postaci wykonania wynalazku prad plynacy w cewce jest regulowany w zaleznosci od zmieniajacego sie wraz z temperatura zewnetrzna pradu grzewczego termostatu.Przez zastosowanie jako pojemnika termostatu rezonatora wnekowego jest mozliwe i szczególnie korzystne umieszczenie równiez i fotoodbiornika we wnetrzu rezonatora, przez co z jednej strony oszczedza sie miejsce, z drugiej zas eliminuje wplywy temperatury zewnetrznej na czulosc swietlna. Ta stabilizacja fotoodbiornika moze w korzystnym wykonaniu byc wykorzystana do tego, aby w znacznym stopniu ograniczyc znane uzaleznianie czestotliwosci od zmian intensywnosci swiatla wypromieniowywanego przez lampe.Prócz tego, temperatura odrebnego termostatu, w którym umieszcza sie wypelniona parami metalu alkalicznego bezelektrodowa lampe wyladowcza jest regulowana dokladnie w zaleznosci od ilosci swiatla odbieranej fotoodbiornikiem.Wytworzone w oscylatorze drgania mikrofalowe sa przekazywane do rezonatora wnekowego za pomoca sprzezenia zawierajacego kondensator i diode powielajaca. Szczególnie korzystne, dopasowane do niewielkich wymiarów rezonatora wnekowego wykonanie kondensatora polega na tym, ze kondensator tworzy podwójna scianke rezonatora bezposrednio na lub w niewielkiej odleglosci od czolowej sciany komory, przy czym ma okienko dla przejscia promieni pomiedzy zródlem swiatla i fotoodbiornikiem. Korzystnie pomiedzy okladzina¬ mi kondensatora umieszcza sie przezroczysty dielektryk, np. mike, który zamyka okienko i zapobiega konwekcji pomiedzy wneka rezonatora i powietrzem zewnetrznym.Przedmiot wynalazku jest blizej objasniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 190 075 3 przedstawia budowe i wzajemne usytuowanie lampy, rezonatora, komory i fotoodbiornika, a fig. 2 schemat blokowy atomowego wzorca czestotliwosci.Na fig. 1 bezelektrodowa gazowana lampa wyladowcza 1, która po opróznieniu jest wypelniona para metalu alkalicznego, np. rubidu o odpowiednim cisnieniu jest otoczona uzwojeniem wzbudzajacym 2 i umieszczo¬ na w termostacie 3, wytwarzajacym podwyzszona temperature (np. 100°C potrzebna do wytworzenia odpo¬ wiedniego cisnienia pary w lampie i utrzymujacym stala wartosc tej temperatury w waskich granicach, poniewaz wydatek swietlny zalezny jest od wahan temperatury i zwiazanych z nimi wahan cisnienia gazu. swiatlo wypromieniowane przez lampe 1 trafia na fotoodbiornik 5 po przejsciu przez ustawiona przed nim komore 4.Komora 4 stanowi cylinder szklany, który jest wypelniony para metalu alkalicznego (np. rubidu) o odpowiednim cisnieniu oraz jednym lub wieloma gazami spowalniajacymi lub buforowymi. Fotoodbiornik 5 stanowi fotoczuly element pólprzewodnikowy. Fotoodbiornik 5 i komora 4 sa ciasno (przedstawiony na rysunku odstep jest powiekszony) otoczone metalowym rezonatorem wnekowym 6 majacym ksztalt cylindra o osi 7. Przednia sciana czolowa 8 rezonatora tworzy lacznie z plyta 10 przylaczona do niej z zewnatrz i umieszczonym pomiedzy nimi dielektrykiem przezroczystym 9 kondensator, którego obie plyty sa polaczone za pomoca diody powielajacej 11, np. diody powielajacej lub diody pojemnosciowej.Obie okladziny kondensatora 8 i 10 maja okienko dla przejscia strumienia swietlnego przesloniete dielektrykiem 9 tak, ze wnetrze rezonatora 6 jest calkowicie odciete od powietrza zewnetrznego i wobec tego moze sluzyc jako pojemnik termostatu.Dla celów regulacji cieplnej stosowane sa nie przedstawione uzwojenia grzejne. Fotoodbiornik 5 i dioda powielajaca 11 sa w ten sposób korzystnie utrzymywane w stalej temperaturze. < Z powierzchni bocznej rezonatora wnekowego 6 na jego srednicy wychodza dwa przeciwlegle i symetrycz- ne pretowe wystepy 12, 13 wykonane jako proste sruby wchodzace w dopasowane do nich cylindryczne wglebienia 14, 15 komory 4. Te prety lub sruby 12, 13 ruchome w celu dokladnego strojenia umozliwiaja tworzenie sie w rezonatorze drgan o specjalnej postaci, która umozliwia zmniejszenie ogólnych wymiarów rezonatora. Dzieki wglebieniom 14, 15 dla pretów 12, 13, potrzebne jest jedynie pomijalnie mala czesc ogólnej objetosci komory 4, tak, ze komora 4 praktycznie moze wypelniac cale pozostale wnetrze rezonatora 6.Do wytwarzania jednorodnego stalego pola magnetycznego skierowanego w przyblizeniu równolegle do kierunku swiatla sluza dwie cewki indukcyjne 16, 17 nawiniete bezposrednio na cylindrycznym rezonatorze.Fig. 2 rysunku przedstawia schemat atomowego wzorca czestotliwosci. Czestotliwoscia wzorcowa jest tu wlasna czestotliwosc atomowa odpowiadajaca róznicy energii miedzy dwoma poziomami nadsubtelnych struktur stanu podstawowego atomów rubidu (i jego izotopu Rb 87). Czestotliwosc ta wynosi okolo 6,8 GHz. Swiatlo wypromieniowane z lampy zasilanej generatorem 20 jest absorbowane przez atomy rubidu w komorze na drodze absorpcji rezonansowej i wprowadza je wstan wzbudzenia. Drgania oscylatora kwarcowego 21 po przejsciu przez stopien wzbudzajacy 22 wprowadzone do rezonatora wnekowego 6, przy rezonansie ze wspomniana atomowa czestotliwoscia wlasna, wywoluja przejscie strukturalne struktur nadsubtelnych to jest zmiane kierunku spinów elektronów wzgledem spinów jadra. Zwieksza sie przy tym zdolnosc absorpcji swiatla przez atomy, a do fotoodbiornika 5 dociera strumien swiatla o mniejszym natezeniu. Te wahania natezenia stosuje sie do regulacji oscylatora kwarcowego 21 za posrednictwem wzmacniacza pradu stalego 23 i stopnia regulacyjnego 24. Na drodze niskoczestotliwosciowej modulacji fazy drgan wysokiej czestotliwosci za pomoca modulatora fazy 25, równiez z fazy sygnalów otrzymanych w fotoodbiorniku 5 uzyskuje sie informacje do regulacji kierunku dostrojenia oscylatora kwarcowego. W ten sposób stale wedlug atomowej czestotliwosci wlasnej dostrajana Czestotliwosc oscylatora kwarcowego, poprzez wzmacniacz separujacy 26, który ma jeszcze stopien przemiany czestotliwosci, zostaje doprowadzona do wyjscia 27, np. w postaci czestotliwosci 10 MHz.W celu poprawienia warunków sygnalu komora 4 jest umieszczona w statycznym jednorodnym polu magnetycznym wzbudzonym przez uzwojenie 17 zasilane generatorem 28. Rezonator wnekowy 6 znajduje sie w stalej temperaturze ustalonej za pomoca termostatu 29. Z termostatu 29 mozna np. doprowadzac do generatora 28 pola magnetycznego sygnal regulacyjny proporcjonalny do pradu grzewczego, aby wywolac zmiany statycznego pola magnetycznego odpowiadajace wahaniom temperatury. W ten sposób kompensuje sie zmiany czestotliwosci rezonansowej wywolane zmianami temperatury, przez co wplyw wahan temperatury na dokladnosc czestotliwosci znacznie sie zmniejsza.W celu dokladnej regulacji czestotliwosci generator 28 pola magnetycznego posiada odpowiedni element nastawczy 30. Dla dalszej poprawy stalosci czestotliwosci wzmacniacz pradu stalego 23 wzmacnia nie tylko skladowa przemienna lecz i skladowa stala pradu fotoodbiornika 5.Sygnal regulacyjny odpowiadajacy tej skladowej stalej sluzy do sterowania temperatury termostatu lampowego 3, poprzez regulator 31. W ten sposób uzyskuje sie posredni wplyw na natezenie strumienia swiatla lampy 1 i kompensuje sie odchylki czestotliwosci w komorze 4 wywolane zmianami natezenia strumienia swiatla.4 90 076 Atomowy wzorzec czestotliwosci wedlug wynalazku, przy stalosci czestotliwosci co najmniej porównywac nej ze staloscia jednego ze znanych przyrzadów, ma wymiary zewnetrzne w przyblizeniu 10 X 10X 10 cm3.Oczywiscie mozliwe sa do realizacji inne niz opisane przyklady wykonania wzorca wedlug wynalazku. Przekrój komory i rezonatora wnekowego nie musi byc kolisty, lecz moze byc np. kwadratowy. Zamiast dwóch pretów 12, 13 mozna stosowac teoretycznie pojedynczy pret lub licznie symetrycznie rozmieszczone prety, aby przy malych wymiarach rezonatora otrzymac jeszcze stabilne postaci drgan. Prety moga byc wykonane z materialu o duzej stalej dielektrycznej. Wplyw termostatu na pole magnetyczne mozna uzyskac przez przepuszczenie czesci pradu grzewczego przez cewke 17. Wglebienia komory moga znajdowac sie poza srodkiem dlugosci komory i byc wykonane wzdluz calej dlugosci. PL