Atomuhr Die vorliegende Erfindung betrifft eine Atomuhr. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die fre- quenzselektiven atomaren Übergänge in einer Gas zelle zur Steuerung eines Oszillators zu verwenden, um einen Frequenzstandard zu schaffen. Vorrich tungen dieser Art werden als Atomuhren bezeich net.
Bei einer möglichen Form einer Atomuhr mit einer Gaszelle induziert ein Oszillator einen über gang zwischen zwei molekularen oder atomaren Energiezuständen. Diesem Übergang entspricht eine Spektrallinie mit einer scharfen Resonanzkurve. Durch Phasenmodulation des Oszillators kann am Ausgang eines Phasendetektors die Ableitung der Resonanzkurve (das heisst eine S-Kurve) erhalten werden. Diese S-Kurve liefert ein Fehlersignal, wel ches rückgekoppelt werden kann, um den Oszillator mit der Frequenz der Spektrallinie in übereinstim- mung zu bringen.
In einem solchen System sind die Forderungen für eine stabile und genaue Uhr die folgenden: a) Das Rauschverhältnis (Verhältnis von Signal zu Geräusch) des Detektors sollte so gross wie möglich sein.
b) Die Breite der Resonanzkurve soll möglichst klein sein.
c) Die Mittelfrequenz f o sollte nahezu unab hängig sein von äussern elektrischen oder magneti schen Feldern, Temperaturänderungen, von Druck, von der Beschleunigung usw.
(1) Durch die automatische Frequenzsteuerung sollten keine Systemfehler erzeugt werden.
Ein atomarer Übergang, welcher mit grosser Näherung diesen Forderungen entspricht, ist der im Mikrowellengebiet erfolgende hyperfeine Übergang <I>1F - 1;</I> 4m1,1 <I>= 0;</I> mF = 0 beim Grundzustand in Alkalimetalldämpfen. Dieser Übergang beruht auf der relativen Orientierung des Spins des Valenz- elektrons in bezug auf den Kernspin. Wenn jedoch eine mit Alkalimetalldämpfen gefüllte Zelle in einer Atomuhr (siehe die nachstehend beschriebene Fig. 1) verwendet würde,
wäre die Ansprechempfindlichkeit auf diesen Übergang aus den folgenden Gründen sehr gering: In einer Gaszelle sind bei Raumtemperatur nahezu gleichviele Atome N1 im tieferen Energie niveau F - 1; mF = 0 vorhanden, wie Atome N2 im höheren Energieniveau F = 2; mr <I>=</I> 0, und zwar mit einem geringen Überwiegen von Atomen im tieferen Energieniveau, gemäss der Boltzmann-Ver- teilung:
EMI0001.0033
wo: h die Plancksche Konstante; k die Boltzmann-Konstante; T die Gastemperatur; v die Übergangsfrequenz;
EMI0001.0037
die Wellenzahl; c die Lichtgeschwindigkeit ist.
So ist z. B. für Natrium bei einer Temperatur von 400 K der Wert
EMI0001.0038
Wegen des bekannten Gesetzes, gemäss welchem für eine bestimmte Mikrowellen-Feldstärke die Wahrscheinlichkeit der Absorption eines Photons durch ein Atom im niederen von zwei Energie zuständen genau gleich der Wahrscheinlichkeit der Abgabe oder Emission eines Photons durch induzierte Emission durch ein Atom im höheren der beiden gleichen Zustände ist , ist das Ausgangssignal des Detektors ausserordentlich schwach, da es nur pro portional den Überschuss -Atomen im stärker be völkerten Zustand ist.
Eine Möglichkeit der Er höhung dieses Ausgangssignals besteht in der Er höhung des Bevölkerungsunterschiedes zwischen den beiden Energiezuständen. Um dies zu erreichen, könnte man die Temperatur T herabsetzen. In dieser Beziehung ist man jedoch bald begrenzt, weil die Gesamtzahl der Atome<I>N =</I> N1 <I>+ N2</I> mit der Temperatur auch sehr rasch abnimmt. Eine Mög lichkeit der Erhöhung des Bevölkerungsunterschiedes ohne gleichzeitige Verschlechterung des Geräusch verhältnisses besteht darin, sogenanntes optisches Pumpen anzuwenden.
Optisches Pumpen ist be reits in Verbindung mit der Mikrowellen-Detektion von hyperfeinen Übergängen angewendet worden, wobei das optische Pumpen dazu diente, den Be völkerungsunterschied zwischen denjenigen Energie niveaus zu erhöhen, zwischen welchen die über gänge die gewünschte Spektrallinie liefern. So wurde z.
B. im Falle von Natrium im Augenblick, wo der gewünschte Übergang zwischen den Grundenergie niveaus: <I>F=2;</I> mF=0 F= 1; mF=0 auftritt, wo F der Gesamtdrehimpuls eines Atoms und MF seine Komponente in Richtung des stati schen Magnetfeldes ist, linear polarisiertes Natrium resonanzlicht verwendet, um eine Bevölkerungs zunahme (Anreicherung) bei einem der eben defi nierten Niveaus zu erzeugen. Mit optischem Pumpen kann eine effektive Temperatur von 0,1 K erreicht werden, wodurch sich eine Zunahme des Rausch verhältnisses von mehr als 60 db ergibt.
Diese Er gebnisse wurden durch die Verwendung eines Mikro wellenempfängers für die Messung der Absorption der Mikrowellenfrequenz erzielt. Es zeigte sich, dass trotz dieses Gewinnes eine Erregung durch das linear polarisierte Natriumresonanzlicht nicht ein ange messenes Rauschverhältnis erzeugte, wenn optische Detektionsmittel verwendet wurden, um die Licht absorption infolge der Mikrowellenübergänge zu messen.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Atomuhr, bei welcher die De- tektion von im Mikrowellenbereich liegenden hyper feinen Übergängen in einem Alkalidampf entweder durch optische oder Mikrowellendetektionsmittel er folgt.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Atomuhr mit einer Alkalidampfzelle, in welcher durch Mikro wellenenergie Übergänge JF = 1; :dmr = 0; im Grundenergieniveau erregt werden, für welche die Änderung dfo der Mittelfrequenz der Resonanz kurve der Übergänge in Abhängigkeit von Änderun gen des die genannte Zelle durchsetzenden Magnet feldes<I>H</I> dem Gesetz dfo <I>=</I> ssH2 gehorcht, wo eine Materialkonstante ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind,
um in die genannte Zelle zirkular polarisiertes Licht einzustrahlen und die durch die eingestrahlte Mikrowellenenergie indu zierten Übergänge durch Detektionsmittel erfasst werden, und dass das Ausgangssignal der Detek- tionsmittel zur Frequenzsteuerung des die genannte Mikrowellenenergie liefernden Generators dient.
Mit Vorteil wird eine Bevölkerungszunahme in einem gegebenen Energieniveau erzeugt, während die Übergänge, welche für frequenzselektive Zwecke im Mikrowellenbereich von Bedeutung sind, zwischen zwei andern Niveaus auftreten.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass beispielsweise bei Natrium durch die Erhöhung der Bevölkerung bei einem Grundenergieniveau na, <I>=</I> 2 und durch Erzeugung eines Mikrowellenüberganges zwischen den Grundzuständen<I>F = 2;</I> MF <I>= 0</I> und F = 1;
m., = 0, diese Übergänge grössere Änderungen in der Intensität oder Polarisation des übertragenen Lichtes durch die Gaszelle erzeugen, als sie durch die normale Boltzmannsche Verteilung der Bevölke rungen zwischen den Energieniveaus oder durch optisches Pumpen mit linear polarisiertem Licht er zeugt werden, bei welch letzteren Verfahren die Be völkerung des Zustandes<I>F = 2;</I> rnl, <I>= 0</I> erhöht wird. Diese Lichtänderungen werden dann durch geeignete Mittel detektiert, wie z. B. durch eine Photozelle, einen Polarisationsanalysator<B>USW.</B>
In gleicher Weise wird unter diesen Verhältnissen die Mikrowellenabsorption erhöht, und diese Ände rung kann durch die Verwendung geeigneter Mikro- wellendetektionsmittel erfasst werden.
Die vorgenannte Anreicherung wird erfindungs gemäss, wie schon erwähnt, durch Bestrahlung des Alkalidampfes mit zirkular polarisiertem Resonanz licht erzeugt.
Im besonderen Falle von Natrium erhöht das zirkular polarisierte Resonanzlicht die Anreicherung der Energieniveaus MF = 2 (wobei rechts zirku lar polarisiertes Natriumresonanzlicht den Pegel <I>in, =</I> + 2 und links zirkular polarisiertes Natrium resonanzlicht den Pegel ml; = -2 begünstigt).
Zur Erzielung eines Mikrowellenüberganges 4F = 1; AMF = 0; nar = 0 muss ein statisches Ma- gnetfeld vorhanden sein und das Magnetfeld der Erregungsmikrowellenenergie muss parallel zum statischen Magnetfeld sein, wobei diese beiden Ma gnetfelder parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes verlaufen.
Vorzugsweise wird in der Gaszelle ein nicht ma gnetisches Puffergas, wie z. B. Argon, Neon, Helium usw., vorgesehen. Dadurch wird die Diffusionszeit des Alkalimetalldampfes zu den Wänden der Zelle erhöht und eine Verminderung des Dopplereffektes bewirkt, zusammen mit einer entsprechenden Er höhung der Schärfe der Resonanzlinie.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein teilweise in Blockform ge haltenes Schema einer Atomuhrenanlage, die Fig. 2 ein teilweise in Blockform gehaltenes Schema einer Variante nach Fig. 1, die Fig. 3 eine Variante der in Fig. 1 gezeigten optischen Detektionsmittel, die Fig. 4 ein teilweise in Blockform gehaltenes Schema der Detektionsmittel nach Fig. 3,
und zwar werden in dieser Figur anstelle der optischen Detek- tionsmittel Mikrowellendetektionsmittel verwendet, und die Fig. 5, 6, 7 zeigen schliesslich Kurven zur Erläuterung der Erfindung.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungs beispielen wird der im Mikrowellengebiet liegende hyperfeine übergang im Grundzustand eines Alkah- metalldampfes in der folgenden Art und Weise ver wendet: Eine bestimmte Menge Alkalimetalldampf wird unter gutem Vakuum in einem geeigneten Ge fäss abgeschlossen, welches mit einem nicht para- magnetischen Gas bei geeignetem Druck gefüllt ist, und in diesem Gefäss wird der Dampf gleichzeitig der Wirkung eines zirkular polarisierten Resonanz lichtes und eines Mikrowellenfeldes ausgesetzt.
Bei spielsweise kann das Gas in einen Mikrowellen hohlraum eingebracht werden, welcher in den Wän den kreisförmige Öffnungen aufweist, welche den Durchtritt von Licht gestatten. Gemäss einer Va riante kann die Gaszelle einem Mikrowellenfeld aus gesetzt werden, welches durch ein Wellenleiterhorn oder eine Wellenleiterantenne ausgestrahlt wird. Die Mikrowellenenergie, deren Frequenz dem hyperfeinen übergang in den Alkaliatomen entspricht, erzeugt eine Änderung der Intensität und der Polarisation des durch die Gaszelle übertragenen Lichtes. Diese Variation lässt sich durch optische Detektionsmittel, wie z. B. eine photoelektrische Zelle usw., feststellen.
Die Frequenzselektivität des llberganges wird für die Schaffung eines atomaren Frequenzstandardes auf die folgende Art verwendet: Beispielsweise wird die Mikrowellenfrequenz durch ein Niederfrequenz signal phasenmoduliert, und das Ausgangssignal einer Phasenvergleichseinrichtung, welche auf die Photozellen-Phasenvergleichsvorrichtung folgt, welche die Phase des Photozellenausgangssignals mit derjeni gen des Niederfrequenzsignals vergleicht, wird zur Frequenzsteuerung des Mikrowellenoszillators ver wendet,
wodurch die Frequenz des Oszillators mit derjenigen des atomaren Überganges in übereinstim- mung gebracht wird.
Gemäss einer Variante kann anstelle der opti schen Detektionsmittel ein Mikrowellendetektor, wie z. B. ein Kristalldetektor, ein Bolometer, ein Mikro- wellenempfänger usw. dazu verwendet werden, um die Variation der Mikrowellenabsorption festzustel len, die durch die Phasenmodulation der Mikro wellenfrequenz entsteht, und das Ausgangssignal dieses Mikrowellendetektors kann dann der Phasen vergleichsvorrichtung, zwecks Vergleich mit dem Niederfrequenzsignal, zugeführt werden, so dass ein Fehlersignal entsteht, welches zur Frequenzsteuerung des Mikrowellenoszillators verwendet wird.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird ein gleichförmiger Strahl zirkular polarisierter Resonanz strahlung durch eine Standard-Natriumlampe 1 er zeugt, welche vorzugsweise mit konstantem Gleich strom betrieben wird und deren Licht durch eine Zirkular-Polarisationsvorrichtung 2 hindurchgeleitet wird. Die Polarisationsvorrichtung 2 kann beispiels weise aus einer Schicht bestehen, welche linear pola risiertes Licht erzeugt und die mit einer .1/4-Platte verbunden ist.
Dieser zirkular polarisierte Natrium resonanzstrahl 3 wird durch eine Gaszelle 4 hin durchgeleitet, welche verdampftes Natrium 23 und ein Puffergas enthält, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird. Ein statisches Magnetfeld 5, dessen magnetische Kraftlinien parallel zur Fort pflanzungsrichtung des Strahls 3 verlaufen, durch dringt die Zelle 4. Angesichts von magnetischen Streufeldern, einschliesslich des erdmagnetischen Feldes, welche die gewünschte Wirkung des optischen Pumpens stören könnten, ist es erwünscht, die Gas zelle magnetisch abzuschirmen.
Das Licht, welches durch die Zelle 4 hindurchdringt, oder, besser ge sagt, welches durch die Zelle 4 wieder ausgestrahlt wird, und zwar in der Vorwärtsrichtung, die durch die Richtung des Strahls 3 definiert ist, wird auf eine Photozelle 6 geleitet, deren Ausgangssignal im Ver stärker 7 verstärkt und an die Phasenvergleichsvor- richtung 8 angelegt wird, die aus einem Synchron Detektor bestehen kann. In der Phasenvergleichs vorrichtung 8 wird das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers 7 mit einem Bezugssignal aus dem Niederfrequenzoszillator 9 verglichen.
Das Ausgangs signal der Vorrichtung 8, dessen Grösse und Pola rität, gemäss der Differenz zwischen dem atomaren übergang und der Frequenz der an die Zelle ange legten Mikrowellenenergie ändert, wie dies nach stehend noch näher erläutert wird, gelangt an ein Servo-Steuersystem 10, welches ein Potentiometer 11 dreht, welch letzteres eine Spannung an die Re aktanzröhre 12 anlegt, die ihrerseits verhältnismässig kleine Änderungen in einem Kristalloszillator 13 hervorruft, um dessen Ausgangsfrequenz zu ändern.
Das Ausgangssignal des Oszillators 13 wird durch einen Phasenmodulator 14 geleitet, welchem auch ein Signal aus dem Niederfrequenzoszillator 9 zuge führt wird, um das Ausgangssignal des Kristall- oszillators 13 in der Phase zu modulieren. Das sich ergebende phasenmodulierte Signal wird einem Fre- quenzvervielfacher 15 zugeführt, wo es bis in den Mikrowellenbereich hinauf multipliziert wird, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird, so dass ein frequenzmoduhertes Mikrowellensignal entsteht.
Dieses frequenzmodulierte Mikrowellensignal wird dann an ein Mikrowellenhorn 16 über einen ge eigneten Wellenleiter, wie z. B. eine Koaxialleitung 17 und eine Strahlungssonde 18, angelegt. Das Horn strahlt die resultierende Mikrowellenenergie aus und richtet die Strahlung durch die Natriumzelle 4 hin- durch. Die Sonde 18 ist derart im Horn 16 orientiert, dass das resultierende Magnetfeld, wie es die Na triumzelle 4 durchsetzt, parallel zum statischen Ma gnetfeld 5 verläuft.
Die Natriumzelle 4 wird durch Evakuation eines Glaskolbens hergestellt, wobei man veranlasst, dass Natrium durch Destillation in den Kolben eintritt, und hierauf wird die Zelle mit einem nicht para- magnetischen inerten Puffergas, wie beispielsweise Argon, Neon oder Helium usw., bei geeignetem Druck gefüllt, wie dies nachstehend näher dargelegt wird. Im Betrieb wird die Zelle vorzugsweise durch irgendein geeignetes Mittel, wie beispielsweise eine Flamme, erwärmt, welches Mittel die Magnetfelder nicht stört, und zwar vorzugsweise auf eine Tempe ratur von 120-130 C im Falle von Natrium.
An stelle von Natrium könnten andere Alkalidämpfe verwendet werden, wie beispielsweise Rubidium, welches auf ungefähr 40 C zu erwärmen wäre, und Cäsium, welches auf ungefähr 15-30 C zu erwär men wäre. Für jede der verwendeten Substanzen sollte die Betriebstemperatur hoch genug sein, so dass genügend Atome verdampft werden, um ein gutes Ausgangssignal zu liefern. Anderseits darf die Temperatur nicht so hoch sein, dass eine Desorientie rung der magnetischen Momente infolge von Kolli sion zwischen Atomen entsteht.
Das Puffergas dient dazu, den Dopplereffekt zu vermindern und auch das optische Pumpen zu unter stützen. Für ein optimales Pumpen existiert ein optimaler Puffergasdruck. Die Übergangsfrequenz f o wird durch die verwendeten Puffergase und ihre Drucke beeinflusst. Im Falle von Natriumdampf scheinen Druckzunahmen des Argons, wenn es als Puffergas verwendet wird, die Übergangsfrequenz f o leicht herabzusetzen, wobei die Änderung in der Grössenordnung von weniger als einigen Hz pro mm 1-1g-Druck beträgt.
Im Falle von Natriumdampf, wo Neon als Puffergas verwendet wird, hat es sich ge zeigt, dass eine verhältnismässig grosse Verschiebung nach höheren Frequenzen von ungefähr 80 Hz pro mm Hg auftritt. Durch Änderung des Druckes des Puffergases, insbesondere von Neon, wo das Alkali metall Natrium ist, kann die Frequenz f o verschoben und dadurch die Frequenz der Atomuhr eingestellt werden. Die Fig. 7 zeigt die Änderung der Resonanz frequenz in Abhängigkeit von Druckänderungen des Puffergases (Neon und Argon).
Wegen des Konfliktes der Forderungen für einen optimalen optischen Pumpwirkungsgrad und für eine Herabsetzung des Dopplereffektes wird vorzugsweise ein Puffergasdruck von ungefähr 1 mm Hg oder mehr, aber nicht mehr als 5 mm Hg, verwendet. Wo es jedoch erwünscht ist, die Relaxationszeit des Atoms zu erhöhen, um sehr resonanzscharfe über gänge zu erhalten, können höhere Drucke verwen det werden. So sind z.
B. Argondrucke bis zu 3 mm Hg verwendet worden.
Das eben beschriebene System arbeitet wie folgt: Die Erregung durch das zirkular polarisierte Licht erzeugt in der Zelle 4 eine Anreicherung bei den durch Zeemann-Aufspaltung entstandenen Grund energieniveaus mr = 2. Eine kleine, aber doch we sentliche Änderung in der Bevölkerung der Ni veaus mF = 2 wird erzeugt, wenn die Bevölkerung der mr = 0-Niveaus geändert wird, das heisst, wenn der Mikrowellenübergang JF =<I>1,</I> dmF <I>= 0</I> die Ni veaus mF = 0 sättigt,
was bei einer bestimmten Mikrowellenübergangsfrequenz auftritt. Die Mikro wellenfrequenz f o ist definiert als die Frequenz, welche dem hyperfeinen Übergang in den Alkali metallatomen entspricht. Im Falle von Natrium han delt es sich um den Übergang 4F = 1, -'IMF = 0, mF = 0. Im Falle von Cäsium ist es der Übergang von 4,0 auf 3,0. Diese Übergänge werden wegen ihrer relativen Unabhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes für die Atomuhr gewählt. Im Falle von Natrium ist fo = (1771,62 + 0,0022 H2) 106 sec. -I, wo H das statische Magnetfeld darstellt.
Für ein Ma gnetfeld von 0,1 Oersted ist J <I>f o = f o</I> -177l,62 = 22 Hz. Die Fig. 6 zeigt die Änderung von f. für ver schiedene Werte des statischen Magnetfeldes im Falle von Natrium.
Im Falle von Cäsium ist <I>f o</I> = (9,192631 + 0,000426 H2) <B>106</B> sec. -i Für ein Feld von 0,1 Oersted ist dfo = fo - 9, 19263l = 4 Hz Der gewünschte Übergang wird erzielt durch Ein stellung der Frequenz der vom Horn 16 abgestrahl ten Mikrowellenenergie, so dass sie mit der über gangsfrequenz f o übereinstimmt. Diese Einstellung der Frequenz f o kann automatisch durch irgendein geeignetes automatisches Frequenzsteuersystem ge steuert werden. Ein derartiges System ist in der Fig. 1 dargestellt.
Dieses beruht auf der Tatsache, dass, wenn die an die Zelle angelegte Mikrowellen frequenz auf die eine oder andere Seite der Reso- nanzausgangsfrequenz f o variiert wird, die Licht absorption gemäss einer charakteristischen Absorp tionskurve ändert. Diese Kurve hat die gleiche Form wie die Lorentzsche Resonanzkurve. Der Nieder frequenzoszillator 9 wird verwendet, um die Mi krowellenfrequenz rückwärts und vorwärts über einen kleinen Teil der Kurve zu verändern, und zwar um eine mittlere Frequenz, die durch den Mikro wellenoszillator festgelegt ist.
Falls diese Änderung um eine Mittelfrequenz herum stattfindet, welche gleich der übergangsresonanzfrequenz ist, dann wird die Ausgangsleistung ein Minimum sein. Falls die Mittelfrequenz auf der einen oder andern Seite von f o ist, ergibt sich ein Ausgangssignal von der Photo zelle 6 in der Form einer Niederfrequenzwelle. Wenn die Mittelfrequenz auf der einen Seite von f o liegt, ist die Phase dieser Niederfrequenzwelle in Gegen phase zur Niederfrequenzwelle, welche erzeugt wird, wenn die Mittelfrequenz auf der andern Seite von f o liegt.
In der Phasenvergleichsvorrichtung 8 wird die Niederfrequenzwelle mit der Bezugs-Niederfre- quenzwelle des Oszillators 9 verglichen. Es entsteht ein Gleichstromfehlersignal, dessen Polarität von den relativen Phasen der verglichenen Niederfre- quenzwellen abhängig ist.
Ein Beispiel für die Art der Änderung eines solchen Fehlersignals ist in der Fig.5 dargestellt, welche das Ausgangssignal der Phasenvergleichsvorrichtung in Abhängigkeit der Frequenz des Mikrowellenoszillators auf beiden Seiten der übergangsresonanzfrequenz f o zeigt.
Man erkennt, dass, wenn die Mittelfrequenz auf der einen Seite der Frequenz f o liegt, positive Fehlerspannun gen entstehen, und dass, wenn die Mittelfrequenz auf der andern Seite der Frequenz f o liegt, negative Spannungen entstehen, und dass schliesslich in dem Fall, wo die Mittelfrequenz mit der Resonanzfre- quenz f o übereinstimmt, kein Fehlersignal entsteht.
Man erkennt, dass bei richtiger Anwendung diese bi polaren Fehlersignale den Kristalloszillator 13 in einer solchen Richtung treiben, dass die vom Horn 16 ausgestrahlte Mikrowellenenergie gleich der Cbergangsresonanzfrequenz f o ist. Es gibt zahlreiche Arten, diese Steuerung zu vollziehen. Die in der Fig. 1 als Beispiel dargestellte Art verwendet ein Servosteuersystem, wobei das Fehlersignal im Servo- verstärker verstärkt und für den Antrieb eines Servo motors verwendet wird.
Der Servomotor seinerseits betätigt das Potentiometer 11, welche die an die Re aktanzröhre 12 angelegte Spannung steuert. Die Röhre 12 kann in üblicher Weise dazu verwendet werden, den verhältnismässig stabilen Kristalloszilla- tor 13 derart zu steuern, dass dieser seine Ausgangs frequenz leicht ändert. Diese Frequenz wird dann vervielfacht und liefert die Mittelfrequenz der vom Horn 16 abgestrahlten Mikrowellen. Selbstverständ lich können zahlreiche andere Verfahren verwendet werden, um die Fehlersignale zur Steuerung der Mittelfrequenz auszunützen.
Man erkennt, dass im System der Fig. 1 ein be trächtlicher Teil der vom Horn 16 abgestrahlten Mikrowellenleistung verlorengehen kann. Um diese Mikrowellenleistung rationeller zu verwenden, kann eine etwas anders geartete Anordnung zur Anlegung der Mikrowellenstrahlung an die Zelle verwendet werden, wie dies in der Fig. 2 zum Ausdruck kommt. In dieser Figur ist die Zelle 4 innerhalb eines zylin drischen Hohlraumes 20 untergebracht, welcher nach dem TEo11-Modus schwingen kann. Die Endwände 21 des Hohlraumes weisen Öffnungen auf, damit die Zelle mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlt und das Licht von der Zelle zu einer Lichtdetektorappa- ratur gelangen kann.
Das Vorhandensein von öff- nungen in den Wänden beeinträchtigt den Fortpflan zungsmodus nicht. Der Hohlraum 20 ist so orien tiert, dass das in diesem vorhandene Magnetfeld, in folge der Erregung durch Energie aus dem Fre- quenzvervielfacher 15 parallel zum statischen Feld und in der Richtung der Fortpflanzung des Licht strahls verläuft. Der Hohlraum kann durch eine Kopplungsschleife oder durch andere nicht gezeigte Mittel erregt werden, um den genannten Modus zu erzeugen.
Während in den Fig. 1 und 2 das optische Detek- tionssystem aus einer einfachen Photozelle und einem Verstärker besteht, welches System die Absorptions charakteristik der Zelle misst, kann auch der Pola risationseffekt in der Zelle detektiert und als ein Mass in der gezeigten Anordnung verwendet werden. Bekanntlich ändern Mikrowellenübergänge in einer derartigen Zelle nicht nur die Lichtabsorptions- charakteristiken der Zelle, sondern auch die Pola risation des in irgendeiner gegebenen Richtung die Zelle durchsetzenden Lichtes.
Dieser Polarisations effekt kann dadurch ausgewertet werden, dass man die Photozelle in der Fig. 1 durch einen Polarisa- tionsanalysator 30 (Fig. 3) ersetzt, dessen beide Lichtausgänge den Photozellen 31 und 32 zugeführt werden, wobei die Ausgangssignale dieser beiden Zellen in einem Differentialverstärker 33 kombiniert und hierauf der Phasenvergleichsvorrichtung 8 zu geführt werden. Die übrigen Teile des Systems ent sprechen denjenigen der Fig. 1.
Anstelle von optischen Detektionsmitteln können Mikrowellendetektionsmittel verwendet werden. So lässt sich beispielsweise die Anordnung nach Fig. 4 anstelle der optischen Detektionsmittel der Fig.2 verwenden.
In diesem Fall muss der zylindrische Hohlraum 35 nur an einem Ende eine Öffnung für den Zugang des zirkular polarisierten Lichtes auf weisen, während die Mikrowellenenergie dem Hohl raum durch eine Kopplungsschleife 36 entnommen und einem Mikrowellendetektor 37 zugeführt wer den kann, dessen Ausgangssignal hierauf der einen Seite der Phasenvergleichsvorrichtung zugeführt wird.
Man erkennt, dass durch Einstellung des stati schen Magnetfeldes (siehe Fig. 6) die Resonanzfre- quenz der Atomuhr innerhalb des angegebenen Be reiches geändert werden kann. In gleicher Weise kann, wie dies durch die Fig. 7 zum Ausdruck kommt, durch Änderung des Druckes, des Puffer gases, insbesondere im Fall von Neon in einer Na triumdampfzelle, die Resonanzfrequenz f o ebenfalls eingestellt werden.
In der vorangehenden Beschreibung wurde ins besondere der Fall von Natrium betrachtet, bei welchem durch Einstrahlung von zirkular polari siertem Licht eine Erhöhung der Bevölkerung eines Energieniveaus erzeugt wurde, während eine Mikro wellenerregung verwendet wurde, um einen über gang zwischen andern Energieniveaus zu erzeugen. Diese gleiche Technik lässt sich jedoch auch auf die andern Alkalimetalldämpfe anwenden.