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Atomuhr Die Erfindung betrifft eine Atomuhr, bei der in einer Gaszelle
befindliches Gas eine charakteristische Resonanzfrequenz aufweist, die atomar bedingten
Übergängen zwischen den Energiezuständen des Gases entspricht, und bei der eine
auf diese Resonanzfrequenz abgestimmte Hochfrequenzenergiequelle phasenkohärente
Impulse von gegebener Dauer erzeugt und wobei an die Gaszelle ein Mikrowellenhohlraumresonator
in einer bestimmten Richtung zu dem elektromagnetischen Feld der Hochfrequenzquelle
angeschlossen ist und die phasenkohärenten Hochfrequenzimpulse die Energieübergänge
in der Gaszelle anregen und am Ende der Impulse ein resultierendes phasenkohärentes
Signal der Emission induzieren.
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Im allgemeinen wird die Verbreiterung der für das System charakteristischen
atomaren oder molekularen Resonanzlinie in einer Gaszelle vorwiegend durch die thermische
Geschwindigkeit der Atome oder Moleküle hervorgerufen, wobei die Richtung des angewendeten
Hochfrequenzfeldes eine Rolle spielt. Diese Erscheinung ist als Dopplereffekt bekannt.
Eine Verminderung dieses Effektes kann durch Zusatz von nichtmagnetischen Bremsgasen
bewirkt werden. Der Verkleinerung der Bandbreite ist aber schließlich durch die
thermischen Kollisionen zwischen Atomen oder Molekülen eine Grenze gesetzt.
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Die in den Gaszellen befindlichen Atome mit Relaxationszeiten, die
größer sind als die mittlere Laufzeit in der Zellenumhüllung, können mehr als einem
einzigen Hochfrequenzimpuls ausgesetzt werden. Die dann erreichte Resonanzlinie
hat eine für die Wiederholungsimpulsfrequenz charakteristische Breite, die um ein
Vielfaches gegenüber der natürlichen Linienbreite verringert werden kann.
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Man hat Atomuhren, die als Frequenznormal Zellen mit gasförmigem Alkalidampf
verwenden, optischem Pumpen unterworfen und dabei Energieübergänge erreicht, durch
welche die charakteristischen Resonanzspektrallinien bei einer ganz bestimmten Frequenz
erzeugt werden. Jedoch verursachen die Bremsgase in der Zelle eine ihrem Druck entsprechende
Verschiebung der atomaren Resonanzfrequenz. Eine zusätzliche Verschiebung wird durch
Änderungen in der Lichtintensität der zum Pumpen verwendeten Lichtquelle hervorgerufen.
Somit werden durch diese Atomuhren keine absoluten Zeitnormale erreicht. Sie werden
daher als sekundäre Normale verwendet, die sich entsprechend den Lichtänderungen
mit der Zeit leicht verschieben. Es ist auch bekannt, Mischungen mehrerer Gase zu
verwenden, durch die die Empfindlichkeit der atomaren Resonanzfrequenz gegenüber
dem Druck und der Temperatur der Gaszelle verringert wird, während durch spezielles
optisches Filtern oder durch Hochdruckbremsgase die Lichtverschiebungen vermindert
werden können. Es war jedoch bisher nicht möglich, diese gewünschten Resultate in
einer einzigen Vorrichtung zu erzielen.
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Bei in jüngster Zeit durchgeführten Versuchen zur Verkleinerung der
Bandbreite wurden Mikrowellenimpulse in Verbindung mit bekannten Zeemann-Niederfrequenzimpulsen
verwendet, um atomare Energieniveauübergänge in einer besonderen Phasenbeziehung
zu erreichen. Für das optische Pumpen wurden Lichtimpulse und als Demodulator die
optische Absorption durch die Gaszellen verwendet. Die optische Transparenz einer
Zelle ist jedoch nicht immer ein echtes Maß für den Zustand der Orientierung der
Atome: Es entstanden auch Schwierigkeiten beim Abschirmen der empfindlichen Apparatur
gegenüber unerwünschten äußeren Magnetfeldern. Schließlich ist auch der Rauschabstand,
d. h. das Signal-Rausch-Verhältnis, in dem demodulierten Signal infolge des Rauschens
in der Lichtquelle verhältnismäßig klein. Die Beseitigung der Lichtverschiebung
durch ein zuverlässigeres Verfahren würde daher eine bedeutende Verbesserung darstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Gaszellenfrequenznormal
zu schaffen und die Breite der Spektrallinie zu verkleinern. Ferner
stellt
sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Stabilität von Atomuhren durch Beseitigen
der durch das optische Pumpen hervorgerufenen Frequenzverschiebungen zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Atomuhr gelöst, die gekennzeichnet ist
durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) eine optische Pumpe, die Lichtimpulse
in die Zelle synchron mit den phasenkohärenten Hochfrequenzimpulsen sendet, um das
während der Abwesenheit der Lichtimpulse induzierte phasenkohärente Signal der Emission
zu vergrößern, wobei die Lichtimpulse vor dem Ende der Hochfrequenzimpulse beendet
sind; b) einen Mikrowellenempfänger und Torschaltungen, die einen ersten Teil des
induzierten kohärenten Signals der Emission demodulieren und verstärken; c) einen
Frequenzmodulator, der mit einem Niederfrequenzsignal die Hochfrequenzenergie moduliert
und ein Phasenbezugssignal erzeugt, wobei der Modulator eine Amplitudenmodulation
des ersten Teils des Signals der Emission bewirkt und dieses amplitudenmodulierte
Signal bezüglich der Frequenz eine Linienbreite aufweist, die umgekehrt proportional
der Dauer jenes Hochfrequenzimpulses ist; d) eine Integratorschaltung, die ein niederfrequentes
sinusförmiges Signal aus einer Vielzahl jener amplitudenmodulierten Teile des Signals
der Emission bildet; e) einen Detektorkreis, der die Phasendifferenz zwischen dem
sinusförmigen Signal und dem Bezugssignal demoduliert und ein Fehlersignal erzeugt;
f) eine Regeleinrichtung, die das. Fehlersignal zur Steuerung der Frequenz der Hochfrequenzquelle
einer Abstimmvorrichtung zuführt; g) eine Steuervorrichtung, die die Dauer und Folge
der phasenkohärenten Impulse der Hochfrequenz steuert und mehrere Oszillationsmamma
in dem Signal der Emission im Bereich der Resonanzfrequenz erzeugt, und h) einen
Selektivkreis, der das der Resonanzfrequenz am nächsten liegende Maximum auswählt
und ein diesem entsprechendes Fehlersignal zur Steuerung der Hochfrequenzquelle
erzeugt.
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Bei dieser Atomuhr bedient man sich einer Mikrowellenpulskohärenztechnik,
bei welcher die optische Pumpfrequenz von der Mikrowellendemodulationsfrequenz getrennt
ist. Beim Anwenden von Impulsen mit atomarer Resonanzfrequenz, und zwar unmittelbar
am Ende dieses Impulses, verbleibt eine resultierende Komponente einer atomaren
Magnetisierung, die mit der Zeit infolge der Relaxationswirkung abfällt und in dem
die Gaszelle einschließenden Mikrowellenresonanzhohlraum ein Signal erzeugt. Dieses
Signal wird im folgenden als Signal der kohärenten Emission bezeichnet. Beim Anwenden
eines zweiten phasenkohärenten Mikrowellenimpulses zur Erregung der präzidierenden
Atome ist es möglich, die Magnetisierung des atomaren Systems entweder zu verstärken
oder zu vermindern, was von der Frequenz der Mikrowellenanregung abhängt. Die Amplitude
des induzierten Signals gibt unmittelbar am Ende des zweiten Mikrowellenimpulses
ein Oszillationsdiagramm von schmalen Linien, wenn die Frequenz der Mikrowellenerregung
um die Resonanzfrequenz variiert wird. Diese Erscheinung ist als Ramsey-Bild bekannt,
welches in diesem Fall eine Resonanzlinie von einer Breite darstellt, die für die
Impulswiederholungsfrequenz charakteristisch und beträchtlich schmaler als die natürliche
Linienbreite ist. Andererseits erzeugt das Signal am Ende des ersten Mikrowellenimpulses
die typisch breitere Resonanzkurve des atomaren Übergangs, wobei das breite und
das schmale Linienbild mit im wesentlichen derselben Hüllkurve ausgebildet sind
und bei welchem beide Signale für Steuerungszwecke verwendbar sind. Diese Wirkung
konnte mit früheren Atomstrahlenverfahren, bei welchem beim Abtasten der Atome in
einem langen Hohlraum durch einen ersten Impuls eine unerwünschte Wechselwirkung
mit einem zweiten Impuls stattfand, nicht erreicht werden.
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Um das Signal-Rausch-Verhältnis des Demodu-Tation des durch den Impuls
induzierten Signals der kohärenten Emission zu verbessern, wird die Gaszelle optisch
gepumpt. Hierdurch wird der Austausch in den Besetzungszuständen der Atome in den
beiden stabilen Energieniveaus, zwischen denn, ein übergang stattfindet, vermehrt.
Die Verwendung von kontinuierlichem Licht zum optischen Pumpen würde die Wirkung
haben, daß die Relaxationszeit der Atome verkürzt und zwischen den beiden induzierten
Mikrowellenimpulsen durch optische Erregung der präzedierenden Atome eine Phaseninkohärenz
hervorgerufen würde. Es ist somit eine sorgfältige zeitliche Einstellung der Lichtimpuls-
und Mikrowellenimpulsfolge nötig, um die Phasenkohärenz und ein Spektrum mit gut
definierten Maxima zu erhalten. Falls der Impuls des Resonanzlichtes beendet" ist,
bevor der Hochfrequenzimpuls abgeschattet ist, um so länger präzidieren die verbliebenen
Atome im Dunkeln, und der zweite Hochfrequenzimpuls kann angewendet werden. Es kann
dann ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis und eine größere Relaxationszeit erhalten
werden. Da die Demodulation der durch die Mikrowellen angeregten Emission nach dem
Abklingen des Lichtimpulses stattfindet, werden Verschiebungen der Lichtfrequenz
verhindert.
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Bei einem diese Technik anwendenden System erfolgt die Demodulation
der induzierten Impulse der härenten Emission mittels eines Mikrowellenempfängers,
der an den die Gaszelle enthaltenden Mikrowellenhohlraumresonator angekoppelt ist.
Das Mikrowellensignal wird einer engen Frequenzmodulation geringen Grades unterworfen.
Die Modnlationshülle erscheint am Ausgang des Empfängerdetektors. Der Lichtimpuls
und der erste und zweite Mikrowellenimpuls werden periodisch wiederholt und erzeugen
ein integriertes Modulationssignal. Vergleicht man die Phase dieses Signals mit
der Bezugsmodulation in einem Phasendetektor und führt man das Fehlersignal an einen
Kristalloszillator zurück, so ist der Oszillator mit der Resonanzfrequenz der Gaszelle
synchronisiert.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welcher ein
Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt ist. Es zeigt F i
g.1 ein Blockschaltbild des Systems nach der Erfindung,
F i g. 2
verschiedene Impulsbilder, wie sie in entsprechenden Teilen der Schaltung auftreten,
F i g. 3 Resonanzkurven des Systems für verschiedene Mikrowellenimpulse.
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In der F i g. 1 ist eine Gaszelle 10 dargestellt, die Rubidium 87
enthält und durch eine Filterzelle 12 mit Rubidium 85 optisch gepumpt wird. Die
Filterzelle ist nur dann notwendig, wenn ein Strahlungszustand oder eine Maserfunktion
mit Umkehrung der Besetztzustände im Rubidium 87 vorliegt. Ohne die Filterzelle
arbeitet die Rubidium-87-Zelle wie eine Absorptionszelle. In beiden Fällen kann
eine Anregungsemission am Ende des Mikrowellenimpulses erzeugt werden. Das Verfahren
ist somit zur Erreichung eines Frequenznormals bei Absorptions- oder Emissionsbedingungen
anwendbar. Zusätzlich können noch andere Alkaliatome, wie Wasserstoff, Kalium, Natrium
oder Caesium, direkt in der Gaszelle ohne eine Filterzelle benutzt werden. Auch
ist eine entsprechende Anwendung einer Gaszelle mit Ammoniakmolekülen möglich. Im
allgemeinen enthält die Zelle nichtmagnetisches Bremsgas, wie Neon, Argon, oder
andere Edelgase, Stickstoff oder Wasserstoff oder Mischungen hieraus, um die Linienbreite
weiter zu reduzieren, die Wirksamkeit des optischen Pumpens zu verbessern und die
Empfindlichkeit der Frequenz gegenüber thermischer Beeinflussung zu vermindern.
Die Gaszelle ist innerhalb eines Mikrowellenhohlraumresonators 14 untergebracht,
der bei einer charakteristischen Frequenz erregt wird, die der bekannten Energietrennung
der Hyperfeinniveaus des Dampfes im Grundzustand entspricht. Da der angewendete
0-0-Hyperfeinübergang magnetisch ist, kann nur dann eine Einstrahlung stattfinden,
wenn die magnetischen Kraftlinien Ho des Hochfrequenzfeldes parallel zu jedem vorhandenen
Gleichstrommagnetfeld sind. Es wird aus diesem Grund ein Hohlraumresonator des Typs
TE", benutzt, dessen Achse parallel zu einem konstanten homogenen Magnetfeld verläuft,
das im Bereich dieser Zelle in der Größenordnung von wenigen Zehnteln Oersted ist.
Die Mikrowellenfrequenz wird durch Vervielfachung einer vorbestimmten Teilfrequenz
durch einen stabilen Kristalloszillator 16, beispielsweise bis zu 60 MHz, am Multiplier
17 erzeugt. Die gewünschten Harmonischen werden durch eine Varactordiode 18 bis
zu der charakteristischen Frequenz von 6834 MHz erhalten. Eine Modulation geringen
Grades der Frequenz wird dadurch vorgenommen, daß man die Ausgangsspannung des Modulators
19 an eine Niederfrequenzstufe 20 einer Multiplierkette zur Phasenmodulation anlegt.
Ein in der Multiplierkette geschalteter Verstärker 21 wird durch vom Oszillator
22 kommende Impulse aufgetastet und leitet die Mikrowellenenergie in Impulsen verschiedener
Länge und in verschiedenen Zeitfolgen weiter, ohne daß dabei die Phasenkohärenz
in aufeinanderfolgenden Impulsen verlorengeht.
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Die Demodulation der mikrowellenerregten Emission am Ende des Hochfrequenzimpulses
wird durch einen an den Hohlraumresonator angeschlossenen Überlagerungsempfänger
vorgenommen. Das Signal wird mit demjenigen eines örtlichen Hilfsoszillators 23
in einer Mischstufe 24, beispielsweise einer symmetrischen Schaltung mit Siliziumdiode,
gemischt und als eine Zwischenfrequenz von 60 MHz einem Zwischenfrequenzverstärker
26 zugeführt. Zur Vermeidung einer übersteuerung legt ein Tastverstärker 28 den
Empfänger in dem Zeitraum still, in welchem der starke Mikrowellenanfangsimpuls
in den Hohlraumresonator gesendet wird. Die Bandbreite des Verstärkers ist so bemessen,
daß die Zeitkonstante der Schaltung klein genug ist, daß keine Störung des exponentiellen
Abfalls der angeregten Mikrowellenemission in der Gaszelle stattfindet, die dem
Impuls folgt. Eine zweite Mischung ist mittels des örtlichen Oszillators 30 bei
60,1 MHz vorgesehen, wobei die resultierende 100-kHz-Trägerwelle von der Mischstufe
32 kommend in der Schaltungsanordnung 34 verstärkt und demoduliert wird. Die doppelte
Demodulation begünstigt die Verschmälerung der Bandbreite und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
Diese Zwischenfrequenz wird dann in zwei getrennten Kanälen weitergeleitet, von
denen jeder unabhängig voneinander ausgetastet werden kann, um entweder die Ausgangsspannung
am Ende des ersten Hochfrequenzimpulses oder am Ende des zweiten Hochfrequenzimpulses
auszuwählen. Die Notwendigkeit dieser beiden Kanäle wird im folgenden näher beschrieben.
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Die Ausgangsspannung der Torschaltungen 38 und 40 wird durch je eine
Integratorschaltung 42 und 44 geleitet, in welchen ein sinusförmiges Signal erzeugt
wird, welches dann entsprechenden Phasendemodulatoren 46 und 48 zugeleitet wird.
In diesen wird die Bezugsspannung von dem Niederfrequenzmodulator 19 abgenommen.
Dieser beeinflußt auch den Mikrowellenträger und erzeugt eine geringe Frequenzmodulation
niederen Grades. Das Fehlersignal aus dem Phasendemodulator wird über einen von
einem Taktrelais 50 gesteuerten Schalter 51 und eine geeignete Regeleinrichtung
52, die zur Abstimmung einer Kapazität 36 vorgesehen ist, an den Kristalloszillator
16 zur Steuerung seiner Frequenz angelegt. Das zum optischen Pumpen verwendete Resonanzlicht
54 wird synchron mit den Impulsen des Oszillators 22 zu Schwingungen angeregt, und
zwar mittels eines zusätzlichen Hochfrequenzoszillators 56, der die Gasentladungen
verursacht. Zur Steuerung dieser Lichtimpulse kann auch beispielsweise eine motorangetriebene
Lochscheibe verwendet werden, die mit dem Oszillator 22 synchronisiert ist.
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Die F i g. 2 zeigt die Folge und Lage von verschiedenen Hochfrequenz-
und Lichtimpulsen und diesen entsprechend getastete Ausgangsspannungen am Verstärker.
Für die Mikrowellenimpulse A wird eine Wiederholungs-Grundfrequenz sichergestellt,
und zwar so, daß die Frequenz der Lichtimpulsfolge B die Hälfte der Frequenz
der Impulse A beträgt. Die Lichtimpulse beginnen früher als die Mikrowellenimpulse.
Eine Periode der Lichtimpulse endet bereits vor dem Ende des zweiten Mikroimpulses.
Wenn die Atome genügend lange Relaxationszeiten haben, erzeugt die durch Mikrowellen
angeregte Emission ein Signal am Ausgang des 100-kHz-Verstärkerdemodulators 34.
Die Hüllkurven sind als exponentiell abfallende Impulse C und D dargestellt. Die
Torschaltungen 38 und 40 erzeugen eine geringere Breite des ersten Teiles dieser
Exponentialimpulse E und F. Bei einer Mikrowellenzwischenfrequenz, die mit einer
niederen Frequenz in der Größenordnung von 5 Hz moduliert wird und eine Durchschnittsfrequenz
an einer Seite der Maxima der atomaren Resonanzkurve hat, ist der Ausgang an den
Torschaltungen 38 und 40 ein amplitudenmoduliertes Signal, das in bekannter
Weise
durch Frequenzmodulation der Trägerwelle erzeugt wird, welches die Resonanzkurve
beeinflußt und die Wirkung eines Linearfrequenzdiskriminators hat. Ein sinusförmiges
Signal G und H kann bei der Modulationsfrequenz durch die Integratorschaltungen
42 und 44 erzeugt werden. Während einer Periode der Modulation sind mindestens vier
oder fünf Impulse notwendig. Das sinusförmige Signal wird einem Phasendemodulator
46 und 48 zugeführt, der eine Fehlerspannung für die Regeleinrichtung 52 liefert
und die Frequenz des Kristalloszillators korrigiert, so daß sie mit dem Scheitel
der Atomresonanzkurve zusammenfällt.
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In F i g. 3 sind Resonanzkurven 1 und J dargestellt, in der die Amplitude
gegenüber der Frequenz aufgetragen ist. Diese Kurven entsprechen dem Ausgang der
entsprechenden Torschaltungen 38 und 40, und zwar nach den ersten und zweiten Mikrowellenimpulsen.
Es ist ersichtlich, daß die von dem ersten Impuls stammende Kurve I ein breites
wohldefiniertes Maximum hat, während der zweite Impuls eine Kurve J mit mehreren
Maxima und Minima innerhalb einer der ersten Kurve entsprechenden Hüllkurve erzeugt.
Eine schmale erste Resonanzkurve vermindert somit die Anzahl der Maxima in der zweiten
Kurve. Die Linienbreite einer halben Amplitude der Resonanzkurve 1 nähert sieh dem
Wert 1/t, wobei t die Dauer des Mikrowellenimpulses A ist, während der Abstand zwischen
den Schwingungsmaxima in der Kurve J ungefähr umgekehrt proportional dem Zeitintervall
T zwischen den Mikrowellenimpulsen ist, wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist. Da
die Ausgangsspannung an der Torschaltung 40 eine Kurve darstellt, die wesentlich
schmalere Linienbreiten hat als diejenige am Ausgang der Torschaltung 38, kann der
; Ausgang des Phasendetektors 48 vorteilhafterweise dazu ausgenutzt werden, den
Kristalloszillator mit dem Frequenzmaximum der Atomresonanz zu synchronisieren.
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Bei mehreren Maxima in der Kurve J ist es erforderlich, eine Methode
zur Auswahl desselben Spitzenwertes herauszufinden, um Mehrdeutigkeit zu vermeiden.
Dieses kann durch das Taktrelais 50 erreicht werden, das bei Erregung mittels von
der Stromquelle 58 gelieferten Stromes zuerst die Ausgangsspannung des Phasendemodulators
46 an die Regeleinrichtung 52 anschließt und den Kristalloszillator mit der genau
definierten ersten Frequenz f1 der Kurve I synchronisiert. Nach einer eingestellten
Zeit schaltet das Relais um und verbindet den Ausgang des Phasendetektors 48 mit
der Regeleinrichtung und synchronisiert den Oszillator mit der Resonanzfrequenz
f E der Kurve J in der Nähe von f l. Man kann geeignete Einstellmöglichkeiten
für die Impulsbreite und den Wiederholungsgrad vorsehen, um einen eindeutigen Scheitelwert
auszuwählen. Während des Schaltintervalls hält die Zeitkonstante der Regeleinrichtung
den Kristalloszillator bei der ersten Frequenz fest. Danach verbleiben das Relais
und der Kristall in der zweiten Frequenzlage, bis daß die Stromquelle abgeschaltet
wird. In ähnlicher Weise können andere geeignete Grob-Fein-Abstimmsysteme verwendet
werden.
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Bei einer plötzlichen Frequenzänderung des Kristalloszillators kann
es geschehen, daß infolge der Zeitkonstante der Regeleinrichtung die Frequenz an
einem anderen Punkt als bei dem gewünschten Scheitelwert festgehalten wird. Um diesen
Fehler zu verhindern, kann ein zweiter Integrator 60 an die Torschaltung 38 angeschlossen
werden, um nur die ge^ raden, und zwar vorwiegend die 2. Harmonischen der Modulationsfrequenz
zu erzeugen. Diese Schaltung wird zur Kontrolle der Signalstärke verwendet, um die
Differenzen zwischen den Scheitelwerten zu verstärken und den optimalen Punkt für
eine genaue Synchronisation auszuwählen. Die 2. Harmonische wird verstärkt, gefiltert
und dann aufs Taktrelais gekoppelt. Wenn das Signal unter eine vorbestinxtnte Höhe
abfällt, wird das Relais betätigt und die :ursprüngliche Schaltfolge wiederholt.
Dieses ereignet sich, wenn das Signal zu schwach ist oder wenn die Frequenz des
Kristalls nicht der Resonanzfrequenz f 1 entspricht. Somit wird eine fehlerhafte
Synchronisation mit dem Festhalten der Scheitelfrequenz verhinfiert, wenn dieser
nicht der Frequenz f, entspricht.
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Bei dem beschriebenen Schaltsystem hängt die Lage der Frequenzscheitelwerte
am Ausgang des zweiten Impulses nicht von der Breite der Mikrowellenimpulse ab,
sondern direkt von dem Abstand zwischen den einzelnen Impulsen. Dieser Abstand kann
genau gesteuert werden, um die gewünschte Fixfrequenz als ein hochstabiles Normal
zu erhalten. Bei der vorliegenden Einrichtung kann eine .vom Kristalloszillator
gelieferte Wiederholungsfrequ= vorgesehen sein, die um mehrere Größenordnungen exakter
ist, als zur Zeitmessung erforderlich ist, und zwar durch einen Frequenzerzeuger
62, der an den Kristalloszillator 16 angeschlossen ist und den impulserzeugenden
Oszillator 22 steuert. Somit stellt der gleiche Oszillator, der durch die atomaren
tbergänge gesteuert wird, auch die notwendige Genauigkeit für die Zeiteinhaltung
der Impulse her. Von dem Frequenzerzeuger 62 wird nur eine Genauigkeit von einem
Bruchteil in der Größenordnung von 108 gefordert, während der Kristalloszillator
16 in :einer Größenordnung von 101E durch die atomaren über gänge gesteuert wird.
Es ist auch erforderlich, .eine durch Resonanzlicht erzeugte Beleuchtung der Rubidium-87-Zelle
durch die beiden Mikrowellenimpulse zu verhindern, da schon ein geringfügiger Betrag
von Resonanzlicht die Bildung der gewünschten An-Sprechkurven des Impulsbildes am
Ende des zweiten Impulses verhindern würde. Durch Anregung der präzidierenden Atome
auf hohe Energieniveaus erzeugt das Licht eine Phaseninkohärenz zwischen den beiden
induzierten Impulsen.
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Einte weitere Abwandlung des beschriebenen Systems besteht darin,
daß man an Stelle von zwei kohärenten Impulsen nur einen einzigen ausgedehnten Impuls
benutzt, wenn das Zeitintervall zwischen den Impulsen für die Relaxation genügend
lang ist, um eine Interferenz zwischen aufeinanderfolgendeu Impulsen zu verhindern.
Wie in Verbindung mit F i g. 2 und 3 dargestellt ist, beträgt die volle Linienbreite
bei einem halben Maximum der Resonanzkurve I in der Nähe des Wertes t des optimalen
Signals ungefähr 1/t. Da die Frequenz vom Resonanzpunkt abfällt, haben die Nebenmaxima
eine wesentlich geringere Höhe. Es wurde jedoch experimentell ermittelt, daß Nebenmaxima
und -minima, ähnlich dem Bild der Kurve J, mit einem einzigen, länger dauernden
Eingangsimpuls stärker in Erscheinung treten. In diesem Fall entspricht der Abstand
zwischen den Nebenmaxima ziemlich genau dem Wert 1/t. Man kann sich diesen Effekt
dadurch erklären, daß die ausgerichteten Atome durch ve.schiedene
Teile
der Gaszelle, in denen das Hochfrequenzfeld verschiedene Stärke und Phasen aufweist,
hindurchdiffundieren. Es ist dann genügend Zeit vorhanden, daß die Atome äquivalenten
zweiten Impulsen ausgesetzt zu sein scheinen.
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Eine praktische Schaltung von genügender Genauigkeit und ausreichendem
Signal-Rausch-Verhältnis kann unter Verwendung eines einzelnen Impulses von längerer
Dauer erhalten werden. In dem Blockschaltbild gemäß F i g. 1 würde in diesem Fall
die Torschaltung 40 nicht erforderlich sein, da der Ausgang der Torschaltung 38
allein dazu benutzt werden könnte, die Oszillatorfrequenz bei dem bestimmten Scheitelwert
zu halten. Eine Übersteuerung des Empfängers wird wiederum dadurch verhindert, daß
bis zum Ende des Hauptimpulses ein Austastzustand aufrechterhalten wird. Das durch
die Anregungsemission entstehende optimale Maximum kann nun von Hand dadurch eingestellt
werden, daß man bei offener Servoschleife den Frequenzbereich des Oszillators überstreicht
und die Amplituden direkt beobachtet. Bei dem gewünschten Spitzenwert ist dann die
Schleife zu schließen. Dieses kann auch automatisch durch eine Schaltung vorgenommen
werden, die die Anzahl der Durchgänge der Amplitude durch ein Maximum zählt und
die Schleife schließt, wenn der ausgewählte Spitzenwert erreicht ist.
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Obschon vorstehend nur eine Folge von zwei Mikrowellenimpulsen erwähnt
wurde, um die Verengung der Linienbreite zu erzielen, kann natürlich auch eine Folge
von drei, vier oder mehr Frequenzimpulsen verwendet werden, um die Linienbreite
noch weiter zu reduzieren. Dieses hängt auch von der Relaxationszeit der Atome in
der Gaszelle ab, die um so größer sein muß, je kleiner die Anzahl der Impulse in
der Folge ist. In jedem Fall sollten keine Lichtimpulse zwischen dem Ende des ersten
Mikrowellenimpulses und dem Ende des letzten Mikrowellenimpulses der Folge erzeugt
werden, um die Phasenkohärenz zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zu bewahren.
Bei praktischen Anwendungen jedoch kann die Verkleinerung der Linienbreite bei Verwendung
von mehr als zwei kohärenten Impulsen durch den Rauschabstand der Demodulation begrenzt
werden.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung ausgezeichnete
Vorteile gegenüber den bisherigen Gaszellenfrequenznormalen mit optischen Demodulationsmethoden
aufweist. Änderungen in der Lichtintensität haben keine Wirkung, da die Demodulation
durch den Mikrowellenempfänger bei. ausgeschaltetem Licht stattfindet. Da keine
Lichtverschiebung auftritt, ist die Verwendung eines Bremsgases von hohem Druck
nicht erforderlich. Hierdurch wiederum wird eine Temperaturverschiebung, die dem
Gasdruck proportional ist, vermindert, und man erhält sehr niedrige Temperaturkoeffizienten.
Dieses Verfahren ist auch bei Verwendung anderer Alkalimetalldämpfe anwendbar, wie
z. B. Wasserstoff, Kalium, Natrium oder Caesium. Die Verwendung des letztgenannten
Gases wiederum ist insbesondere bei einer höheren Betriebsfrequenz günstig, da eine
größere Stabilität über einen langen Zeitraum gewährleistet ist und kleinere Apparaturen
verwendet werden können. Der Verwendung von Caesium war bisher eine Grenze durch
die Schwierigkeiten gesetzt, die in der Verringerung der Lichtverschiebung entstanden.
Eine weitere Verbesserung wird in den sehr schmalen Resonanzlinien gesehen, die
in der Größenordnung von 10 Hz oder weniger liegen und eine größere Genauigkeit
und Zeitstabilität gewährleisten. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist größer, da es
nicht notwendig ist, die geringe Modulation eines großen Trägersignals zu demodulieren.
Wegen Fehlens des einen Mikrowellenimpulses wird nur das durch Mikrowellenanregung
erzeugte Signal der Emission gewonnen, und man kann die Empfindlichkeit des Empfängers
voll ausnutzen ohne schwierige Einstellmanipulationen mit Hilfe von Mikrowellenausgleichsbrückenschaltungen.
Da die Resonanzfrequenz nicht von der Amplitude oder Länge des Mikrowellenimpulses
abhängt, sondern nur von der Wiederholungsfrequenz, die durch Ableitung eines Zeitimpulses
von dem synchronisierten Kristalloszillator leicht konstant gehalten werden kann,
wird ein hoher Grad von Genauigkeit erreicht mit einer Stabilität in der Größenordnung
von 1011 oder 101=. Schließlich ist auch die Beeinflussung der Frequenz durch den
Abstimmhohlraumresonator äußerst gering. Da es jedoch eine praktische Notwendigkeit.
ist, die Frequenz des Spitzenwertes, mit welchem der Kristalloszillator synchronisiert
wird, zu eichen, sollte dieses System eher als ein Sekundärnormal betrachtet werden
und nicht als ein absolutes Standardnormal.